关于生物医学应用的材料科学有很多文章可供阅读，但是很难获得侧重于与个性化医学最相关的方法和知识的最新的主题汇编。

于此，由Advanced Materials杂志的客座编辑Natalie Artzi撰写的本期关于个性化医学材料的专刊，将相关的Review和Progress Report归纳于此，着重介绍了用于治疗和诊断的材料设计以及医学生物材料的开发和制造，旨在激发和启发许多人推动他们研究计划前进。工程师与临床医生和科学家的合作最终将有助于改善患者的生活，并为精确医学的实现带来希望。

下面进行详细分类：

 

纳米诊断材料

对于纳米诊断材料，该系列有三个最新的主题：

1.核酸结构作为内细胞探针用于活细胞

西北大学ChadA. Mirkin等人综述了核酸作为活细胞中发生的生化过程的分子探针的可能性。

Devleena Samanta, et al. Nucleic-AcidStructures as IntracellularProbes for Live Cells. Advanced Materials. 2019

DOI: 10.1002/adma.201901743

https://doi.org/10.1002/adma.201901743

 

2. 用于癌症治疗的2D纳米材料

苏州大学刘庄和程亮等人综述了二维纳米结构的独特特性（石墨烯片以及具有可调电子和光学特性以及可改变的表面化学性质的一系列结晶异质结构）。

Cheng,L., et al., 2D Nanomaterials for Cancer Theranostic Applications. Adv. Mater.2020, 32, 1902333.

https://doi.org/10.1002/adma.201902333

 

3. 人工智能和纳米技术相结合用于精确癌症医学

以色列理工学院的 Avi Schroeder等人综述了用于发现和优化用于诊断应用的纳米材料以及用于对测量结果进行分类的机器学习算法的开发。

Omer Adir, Avi Schroeder. et al. IntegratingArtifcial Intelligenceand Nanotechnology for Precision Cancer Medicine. AdvancedMaterials. 2019

DOI: 10.1002/adma.201901989

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201901989

 

递送材料

从事递送材料的研究庞大而广泛。为了顺应这一领域的最新发展，该系列着重介绍了最有希望的一系列战略，以提高传统疗法和新疗法的有效性。为了将药物和生物制剂输送到特定的细胞类型，2份进展报告描述了纳米材料工程中最有希望的途径，以及最佳的靶向配体的呈现和类型。

 

1. 靶向肿瘤的纳米颗粒用于组合式核酸递送

约翰霍普金斯大学医学院Jordan J. Green教授和Stephany Y. Tzeng等人综述讨论了靶向癌症的纳米颗粒用于组合式核酸递送。用于治疗应用的核酸种类和其在细胞内进行有效递送时所必须克服的障碍和不同靶向策略。

HannahJ. Vaughan, Jordan J. Green, Stephany Y. Tzeng. et al. Cancer TargetingNanoparticles for Combinatorial Nucleic Acid Delivery. Advanced Materials. 2019

DOI:10.1002/adma.201901081

https://doi.org/10.1002/adma.201901081

 

2. 配体安装的纳米载体用于精准治疗

东京大学Kazunori Kataoka院士等人介绍了关于配体安装的纳米载体的开发和临床试验的最新进展和设计的影响，以及这些制剂面临的挑战和未来前景。

Mi,P., et al., Ligand‐Installed Nanocarriers toward Precision Therapy. Adv. Mater. 2020,32, 1902604.

https://doi.org/10.1002/adma.201902604

 

给药方式：

生物制剂通常通过注射来递送，而根据动态疾病变化进行药物释放，可能还需要考虑其他的给药方式，如微针贴片和口服递药。如下面两篇：

 

1. 葡萄糖反应性胰岛素递送系统的创新和转化

加州大学洛杉矶分校顾臻教授等人总结了用于设计葡萄糖反应性胰岛素递送系统的分子方法及其转化挑战。

Wang,J., et al., Glucose‐Responsive Insulin and Delivery Systems: Innovation and Translation.Adv. Mater. 2020, 32, 1902004.

https://doi.org/10.1002/adma.201902004

 

2. 口服递送药物用于精准治疗

对于胃肠道疾病，口服递送纳米材料的新配方增强了它们对肠道恶劣环境的抵抗力，并允许位点特异性递送。西班牙圣地亚哥·德·孔波斯特拉大学María José Alonso等人综述了口服递送药物用于精准治疗的现状和未来展望。

Matilde Durán-Lobato, et al. Oral Delivery of Biologics forPrecision Medicine. Advanced Materials. 2019

DOI: 10.1002/adma.201901935

https://doi.org/10.1002/adma.201901935

 

免疫疗法：

最近，免疫疗法的前景（如FDA近期批准的检查点阻断疗法和CAR-T细胞所证明的）以及有希望的疫苗佐剂的鉴定，为长期且个性化的治疗策略开辟了新的前景。

 

1. 利用生物材料调节肿瘤相关巨噬细胞

巨噬细胞还可以塑造免疫微环境，华盛顿大学Suzie H. Pun教授等人表明使它们原位极化的策略（以及递送方式）可能有助于改善治疗效果。

MeilynSylvestre, Suzie H. Pun. et al. Progress on Modulating Tumor-AssociatedMacrophages with Biomaterials. Advanced Materials. 2019

DOI:10.1002/adma.201902007

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201902007

 

2. 生物材料用于个性化细胞疗法

细胞（尤其是患者特异性细胞）而不是特异性分子因子的传递也可以影响免疫系统。麻省理工学院Daniel G. Anderson等人在综述中表明：精准材料可以递送这些细胞或创建个性化的保护层，以指导细胞原位活动。

Facklam,A. L., et al., Biomaterials for Personalized Cell Therapy. Adv. Mater. 2020,32, 1902005.

https://doi.org/10.1002/adma.201902005

 

3.材料用于免疫治疗

哈佛大学Samir Mitragotri和C. Wyatt Shields IV等人在材料用于免疫治疗的综述中表明可以针对有效的免疫疗法设计材料，并考虑所递送的免疫调节剂的类型，或根据其激活或抑制免疫系统的内在能力。

Shields,C. W., et al., Materials for Immunotherapy. Adv. Mater. 2020, 32, 1901633.

https://doi.org/10.1002/adma.201901633

 

为了产生免疫记忆，可以通过使用仿生纳米系统进行抗菌和抗癌疗法来构造个性化疫苗。如下面两篇综述所诉：

 

4. 仿生纳米技术用于构建个性化疫苗

加州大学圣地亚哥分校Ronnie H. Fang教授和张良方教授等人综述了近年来仿生纳米疫苗在抗菌和抗癌方面的研究进展，并着重介绍了其在个体化治疗方面的应用潜力。

Jiarong Zhou, et al. Biomimetic Nanotechnology toward Personalized Vaccines. AdvancedMaterials. 2019

DOI:10.1002/adma.201901255

https://doi.org/10.1002/adma.201901255

 

5. 生物材料作为解码免疫的工具

美国马里兰大学帕克分校Christopher M. Jewell研究团队通过传染病和癌症免疫治疗的疫苗以及包括自身免疫和移植在内的免疫调节的设置实例，证明了这些能力的实用性。

HaleighB. Eppler, Christopher M. Jewell. Biomaterials as Tools to DecodeImmunity. Adv. Mater., 2019.

https://doi.org/10.1002/adma.201903367

 

6.免疫导向生物材料设计用于粘膜癌疫苗

但是，在缺乏组织特异性印迹分子的情况下，最常见的疫苗接种途径（皮下和肌肉内）可在粘膜癌中产生边缘免疫保护。哈佛医学院Natalie Artzi等人讨论了在粘膜免疫情况下生物材料设计，给药途径和抗原-佐剂鉴定的主要注意事项。

Shiran Ferber, Rodrigo J.Gonzalez, Alexander M. Cryer, et al. Immunology‐Guided Biomaterial‘s Designas Mucosal Cancer Vaccine. Adv, Mater., 2019.

https://doi.org/10.1002/adma.201903847

 

规模制造：

为了转化这些技术，扩大制造规模至关重要。该系列中的3篇文章根据个体患者的复杂性，传达了最有前途的个性化制造方法。

 

1. 3D打印用于精准医学

3D打印使得能够设计用作体外模型的精确植入物以筛选患者特异性治疗剂，并最终用于设计具有特定形状和组合物的材料，宾夕法尼亚大学Jason A. Burdick教授团队对关于3D打印技术的最新研究进展及其在精准医学领域的应用进行了详细综述，并对这一领域所面临的挑战和发展前景进行了介绍。

MargaretE. Prendergast, et al. Recent Advances in Enabling Technologies in 3D Printingfor Precision Medicine. Advanced Materials. 2019

DOI:10.1002/adma.201902516

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201902516

 

最引人入胜的是设计和制造可模仿天然生物系统响应性和动态行为的生物混合材料的能力。即：

 

2. 用于病人特异性治疗的生物混合材料

麻省理工学院Ritu Raman博士和Robert Langer教授通过介绍一系列的实例，说明了生物混合材料这一新兴学科的巨大潜力，并概述了与这些材料的制备、存储、递送和非侵入性控制相关的技术挑战以及临床转化所面临的诸多问题。

Raman,R., Langer, R., Biohybrid Design Gets Personal: New Materials for Patient‐SpecificTherapy. Adv. Mater. 2020, 32, 1901969.

https://doi.org/10.1002/adma.201901969

因此，通过考虑必须集成的不同构建块的复杂性，增材制造可以帮助实现许多精密的生物材料。此外，它还可以实现设计自由，大规模定制，多材料制造以及生产具有复杂几何形状的零件的能力。正如下一篇综述所述：

 

3. 精密生物材料的增材制造

苏黎世联邦理工大学Mark W. Tibbitt等人综述了增材制造用于药物筛选和疾病建模的可重复微组织，个性化药物递送系统，以及定制的医疗设备的可能性。

Guzzi,E. A., Tibbitt, M. W., Additive Manufacturing of Precision Biomaterials. Adv.Mater. 2020, 32, 1901994.

https://doi.org/10.1002/adma.201901994

 

结语：

设计最佳的个性化联合疗法需要超越患者特定的遗传和分子信息的知识，以及需要对生物（纳米）材料构造块的结构和功能以及最接近治疗位点的生物屏障和生物环境变化的有基本了解。相反，为了使新的个性化疗法成为现实，对给药途径的作用，每种疗法的顺序和持续时间以及由此产生的局部和全身免疫应答的系统检查变得至关重要。

 

开发新设备、更好的治疗方法和诊断测试的前景最终可以改善患者的生活，并破译相关的潜在生物学机制，这使生物医学工程师为他们对医学的贡献感到兴奋。更多的生物工程师应该抓住与跨学科机构的跨材料科学，化学和生物学领域的临床医生和科学家合作的机会。过去几年中取得的大部分进展，并在本系列中着重强调了人们对当今精准医学前景的希望和期望。

 

参考来源：

Advanced Materials Special Issue: Materials for Precision Medicine. 2020.

https://onlinelibrary.wiley.com/toc/15214095/2020/32/13

信息来源：材料化学快讯