看老司机是如何从应用出发来设计材料
首先介绍一下这位老司机：Mark. E. Davis教授。Davis教授是化学工程专业出身。初期以合成分子筛，做催化而成名。到了加州理工学院后转攻抗癌药物的研发。相信很多人都听过Davis教授因爱转研究方向的故事。事情的经历大概是这样的：
Mark来到加州理工学院后，想要拓展研究领域，因为其强大的合成背景，同僚们建议他试试材料的生物应用。下面是一段Mark自己对于生物材料的理解：
“Materials in medicine have [typically] been known materials created for other uses and then applied to medicine, what I call the bandage approach”
“That is, one keeps adding more bandages to something to finally get it to work to some degree. Our approach was to start from the beginning and build new materials with the features and functions that you want for the desired medical application.”
大意是：生物材料总是无心插柳而出现，并非有心栽花，而Davis要做一个有心载花的人（理解若有偏颇，请指正）。
当时，虽然要研究材料的生物应用，但是还没有具体的方向。直到一天，Mark的老婆被诊断为乳腺癌，于是确定要立志于癌症药物的开发。目前，Davis教授的研究的抗癌药物 CRLX101至少已经进入临床二期。
本期内容以Davis教授开发CRLX101抗癌药物为例，分享大牛如何从应用出发来合成与设计材料。
1. 癌症治疗的难点在哪里？
既然要开发抗癌药物，当然要知道癌症治疗的难点在哪里。难点有二：1. 癌细胞的转移性，2. 抗药性。针对这两点，癌症药物就必须具有特异性和反抗药性。当时已经发现有很多药物能够杀死癌细胞，但是都没有特异性，常常是好坏不分，通通杀。所以需要找的材料必须能够携带药物，同时还能够识别肿瘤。
2. 为什么选择纳米材料？
研究表明，肿瘤部位与正常组织的一大区别是：肿瘤部位的血管的缝隙比较大（图1）。基于此，合成出身的Davis教授就想到合成具有一定尺寸的纳米材料，这种材料无法透过正常的血管，而能够透过肿瘤部位的血管（这样做法可能并非Davis教授首创，没有查证过）。如此，就可以实现靶向。纳米材料在此处的作用就是一个载体。生物体极其复杂，所以对纳米颗粒尺寸的把握至关重要。
图1
ps：图片来源 J. Natl. Cancer Inst. 98 (5), 335 (2006).
3. 究竟多大的纳米颗粒最合适？
对于抗癌药物，首先是要保证足够的体内循环时间。如果尺寸小于10 nm，材料就会很快被肾脏排出，所以纳米材料的尺寸的下限是10 nm。那么上限在哪里呢？纳米粒子是通过吞噬作用进入癌细胞的。细胞的吞噬效果对纳米粒子的尺寸有一定的要求，当尺寸大于100 nm，则无法实现吞噬。所以需构建的纳米粒子尺寸上限是100 nm。最终设计出的药物如图2所示。在此例中，从应用出发，纳米颗粒的尺寸在一定范围内即可，形貌也影响不大。
图2
ps：图片来源Advanced Drug Delivery Reviews 61 (2009) 1189–1192
4. 纳米药物的组成如何？
合金、核壳、等等。做纳米合成的人，对这些组成和结构相当熟悉，但是很少是从应用的角度真正来设计这些组成和结构。看看Davis教授是如何针对性设计。先看图3，图4：
图3
图4
虽然是因合成分子筛成名，但Mark并没有选择分子筛，而是选择了一种聚合物核壳结构材料（这也说明他确实是从应用来找材料，而不是给自己的材料找出路）。药效成分Camptothecin被包裹在中间，外面是一层环糊精和PEG。为什么这么选择？因为Camptothecin是很有效的抗癌物质，所以被选择为核心。但是其毒副作用太大，所以必须包裹起来，定点释放。环糊精的生物相容性好、药物中早有应用，同时其功能基团多，易于功能化。PEG是一个通用的水溶性配体。将环糊精和PEG聚合到一起，再连接上Camptothecin，成功的合成出了一个特异性的癌症药物。在血管内，由于有环糊精和PEG的保护，同时尺寸适当，所以能够长时间的安全循环。进入肿瘤后，被癌细胞吞噬，环境变化，聚合物纳米颗粒解聚，药物释放。解聚后，粒子尺寸变小，即可通过肾脏排出。
5. 临床应用
正因为是从应用出发，Davis教授在设计出材料后坚定不移的去做大量应用性研究。近几年，他发的文章很多都是临床方面的研究。这也是和从材料出发找应用的研究方式最大的不同，此类绝大多数癌症相关的研究都止步于小白鼠。前文已经提到，Davis教授开发的第一代抗癌药物去年的时候就已经进入临床二期。他们以iRNA技术为导向的新型纳米抗癌药物也正在临床试验。
小编YY：
科研也是说起来容易，做起来难。从提出问题、到解决问题，看似轻松，其实困难重重。去Davis主页看看他从1996年至今发的文章，以及发表杂志类型的变化，你就会发现涉猎之广和研究之深。首先有机合成必须擅长，同时高分子材料和纳米材料相关性质要精通，还要有一定深度的生物和医学背景。只有到了一定的境界才能这么跨度的玩，还能玩的这么牛。我等小屌丝还是安安分分的打好基础，拓宽视野。说不定哪天也能玩上一把。
研之成理征稿要求：
1. 对某一篇或者几篇文献的解读，主要突出自己的理解，可以参考简单背后的不简单——浅谈郑南峰老师等人的Science, 一篇关于纳米晶生长的力作;
2. 对某位大牛课题组的研究内容进行分类整理总结，可以参考催化大师-K. P. de jong；
3. 对某个研究领域进行评述，或者对该领域内有哪些著名课题组进行总结整理，可以参考“以一当十”之神奇的单原子催化, 群雄逐鹿之电催化析氧（一）；
4. 对某个仪器表征手段进行分享总结，突出自己对于该仪器的理解，从原理到应用跟大家分享整个表征手段，让大家真正了解这个表征手段，可以参考XRD系列和TEM系列：XRD从原始数据到图,TEM中如何正确制样和选择载网等；
5. 对某类基础知识进行分享，比如多相催化的基本过程，要结合实际科研突出自身理解；
6. 针对某款软件进行系统分享，从入门到精通，紧密结合科研实际需求，可以参考Origin系列: 作图技巧无限，数据分析有道——数据拟合等；
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