從癌症到農作物：為世界大問題設計解決方案

【博科園-科學科普】從藥物供應和能源到農業和水處理，世界上最大的一些複雜的問題可以用最簡單、最簡單的結構來解決——使用的是氣溶膠科學和技術的原理。

由於這些問題很多而規模宏大，起源於細胞或分子水平，所以在工程解決方案時需要先考慮小問題。納米粒子在規模上是微小的，在科學界已經變得越來越重要，因為它們有可能在各個領域解決各種各樣的問題。

納米粒子是一種粘合劑，它可以在各種分子結構和材料之間建立一個橋樑。由於這是一種更大的材料，如腫瘤的橋樑有巨大的潛力可以利用它們作為對抗破壞性疾病的強有力的藥物。一種特殊的治療腦病和疾病的應用顯示出了希望。

圖片：Shutterstock

血腦屏障功能保護人體最重要的器官，也防止治療方法有效地解決大腦疾病和疾病。例如大腦疾病仍然是慢性健康挑戰和死亡的主要原因。大約每分鐘一到兩名美國人就被診斷出患有阿爾茨海默氏症，這是美國第六大導致死亡的疾病，而在前10名中只有一名沒有治癒或治療。抑鬱症是世界上最常見的精神疾病和第三大疾病負擔，是自殺的主要原因。此外根據世界衛生組織(World Health Organization)的數據或許大腦可以作為更好治療抑鬱症的橋樑，而抑鬱症是自殺的主要原因，2015年自殺的人數為80萬人。

儘管科學家醫療從業者、製藥公司和家庭都在為推進治療特定的腦部疾病和疾病的大規模研究提供時間和資金，但仍然存在一個主要障礙。以安全有效的方式將拯救生命的藥物直接送到大腦，對醫療服務提供者來說是一個幾乎不可逾越的挑戰。血腦屏障抑制了藥物的傳遞。現有的治療方法，如注射或服藥並不像醫生和病人需要的那樣精確或直接，直接送到大腦需要有侵略性的和高風險的技術。

需要和有機會改善藥物的供應是立竿見影且意義深遠的。除了挽救生命大腦疾病還會影響生活質量。大腦紊亂造成的生產力下降，相當於每年全球每年損失超過100億美元的工作——大約1萬億美元的損失經濟產出——這還不包括治療的成本。

那麼我們如何解決這個問題呢？正如我們在最近的研究中發現的那樣，一個令人驚訝的新途徑可能是通過鼻子，用簡單的嗅嗅來傳遞藥物。在納米顆粒的形式下，這種方法可以使藥物在30分鐘到1個小時內到達大腦。通過通過納米顆粒運送藥物來跨越血腦屏障，醫生可以確保患者治療和康復的風險降低，反應時間更短。我們首先在蝗蟲中測試了這種方法，因為它有一個簡單的，但相似的解剖血腦屏障和它的嗅覺通路是一個流行的神經編碼和行為模型。早期的研究已經顯示了有希望的結果，有效的分娩和最小的組織損傷。

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納米粒子正在改變生物醫學研究，但其影響並不局限於此領域。除了在藥物傳遞方面的作用外，納米顆粒有可能擾亂農業實踐，以便更有效和更安全生產食物來源。糧食生產及其營養質量是全球人口面臨的一個挑戰，預計到2050年將達到90億，對糧食生產的高需求將限制自然資源。

納米粒子正在改變生物醫學研究，但其影響並不局限於此領域。除了在藥物傳遞方面的作用外，納米顆粒有可能擾亂農業實踐，以便更有效和更安全生產食物來源。糧食生產及其營養質量是全球人口面臨的一個挑戰，預計到2050年將達到90億，對糧食生產的高需求將限制自然資源。

農民在田地里施肥以補充營養。這當然不是理想和可持續的農場方式，但它被認為是最有效的大型農場。因此農民們最終購買了更多的氮、磷和鉀營養物，也就是眾所周知的氮磷鉀肥料。由於現有肥料的使用效率低下，農民無法最大限度地提高作物產量，儘管化肥消費量有所增加。目前化肥的主要挑戰是低吸收效率和流失到環境中，要求農民每英畝施肥(27 - 40公斤)，每英畝增加40%的成本。此外土壤中施用過量的肥料也會影響土壤中有益微生物的數量，從而降低了養分的吸收。肥料徑流造成環境污染。未使用的肥料(> 50%)導致富營養化，需要額外的100億美元的資源來清潔自然系統中的水。

為了避免糧食危機和肥料的低效使用，我們已經從植物根部周圍的真菌中培育出氧化鋅納米顆粒，幫助植物吸收土壤中的養分。當應用於綠豆植物的葉子時，豆科植物主要生長在中國、東南亞和印度，那裡60%的人口是素食者，而且依賴植物的蛋白質來源，納米顆粒使磷的吸收增加了將近11%。這個應用程序減少了土壤施肥所需的磷，並激活其他酶來支持植物生長。此外我們還開發了由NPK納米複合材料組成的智能肥料，並優化了控制釋放的傳遞方式，並提高了植物的利用率。這種智能肥料顯示出了提高穀物、豆類、蔬菜和其他園藝作物的產量、生物量和營養價值的巨大潛力。

無論是針對腦瘤還是為預期的全球人口增長做準備，因此對食品生產的需求增加，氣溶膠科學家和工程師正致力於用最小的解決方案實現下一個重大突破。

作者：The Lab Bench

來自：Forbes science

編譯：光量子

審校：博科園

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