揭示生命奥秘促进疫苗研发：生物物理学有望掀起下一轮医学革命

根据《自然》杂志网站发表的文章，生物物理学是指在分子、细胞、组织和有机体的尺度上研究生物物理现象和过程。它利用物理学的原理和方法来理解生物系统。

西班牙《世界报》网站在最近的一篇报道中指出，生物物理可以使断骨再生，或者将药物输送到人体内的一个器官，甚至可以揭示生命的奥秘。已经成为目前最有前景的研究领域之一，有可能掀起下一轮医学革命。

这两门学科相辅相成。

生物物理学组织网报道，1953年，科学家在生物物理学的帮助下揭示了DNA的结构，这一发现对揭示DNA如何成为生命的“蓝图”至关重要。现在人们可以读取人类和各种生物的DNA序列，生物物理技术对这些海量数据的分析不可或缺。

生物物理学的领导者之一、美国哈佛大学物理学和应用物理学教授大卫·韦茨(David Weitz)表示，生物物理学也可以理解为一门从自然中汲取灵感来创造新材料的学科，但人们也可以反过来看:对无生命材料的研究正在帮助科学家更好地理解生命。

韦茨说:“随着对生物材料理解的加深，我们可以利用学到的知识来了解活体材料。生物学和物理学相辅相成，因为它们提供了两种完全不同的看待事物的方式:生物学家研究‘单个分子的每一个细节’，而物理学家在分析‘蛋白质的许多相互作用’后，形成了对问题更全面的看法。”

制造新药

近年来，生物物理学最重要的应用之一是将RNA纳米颗粒封装在疫苗中，而这一成果正是得益于科学家们从生物膜中获得的灵感和物理原理的应用。

韦茨说:“这些含有RNA疫苗的微胶囊是多年研究的成果。我们在努力挖掘他们的潜力，做出更多的东西，比如新药。重要的是这项技术给科学带来了无穷的可能性。无论是物理、化学还是生物，我们都可以为改善世界做出很大贡献。”

促进组织工程

生物物理学很有前景的应用领域之一是组织工程，即制造类似活组织的人工材料。这将在医学上有广阔的应用空间，比如让人们拥有为自己“量身定制”的材料来修复或替换受损的器官。

这里不缺发挥重要作用的物理知识。韦茨说，“如果你想得到一个组织，你必须构建一些东西:细胞，细胞周围的东西，你必须让它们以某种方式生长，你必须组织它们。”2016年，韦茨的团队培育了一种人工肝组织，以测试新药的疗效。

也有一些团队在研究人工心脏。为了从零开始构建人类心脏，研究人员需要复制组成心脏的独特结构，包括重建螺旋几何形状——当心脏跳动时，心肌会产生螺旋几何形状的扭曲运动。

今年7月，哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院的生物工程师利用添加纺织品(FRJS)的新制造方法，开发出首个跳动的心脏细胞呈螺旋状排列的人类心室生物混合模型，并证明其肌肉排列确实可以显著增加心室在每次收缩时泵出的血容量。这项工作是器官生物制造向前迈出的重要一步，它使人们更加接近制造用于移植的人类心脏的最终目标。相关研究成果发表在7月7日的《科学》杂志上。

但韦茨警告说，这个领域并不简单。他说:“在组织工程领域有许多问题，其中一些我们正在克服。比如，要‘打印’一个组织，需要付出很大的努力。如果你骨折了，你可以‘打印’一些东西来帮助骨头愈合。”

他认为，虽然实现这样的目标非常困难，但“它正在到来”。

设计更好生物材料

生物物理学对理解生物力学也很重要，掌握生物力学原理有助于设计更好的假体和更好的纳米材料用于药物输送。

韦茨预测的另一个重大突破是关于新一代药物在人体内的运输，有望深刻改变许多治疗方法。“过去，药物通常是非常小的分子。它们是如此之小，以至于在你吞下它们后，它们可以通过胃进入血液系统，”他说。但是现在，人们开始研究更大的分子，那么如何运输它们就成了必须关注的问题。"

用于治疗新冠肺炎的单克隆抗体或细胞疗法是一些已经应用的例子，但韦茨认为还有许多可能性正在出现。他说:“我从寻找新药和新的运输方式中看到了巨大的机会。随着癌症治疗变得越来越复杂，我们需要更精细的药物输送系统，可以同时提供多种不同化学成分的药物。”

2019年5月，SEAS研究人员在《美国国家科学院院刊》上写道，他们开发了一种纳米大小的药物输送载体，可以同时更有效地提供多种药物。该系统将低剂量药物送入小鼠乳腺肿瘤模型后，可抑制87%-94%的肿瘤细胞。

改善医学成像

生物物理学家开发了复杂的诊断成像技术，包括磁共振成像、CT扫描和PET扫描。生物物理学仍然是开发更安全、更快速和更准确的技术的关键，这些技术可以改善医学成像，并给人们带来更多关于人体内部工作的知识。

2017年10月4日，瑞士生物物理学家雅克·迪波什、德国生物物理学家约阿奇姆·弗兰克和苏格兰分子生物学家、生物物理学家理查德·亨德森因研发低温显微镜，简化生物细胞成像过程，提高成像质量而获得诺贝尔化学奖。

正如科学家所指出的，生物物理学是一个处于研究前沿的科学领域，它正在以惊人的方式改变人们对生物学和医学实践的理解。