應(yīng)激納米材料在生物醫(yī)藥前沿領(lǐng)域的應(yīng)用

蔣華麟，陳萍華

（南昌航空大學(xué)環(huán)化學(xué)院，江西南昌330063）

應(yīng)激納米材料在生物醫(yī)藥前沿領(lǐng)域的應(yīng)用

蔣華麟，陳萍華

（南昌航空大學(xué)環(huán)化學(xué)院，江西南昌330063）

應(yīng)激納米材料的大小適合與充滿納米級別生物分子的生物體系相互作用，能夠從亞細(xì)胞水平上影響生物體系，納米材料的應(yīng)用正在帶動生物醫(yī)藥領(lǐng)域發(fā)生前所未有的技術(shù)革命。本文綜述了應(yīng)激納米材料在生物醫(yī)藥科學(xué)前沿領(lǐng)域的最新應(yīng)用，著重討論了納米材料的設(shè)計(jì)，激活機(jī)制，納米范圍的作用效應(yīng)，這些對實(shí)現(xiàn)人工控制生物系統(tǒng)的行為或收集生物系統(tǒng)的信息具有非常重要的意義。

應(yīng)激；納米材料；生物醫(yī)藥

應(yīng)激納米材料是指受到刺激（磁場、熱、光和聲波等）能發(fā)生化學(xué)或物理變化的納米材料。這一材料在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用在近幾年引起了極大的關(guān)注。生物分子例如DNA、RNA和酶很容易與納米級別大小的藥物或其他納米級別的分子發(fā)生相互作用，這一特性促使了納米材料在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用大發(fā)展。

1 激活納米材料的刺激

多種外部物理刺激（磁場、熱、光、聲）和與納米材料接觸的化學(xué)刺激（水分子、pH值、氫鍵、活性氧自由基、酶）都能夠?qū){米材料產(chǎn)生作用。納米材料會對刺激做出各種反應(yīng)，包括產(chǎn)生熱、光、體積變化、運(yùn)動、化學(xué)反應(yīng)等，這些行為會影響宿主細(xì)胞及周圍的組織，或者能夠收集和報(bào)告生物體信息。

辛芳等[1]初步探討了納米Zn/Al-水滑石對Hela細(xì)胞的氧化應(yīng)激效應(yīng),結(jié)果表明：較高濃度的納米Zn/Al-水滑石對Hela細(xì)胞可產(chǎn)生一定的氧化應(yīng)激效應(yīng),較低濃度的納米Zn/Al-水滑石則具有一定的生物相容性。葉社房等[2]以人肺上皮細(xì)胞系A(chǔ)549為模型細(xì)胞，探討多壁碳納米管的細(xì)胞毒性效應(yīng)及其機(jī)制。多壁碳納米管處理A549細(xì)胞2 h后，誘發(fā)細(xì)胞線粒體膜電位下降；多壁碳納米管誘導(dǎo)細(xì)胞氧化應(yīng)激的同時(shí)伴有適應(yīng)性應(yīng)激蛋白HO-1的上調(diào)表達(dá)。結(jié)果表明，細(xì)胞氧化應(yīng)激和線粒體膜電位去極化可能是多壁碳納米管誘導(dǎo)A549細(xì)胞毒性效應(yīng)的重要機(jī)制。

2 磁場作用下的磁納米顆粒

磁性納米粒子的運(yùn)動和排列能夠被外界磁場引導(dǎo)。將磁性納米粒子裝入細(xì)胞內(nèi)或固定于細(xì)胞表面可以用來很好地操控細(xì)胞的行為，并且不會對細(xì)胞帶來傷害。Ingber等[3]以完美的設(shè)計(jì)制備了一種磁性納米粒子，可以通過調(diào)節(jié)細(xì)胞膜上受體的聚集實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。他們用橡果細(xì)胞表達(dá)血漿膜FcεRI受體，該受體能夠與IgE分子的Fc部分結(jié)合，結(jié)合作用可以通過免疫監(jiān)測得到反映。正常情況下，這些受體-抗體復(fù)合物不會聚集，但當(dāng)多價(jià)態(tài)抗體結(jié)合至IgE時(shí)，F(xiàn)cεRI受體會聚集在細(xì)胞表面形成簇，這一事件會觸發(fā)胞質(zhì)內(nèi)鈣離子濃度陡然升高，接著在局部產(chǎn)生炎癥反應(yīng)。Ingber和同事將橡果細(xì)胞用對二硝基苯基（DNP）-IgE預(yù)處理，然后加入超順磁納米粒子，每個(gè)粒子在細(xì)胞表面大約可結(jié)合30個(gè)DNP。多價(jià)態(tài)納米粒子的結(jié)合導(dǎo)致IgE-FcεRI復(fù)合物的聚集，觸發(fā)Ca的表達(dá)信號。當(dāng)每個(gè)納米粒子結(jié)合DNP的數(shù)量降到3時(shí)，不再能觀察到Ca信號，提示不再有IgE-FcεRI復(fù)合物的聚集。再用每個(gè)只結(jié)合1個(gè)DNP的超順磁納米粒子處理細(xì)胞，當(dāng)將細(xì)胞置于磁場環(huán)境時(shí)，超順磁納米粒子聚集導(dǎo)致形成IgE-FcεRI復(fù)合物簇，誘導(dǎo)產(chǎn)生Ca信號，然而無外界磁場時(shí)，不能觀察到Ca信號。如此一來，他們可以通過控制外界磁場的開/關(guān)來引導(dǎo)細(xì)胞Ca信號的開/關(guān)。這個(gè)例子清楚地表明，依靠納米粒子相互作用完成的細(xì)胞行為可以輕易地通過操縱相應(yīng)大小納米粒子的行為來控制。另外，Tseng等[4]報(bào)道了用內(nèi)載磁性熒光納米粒子的細(xì)胞與鐵磁性底物相互作用的研究。鐵磁性底物可以定位細(xì)胞內(nèi)的磁性納米粒子，定位的結(jié)果可以通過明亮的熒光斑點(diǎn)確認(rèn)。這種可視的細(xì)胞內(nèi)定位化學(xué)和磁信號的技術(shù)可以極大地輔助用磁性納米粒子實(shí)現(xiàn)對細(xì)胞內(nèi)的刺激和胞內(nèi)信號的誘導(dǎo)。Radu Popa等[5]研究了在無機(jī)氧化還原緩沖液中氧化應(yīng)激對趨磁細(xì)菌的磁性顆粒生長有變矮小的影響。

3 光敏納米材料

活性氧自由基（ROS）可用于癌癥治療，因?yàn)镽OS對多數(shù)細(xì)胞是有毒害的。目前有很多光敏的ROS前體可以利用，它們大多能被紫外（UV）或可見光激活而釋放ROS殺死細(xì)胞。但利用它們進(jìn)行癌癥治療的問題在于，如何在體內(nèi)產(chǎn)生激活光波。利用外界的UV或可見光是不可行的，因?yàn)閁V和可見光穿透組織的能力很弱。Zhang等[6]設(shè)計(jì)了一種極為聰明的在體內(nèi)產(chǎn)生可見光的方案。他們在NaYF4上覆蓋一層中孔硅，在其中載入光敏酞菁染料，并制成納米顆粒。當(dāng)用具較強(qiáng)組織穿透能力且生物損害較小的近紅外光波（NIR）照射時(shí)，NaYF4納米顆粒被激發(fā)放出可見光，刺激其中的光敏酞菁染料產(chǎn)生ROS殺死癌細(xì)胞。

Zink等[7]報(bào)道了利用光誘導(dǎo)的偶氮化合物的順-反異構(gòu)化控制藥物釋放的方法。他們在偶氮化合物修飾的中孔硅顆粒上負(fù)載染料或抗癌藥物，當(dāng)用413 nm波長的光照射時(shí)，偶氮化合物從反式變成順式，造成中孔硅中小孔的開放，從而卸載藥物。雖然他們的方法非常有意義，但是所用光波的高能量和低穿透能力是該方法用于臨床試驗(yàn)最大的瓶頸。

高能量及細(xì)胞內(nèi)的巰基-二硫鍵交換反應(yīng)能夠斷開金屬—S鍵或S—S鍵，這些鍵的不穩(wěn)定性可被方便地用來結(jié)合抗癌藥物或治療基因并在合適的時(shí)機(jī)釋放它們。Reich等[8]通過Au—S鍵將小分子干擾RNA（siRNA）結(jié)合到Au納米殼表面，再利用NIR照射切斷已處于細(xì)胞內(nèi)的Au納米材料的Au—S鍵，從Au納米殼上釋放siRNA，這樣可以實(shí)現(xiàn)用siRNA作用細(xì)胞但又不影響到正常的細(xì)胞行為。

研究細(xì)胞依環(huán)境而改變的行為可以為理解細(xì)胞的功能提供大量的信息。Anseth等[9]報(bào)道了以含有光敏劑硝基芐基酯的PEG基質(zhì)水凝膠考察細(xì)胞形態(tài)的研究。他們通過不同能量強(qiáng)度的輻射來控制水凝膠的降解程度。他們將人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（hMSC）封裝于光降解水凝膠，并用365 nm的光波照射它們，沒有觀察到細(xì)胞活性受到顯著地不良影響，4 d后，在輻射水凝膠的上部（上部～100μm處）觀察到細(xì)胞的擴(kuò)展，在那里水凝膠的交聯(lián)密度顯著低于其它地方。他們認(rèn)為這類膠可以通過考察水凝膠和聚合物密度對細(xì)胞形態(tài)及細(xì)胞分化的影響這種形式來模擬研究三維環(huán)境對細(xì)胞的發(fā)育和行為的影響。

4 pH-應(yīng)激納米材料

癌癥治療的終極目標(biāo)是選擇性地殺死癌細(xì)胞而不影響周圍的正常細(xì)胞和正常組織。為達(dá)到這一目的發(fā)展出了多種定位方法。顯然最直接的定位方法是將癌細(xì)胞的特異性作用物質(zhì)如抗體附著于抗癌藥物的運(yùn)載載體，但必須保證運(yùn)載的藥物不會在經(jīng)靜脈輸送時(shí)過早地被釋放，或在經(jīng)網(wǎng)狀細(xì)胞系統(tǒng)吸收后在錯(cuò)誤的地點(diǎn)被釋放。一個(gè)策略是利用正常細(xì)胞和癌細(xì)胞內(nèi)pH值的差異。因?yàn)榘┘?xì)胞外的pH值（為5.5至7.2）比正常細(xì)胞外的低（這主要是由于癌細(xì)胞的糖酵解反應(yīng)比正常細(xì)胞的強(qiáng)烈），能對低pH值應(yīng)激的藥物載體將可以選擇性地只在低pH值環(huán)境下釋放藥物。Chilkoti等[10]精心設(shè)計(jì)了一種獨(dú)特的具有pH值應(yīng)激行為的藥物載體。他們通過一段對pH值敏感的鏈將一段親水的肽段（CP）與一個(gè)疏水的抗癌藥物doxorubicin（DOX）連接成了一個(gè)兩性的復(fù)合物。這個(gè)兩性復(fù)合物通過自組裝在水中形成納米顆粒，疏水的DOX被包裹在內(nèi)，親水的肽段暴露在外。這個(gè)裝載了藥物的納米粒子能夠輕易地通過鏈的斷裂在pH值為5左右時(shí)釋放DOX，而在pH值為7.4時(shí)觀察不到藥物的釋放。

癌細(xì)胞內(nèi)的低pH值條件可以消化一些無機(jī)材料例如CaCO3。Ma等[11]制備了中空的CaCO3亞微粒子顆粒，并向其中裝載抗癌藥物DOX。這種中空的CaCO3顆粒本身對HepG2癌細(xì)胞無毒，但當(dāng)這種顆粒裝載藥物進(jìn)入癌細(xì)胞后，在其中的低pH條件下顆粒的無機(jī)外殼被溶解，抗癌藥物被釋放，可以起到殺死癌細(xì)胞的作用。在一項(xiàng)相關(guān)的研究中，Adair等[12]報(bào)道了有機(jī)小分子能促使磷酸鈣形成納米顆粒，這顯示可以用磷酸鈣骨架來捕獲有機(jī)小分子。在他們的報(bào)道中，使用的有機(jī)小分子是有機(jī)染料，在癌細(xì)胞內(nèi)的低pH條件下，磷酸鈣骨架被溶解從而有機(jī)染料被釋放至癌細(xì)胞內(nèi)。很顯然，基于這項(xiàng)研究，可以以抗癌藥物代替有機(jī)染料從而實(shí)現(xiàn)抗癌藥物在癌細(xì)胞內(nèi)的釋放。

5 雜合DNA誘導(dǎo)產(chǎn)生表面張力

單鏈DNA和雜合雙鏈DNA在水合作用時(shí)表現(xiàn)出的不同行為可以用來探測目的RNA。Tamayo等[13]在Si基質(zhì)的金屬表面覆蓋了一層致密的納米級單層單鏈DNA，發(fā)現(xiàn)在發(fā)生水合作用時(shí)單層單鏈DNA能誘導(dǎo)表面張力的突然躍增。這是因?yàn)?，在低濕度條件下，首批結(jié)合于單鏈DNA的水分子會吸引鄰近的單鏈DNA分子靠攏，引起金表面收縮從而增加表面張力。而在雙鏈DNA分子中，被束縛于雙鏈DNA分子之間的水分子會竭力排斥鄰近的DNA分子，導(dǎo)致金屬表面擴(kuò)張，表面張力不但不會增加，反而會顯著地下降。在相關(guān)的工作中，Yan等[14]利用DNA折疊法制備了自組裝的單鏈DNA。該DNA非常柔軟易動，無法被DNA探針檢測到。但是當(dāng)它與相應(yīng)的RNA雜合成雙鏈后，就變得剛性而不易動，從而可以利用相應(yīng)DNA探針檢測。這一技術(shù)的RNA檢出量非常低，可被用來檢測樣品中是否有目的RNA存在。

6 金屬離子誘導(dǎo)的納米材料自組裝

Liedberg等[15]報(bào)道了利用Au納米粒子的聚集狀態(tài)探測目的蛋白的方法。他們在Au納米粒子表面覆蓋上兩種多肽，一種多肽在Zn2+存在下發(fā)生折疊從而造成Au納米粒子的聚集，另一種多肽是被探測蛋白的受體。在沒有被探測蛋白時(shí)，Au納米粒子是懸浮而獨(dú)立的粒子，呈現(xiàn)紅色。當(dāng)加入Zn2+后，多肽折疊造成Au納米粒子的聚集，呈現(xiàn)藍(lán)色。當(dāng)存在需探測的目的蛋白時(shí)，Au納米解聚重新懸浮于緩沖液中，溶液重新變回紅色。

Sia等[16]報(bào)道了一種可逆控制水凝膠結(jié)構(gòu)的方法。他們混合了兩種完全不同的材料，一種是膠原質(zhì)（具有微滲孔結(jié)構(gòu)），一種是藻酸鹽（具有納米滲孔結(jié)構(gòu)），通過金屬離子誘導(dǎo)藻酸鹽的交聯(lián)可以控制水凝膠的交聯(lián)程度。他們通過加入Ca2+誘導(dǎo)水凝膠的關(guān)聯(lián)，通過加入檸檬酸鈉誘導(dǎo)水凝膠解除交聯(lián)。他們將細(xì)胞置于未交聯(lián)的膠原質(zhì)-藻酸鹽水凝膠中任其擴(kuò)散，而后誘導(dǎo)水凝膠交聯(lián)來捕獲擴(kuò)散中的細(xì)胞的形態(tài)。這種可逆地操控細(xì)胞生長介質(zhì)的能力使人們能更好地理解細(xì)胞生長的動力學(xué)過程，并可為最終實(shí)現(xiàn)對細(xì)胞行為的完美控制積累理論知識。

7 總結(jié)和展望

應(yīng)激納米材料在諸如癌癥的診斷和治療等生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用方面表現(xiàn)出良好的前景，并且加深了我們對生物系統(tǒng)的理解。以前難以想像對細(xì)胞的生長和分化等行為實(shí)現(xiàn)人工控制，而現(xiàn)在通過納米材料有望達(dá)成這一愿望，一旦夢想成真，將可能導(dǎo)致干細(xì)胞治療和組織工程學(xué)領(lǐng)域革命性的進(jìn)步。應(yīng)激納米材料的微觀體積和它們納米尺度范圍的定位效應(yīng)，再加上能被多種宏觀手段激活的特性，為實(shí)現(xiàn)人工精確控制生物系統(tǒng)描繪了迷人的前景。因此，在可以預(yù)見的將來，對應(yīng)激納米材料的持續(xù)關(guān)注可能會導(dǎo)致發(fā)展出新的基于納米材料的交互式技術(shù)應(yīng)用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域。但是，需要特別引起注意的是，納米材料的安全性，特別是應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域的納米材料的安全性，必須經(jīng)過人體試驗(yàn)的徹底檢查；納米材料的生物相容性和生物降解性，或者至少是被安全排出體外的通路必須被徹底地研究。而且，其技術(shù)的可實(shí)現(xiàn)性和可重復(fù)性將是應(yīng)激納米材料能否最終用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域的重要決定因素。

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1008-1267（2011）02-0004-04

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蔣華麟（1979-），男，講師，主要研究精細(xì)化工材料方面。