金納米花材料在腫瘤診療領(lǐng)域應(yīng)用的研究進展

金納米花材料在腫瘤診療領(lǐng)域應(yīng)用的研究進展

張瑋航,宮俊霞綜述,張艷*,宋文植*審校

(吉林大學中日聯(lián)誼醫(yī)院 口腔科,吉林 長春 130031)

惡性腫瘤嚴重危害人類健康，納米材料技術(shù)的發(fā)展為惡性腫瘤診療帶來新思路。其中，以金納米花、金納米棒、金納米球殼等為代表的納米金材料因具有獨特的理化及光學特性而受到廣泛關(guān)注，金納米花用于腫瘤診療領(lǐng)域的研究已經(jīng)展開并逐步深入，且具有潛在的應(yīng)用前景。本文主要從診斷成像、載藥、治療等角度對金納米花在腫瘤診療領(lǐng)域的研究進展作一綜述。

1金納米花粒子

金納米花是一種花型納米金粒子，在眾多形貌各異的金納米粒子結(jié)構(gòu)中，金納米花幾何形狀不規(guī)則，表面粗糙，具有高度多分散、較高的比表面積以及高反應(yīng)活性等特點[1]。金納米花粒子根據(jù)其是否有核可分為有核金納米花和空殼金納米花。金納米花的幾何形狀、尺寸大小一定程度上決定了其在腫瘤治療中對腫瘤細胞的殺傷能力，因此在合成過程中人為調(diào)節(jié)其形狀、尺寸具有重要意義[2-5]。金納米花的合成方法主要有種子生長法[5]、無核原位生長法[6]和仿生合成法[7]。種子生長法是目前最常用的合成方法，用于有核金納米花的合成；無核原位生長法是利用作為模板的表面活性劑產(chǎn)生的囊泡合成空殼金納米花?，F(xiàn)又新興了一種利用生物大分子合成金納米花的仿生合成法。金納米花具有較好的穩(wěn)定性和良好的生物相容性，這是其應(yīng)用于生物醫(yī)學的基礎(chǔ)；而它近紅外吸收以及表面增強拉曼散射(surface-enhanced Raman scattering，SERS)的特性則使其成為一種可用于腫瘤診斷治療的理想材料。

2金納米花材料在腫瘤診斷治療領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1成像

基于納米粒子復雜的結(jié)構(gòu)特點，其區(qū)域等離子體共振(LSPR)吸收峰可紅移到近紅外區(qū)(near-infrared region，NIR，即波長介于700 nm~1200 nm)。NIR激光可穿透較深層組織而不產(chǎn)生損傷，應(yīng)用于光學成像中時，可避免細胞自身熒光的干擾而具有較高的信噪比。利用各種顯微成像技術(shù)，如電子顯微鏡、拉曼分光鏡、光學相干斷層成像儀(OCT)等，可將具有近紅外吸收特性的金納米花用于深層細胞成像和分子成像中。與多數(shù)生物染料相比，納米金粒子光學性質(zhì)穩(wěn)定，生物相容性好，作為一種新型的標記材料和造影劑，克服了其他熒光染料化學性質(zhì)不穩(wěn)定、細胞毒性較高以及光漂白等缺點[2]。

Lou等[4]利用Tris緩沖溶液和氯金酸合成了紫外可見吸收峰可調(diào)的多枝狀金納米花，標記巰基苯甲酸(MBA)并包備多聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)后，將該復合物注入母牛腎細胞進行體外實驗，顯微鏡檢發(fā)現(xiàn)母牛腎細胞成功攝取了該金納米花復合物，說明該納米金粒子復合物可作為一種新穎的造影劑，在腫瘤成像與診斷方面具有良好發(fā)展前景。

2.2診斷

由于金納米花具有粗糙的表面，尖端曲率半徑很小，不僅可增強其在近紅外區(qū)的等離子體共振，而且可使電磁場增強效應(yīng)集中與其尖端，使得同一納米顆粒表面具有很多個“熱點”，因此金納米花被有效地應(yīng)用于表面增強拉曼散射。利用金納米花的SERS特性可大大提高腫瘤細胞檢測的敏感性，有望應(yīng)用于惡性腫瘤早期診斷[9]。在近紅外(near infrared,NIR)激光照射下，與腫瘤細胞相互作用的特異性抗體—金納米花復合物的SERS信號強度遠遠高于與對照組正常組織細胞混合的特異性抗體—金納米花復合物。這是由于經(jīng)抗體修飾的金納米花復合物大量靶向聚集于特異性腫瘤細胞，可導致局部電磁場急劇增強，收集到的SERS信號大大增強[10]，而對照組細胞不與該復合物特異性結(jié)合，收集到的SERS信號較低，即納米金花復合物對腫瘤細胞的靶向聚集有助于促進“熱點”的形成,使腫瘤部位SERS信號大大增強。

判斷腫瘤細胞存在與否，也可通過金納米花復合物與腫瘤細胞相互作用后納米粒子吸光譜條帶的變化來判斷。Beqa等[11]對爆米花型金納米花進行修飾，使其與單壁碳納米管以及乳腺癌SK-BR-3細胞特異性配適子(S6配適子)結(jié)合。由于S6配適子可特異性識別并結(jié)合SK-BR-3細胞表面抗原，該復合物與SK-BR-3細胞結(jié)合后吸收光譜在160 nm處出現(xiàn)一個新的寬波段。通過觀察金納米花復合物與腫瘤細胞特異性結(jié)合后金納米花吸收光譜條帶的變化即可判斷腫瘤細胞存在與否。

2.3載藥

通過高分子化合物修飾的納米顆粒與藥物結(jié)合后可提高藥物在腫瘤細胞中的積累，控制藥物的釋放，增強藥效，并且在一定程度上能夠克服腫瘤細胞的耐藥性[12-13]。金納米花因其高表比面積、良好的表面可修飾性和生物相容性成為有前景的藥物載體材料。

Kumari等[8]利用硼氫化鈉還原氯金酸的方法合成了金納米花，將殼聚糖羥基乙酸懸浮液與金納米花混合，合成了穩(wěn)定性較好的羥基乙酸枝接殼聚糖—金納米花支架復合物，將該復合物作為載體運載抗腫瘤藥物環(huán)磷酰胺，并在模擬體液環(huán)境下利用紫外-可見光譜吸光度檢測其不同時間段的藥物釋放能力。實驗發(fā)現(xiàn)該復合物可實現(xiàn)藥物的控制釋放，是藥物傳輸?shù)睦硐胼d體。

2．4近紅外光熱治療

金納米材料用于腫瘤的光熱治療一直備受關(guān)注。其基本原理是利用金納米顆粒在近紅外激光(激光照射波長必須與納米粒子的區(qū)域等離子共振吸收峰匹配才可獲得最佳治療效果[14])照射下，其表面發(fā)生等離子體共振，將吸收的光能轉(zhuǎn)化成熱能而產(chǎn)生對腫瘤細胞的熱殺傷效應(yīng)。納米金粒子的濃度是光熱轉(zhuǎn)換溫度升高的決定性因素，但濃度較低時也可通過增大激光照射功率來提高光熱轉(zhuǎn)換效率[15,16]。為提高納米金粒子對腫瘤細胞的靶向性，粒子表面多用特異性腫瘤細胞抗體或配適子等修飾[17]。

近紅外激光照射下金納米花復合物以及腫瘤細胞可發(fā)生一系列微觀變化：(1)金納米花顆粒通過聲子-聲子張弛將熱能傳遞給周圍腫瘤環(huán)境，造成大量聚集的腫瘤細胞的破壞。腫瘤細胞的不可逆性破壞主要表現(xiàn)在細胞膜的破壞、蛋白質(zhì)的變性和凝固以及細胞空泡性變。細胞空泡性變可阻止機械性刺激，但最終導致細胞死亡。(2)溫度升高也會導致金納米花自身結(jié)構(gòu)和形態(tài)的改變，如金花結(jié)構(gòu)裂解、尖端消失等。與從納米粒子表面開始形變的熱融化不同的是，光熱轉(zhuǎn)換過程熱能導致納米金粒子的形變最先發(fā)生在其顆粒內(nèi)部[18]。由于電磁場增強效應(yīng)集中與其尖端，金納米花才會具有SERS增強的效應(yīng)，而金納米花尖端的消失也將導致SERS信號強度的降低。(3)金納米花粒子與特異性抗體/配適子之間的化學鍵(金--硫鍵)斷裂，特異性抗體/配適子釋放。

目前納米金粒子介導的腫瘤近紅外熱療已成為研究熱點，進一步探討其生物學機制是重要的課題[19]。

2．5實時監(jiān)控

利用金納米花的表面增強拉曼散射特性，可對納米光熱治療及腫瘤化學藥物治療過程進行實時監(jiān)控。

Beqa等[11]將金納米花光熱靶向治療腫瘤的裝置與SERS信號接收裝置連接到一起，通過觀察SERS信號強度的變化現(xiàn)場實時監(jiān)控前列腺癌細胞的近紅外熱療效果。前列腺癌細胞(LNCaP)表面高表達PSMA，將金納米花與配適子、PSMA抗體共價結(jié)合形成的復合物與LNCaP細胞混合后在785nm激光照射30min內(nèi)，每隔2min收集一次混合物的SERS信號，并同時檢測腫瘤細胞生存率，得出SERS信號強度與細胞生存率之間呈現(xiàn)明顯線性正相關(guān)的結(jié)論，證明可利用SERS信號變化實時監(jiān)測腫瘤的治療效果。尤其令人感興趣的是該方法靈敏度極高，50個腫瘤細胞即可出現(xiàn)陽性檢測結(jié)果。

El-Said等[20]利用腫瘤細胞的SERS原理對腫瘤化療過程進行實時監(jiān)控。腫瘤細胞的SERS光譜圖上的一系列波段對應(yīng)的是細胞中的所有生物高聚物(如：DNA、RNA以及蛋白質(zhì)等)的存在。在近紅外激光照射下對腫瘤細胞進行藥物治療時，加入藥物后通過觀察腫瘤細胞拉曼位移波峰的降低，可以推斷出腫瘤細胞內(nèi)部某種生物高聚物的破壞，該技術(shù)能夠區(qū)分和監(jiān)測不同藥物的作用機理，感知腫瘤細胞內(nèi)部生物大分子的改變，因此遠優(yōu)于其它生物傳感技術(shù)。

3結(jié)語

綜上所述，金納米花作為一種新型納米材料，已引起生物醫(yī)學界極大關(guān)注，在腫瘤診療領(lǐng)域正向著集腫瘤細胞成像、診斷、載藥、近紅外光熱治療于一體的金納米花復合載體材料方面發(fā)展，并在腫瘤治療實時監(jiān)控方面展現(xiàn)出有價值的應(yīng)用前景。

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(收稿日期：2015-02-24)

作者簡介：張瑋航(1991-)，女，研究生在讀；宋文植(1970-)，女，教授，碩士研究生導師，研究方向：口腔納米材料技術(shù)，口腔種植。

文章編號：1007-4287(2015)12-2153-03

*通訊作者

基金項目：國家自然科學基金(81372900)，吉林省科技廳資助項目(20110708)，吉林大學創(chuàng)新基金資助項目(450060521019)