介孔二氧化硅納米粒的形貌對其與細胞相互作用及在生物體內(nèi)行為的影響

李 燕，耿 雪，閻雪瑩（黑龍江中醫(yī)藥大學藥學院，哈爾濱 150040）

介孔二氧化硅納米粒的形貌對其與細胞相互作用及在生物體內(nèi)行為的影響

李 燕＊，耿 雪，閻雪瑩#（黑龍江中醫(yī)藥大學藥學院，哈爾濱 150040）

目的：探討介孔二氧化硅納米粒（MSNs）的形貌對細胞及其體內(nèi)行為的影響。方法：以“介孔二氧化硅納米粒”“形貌”“體內(nèi)行為”“Mesoporous silica nanoparticles”“Shape”“in vivo behavior”等為關鍵詞，檢索2010年1月－2016年4月在中國知網(wǎng)、維普、萬方、PubMed、Web of Science、Elsevier、Springer Link等數(shù)據(jù)庫中的相關文獻及其參考文獻，就MSNs不同形貌對其與細胞相互作用及在生物體內(nèi)行為的影響進行綜述。結(jié)果與結(jié)論：共檢索到相關文獻68篇，其中有效文獻32篇。MSNs具有球狀、棒狀和一些特殊形貌（如內(nèi)部完全中空或內(nèi)部有部分空穴等）。MSNs與細胞之間的相互作用依賴于形貌，即隨著縱橫比的降低，MSNs在肝臟中的分布顯著降低，在小腸和其他器官的吸收程度逐漸增加；棒狀磁-MSNs的細胞內(nèi)吞比傳統(tǒng)球狀磁-MSNs具有優(yōu)勢；隨著縱橫比的升高，MSNs被細胞攝取的數(shù)量越多；空心結(jié)構(gòu)的MSNs內(nèi)部空腔可以在裝載更多藥物的同時發(fā)揮緩釋作用。未來研究應將粒徑、縱橫比、中空情況等形貌特征與化學組成、表面電荷等結(jié)構(gòu)參數(shù)相結(jié)合，以設計出高載藥量、高抑瘤率、高細胞攝取率、低毒性的MSNs。關鍵詞 介孔二氧化硅；納米粒；形貌；體內(nèi)行為

介孔二氧化硅具有無毒、比表面積和總孔容大、孔徑可調(diào)、表面易被修飾且載藥量高等諸多特點［1-5］。在過去的10年中，以二氧化硅為基礎的介孔材料成為研究熱點，如可通過對作為藥物載體的介孔二氧化硅進行表面功能化修飾以實現(xiàn)不同藥物的裝載和緩釋［6-7］。介孔二氧化硅納米粒（MSNs）的制備方法多種多樣，如堿性介質(zhì)合成法［8］、酸性介質(zhì)合成法［9］和中性介質(zhì)合成法［10］等，其中氫氧化鈉（NaOH）堿性介質(zhì)合成法較為經(jīng)典［11］。MSNs的載藥方法多種多樣，常用的是吸附平衡法［12］。研究表明，顆粒與細胞之間的相互作用受顆粒的粒徑、形貌、化學組成和表面電荷的影響［13-15］。有關粒徑、化學組成和表面電荷的影響已得到充分的研究證實，但形貌對其影響的報道尚不多見。因此，筆者以“介孔二氧化硅納米?！薄靶蚊病薄绑w內(nèi)行為”“Mesoporous silica nanoparticles”“Shape”“in vivo behavior”等為關鍵詞，檢索了2010年1月－2016年4月中國知網(wǎng)、維普、萬方、PubMed、Web of Science、Elsevier、Springer Link等數(shù)據(jù)庫中的相關文獻及其參考文獻，就MSNs的形貌對其與細胞相互作用及在生物體內(nèi)行為的影響進行綜述。共查閱到相關文獻68篇，其中有效文獻32篇，現(xiàn)報道如下。

1 一般形貌對MSNs在生物體內(nèi)行為的影響

1.1 長棒狀與短棒狀的比較

Huang X等［16］通過改變反應試劑的濃度設計出一系列具有相同粒徑、化學組成和表面電荷，但具有不同形貌的MSNs。該試驗主要研究2種具有規(guī)則的六邊形孔排列的納米粒，即短棒MSNs-異硫氰酸熒光素［NSRs-FITC，縱橫比（AR）約為1.5，長度為（185±22）nm］和長棒MSNs-異硫氰酸熒光素［NLRs-FITC，AR約為5，長度為（720±65）nm］。為了量化顆粒在小鼠體內(nèi)的分布，Huang X等［16］通過靜脈注射不同形貌的MSNs，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES）測定小鼠血液和器官中的硅含量，結(jié)果表明NSRs主要分布在肝臟中，而NLRs主要分布在脾臟中。注射2、24 h和7 d后各器官中的硅含量隨時間的推移均明顯下降，表明MSNs可在肝臟、脾臟、肺臟和腎臟中發(fā)生生物降解或清除作用，且NLRs的清除速率高于NSRs。在給藥的不同時間點檢測血液中的硅含量以測定NLRs和NSRs的濃度，結(jié)果NLRs的血液循環(huán)時間長于NSRs，表明隨著AR的增加，MSNs在血液中循環(huán)的時間也越長。從代謝籠中收集尿液和糞便樣品，發(fā)現(xiàn)MSNs可通過尿液和糞便排出體外，且NSRs在這2種路線中的清除速率均快于NLRs，表明隨著AR的增加，MSNs在這2種途徑中的清除速率越低。綜上所述，隨著AR的降低，MSNs在肝臟中的分布顯著降低，即不同形貌的MSNs的器官分布不同。這一發(fā)現(xiàn)不僅闡明了MSNs的體內(nèi)行為，也提示不同形貌的MSNs對不同器官具有靶向性，可將其用于靶向治療。

1.2 長棒狀、短棒狀與球狀的比較

Li L等［17］研究了不同形貌對MSNs在小鼠體內(nèi)的分布、排泄和毒性的影響，分別采用球型顆粒（NSs，AR約為1）、NSRs （AR約為1.75）和NLRs（AR約為5），檢測方法同Huang X等［16］的研究?？诜o藥后發(fā)現(xiàn)3種形貌的MSNs在肝臟、肺、脾、腎、腸道中的分布情況均不相同，隨后通過檢測尿液和糞便中的硅含量，發(fā)現(xiàn)3種形貌的MSNs主要從尿液和糞便排出體外，且排出速率的變化表現(xiàn)出不同的趨勢，即隨著AR的降低，尿液的排出速率降低。在進一步研究MSNs的超微結(jié)構(gòu)定位后發(fā)現(xiàn)，NSs存在于十二指腸、回腸和空腸的固有層中，而在這些部位并未發(fā)現(xiàn)非球型顆粒NSRs和NLRs。研究MSNs的生物降解時發(fā)現(xiàn)，降解速率由快到慢依次為NSs＞NSRs＞NLRs。同時，不同的形貌也可以導致不同程度的腎損傷，其中NSs導致的腎損傷最嚴重，包括出血和腎小管壞死；而NLRs導致的損傷最輕，只有輕微的出血現(xiàn)象。結(jié)果表明，隨著AR的降低，小腸和其他器官對MSNs的吸收程度逐漸增加。因此，MSNs的形貌改變時，清除速率和毒性也發(fā)生了不可忽略的變化，由此可見，MSNs的形貌對其在生物體內(nèi)的行為具有重要的作用。

2 形貌對MSNs與細胞之間的相互作用的影響

2.1 形貌對磁-MSNs細胞內(nèi)吞的影響

肖軒昂［18］利用非控核生長法成功合成出3種不同形貌的磁-MSNs，分別為核殼磁-MSNs（M-MANP0）、短棒磁-MSNs （M-MANP1）和長棒磁-MSNs（M-MANP2），并利用熒光共定位分析、流式細胞術和普魯士藍染色法比較了被熒光標記的3種不同形貌的磁-MSNs在正常細胞和腫瘤細胞中的內(nèi)吞作用。結(jié)果顯示M-MANP2和M-MANP1的細胞內(nèi)吞優(yōu)于MMANP0，且M-MANP2的細胞內(nèi)吞優(yōu)于M-MANP1，表明棒狀磁-MSNs的細胞內(nèi)吞比傳統(tǒng)核殼球狀磁-MSNs具有優(yōu)勢。

2.2 MSNs的形貌對人黑色素瘤A375細胞功能的影響

Huang X等［19］研究了不同形貌的MSNs對人黑色素瘤A375細胞功能的影響，3種MSNs分別為NSs（AR約為1）、NSRs（AR約為2）和NLRs（AR約為4）；并采用FITC和異硫氰酸羅丹明B（RITC）對MSNs進行功能化（功能化的MSNs可用于成像和MSNs細胞攝取的定量研究）；隨后比較不同形貌的MSNs被轉(zhuǎn)運至A375細胞內(nèi)的能力，并研究不同形貌的MSNs對細胞骨架形成、黏附、遷移、凋亡和增殖的影響。結(jié)果表明，NLRs與NSRs、NSs相比更容易被轉(zhuǎn)運至細胞內(nèi)，且經(jīng)轉(zhuǎn)運的NLRs的數(shù)量是NSRs的2倍，細胞攝取速率快于NSs。研究不同形貌的MSNs對細胞骨架的影響時發(fā)現(xiàn)，NSs和NSRs不會對細胞骨架產(chǎn)生標志性改變，而NLRs會導致細胞骨架的破壞和紊亂?？疾觳煌蚊驳腗SNs對細胞黏附的影響時發(fā)現(xiàn)，細胞附著在細胞板上的數(shù)量隨著顆粒AR的降低而逐漸增加。研究不同形貌的MSNs對細胞遷移的影響時發(fā)現(xiàn)，NSs在加快細胞遷移速度方面強于NSRs和NLRs。觀察不同形貌的MSNs對細胞活力的改變時發(fā)現(xiàn)，NSs的細胞毒性低于NSRs狀，而NSRs稍低于NLRs。綜上所述，NLRs更容易被細胞攝取，即當其他條件相同時，AR越大，MSNs被細胞攝取的數(shù)量越多，這對提高顆粒的細胞攝取具有重要意義；同時，AR大的MSNs對細胞骨架與遷移也可產(chǎn)生顯著的影響。因此，納米粒不應僅僅視為簡單的生物醫(yī)藥載體，而可為設計出有效的藥物傳遞納米載體、治療體系和深入了解納米毒理學提供理論依據(jù)。

3 特殊形貌的介孔二氧化硅藥物傳遞系統(tǒng)

空心結(jié)構(gòu)的MSNs近期成為了研究熱門，如內(nèi)部完全中空型（Hollow）、內(nèi)部有部分空穴的搖鈴型（Rattle type）或蛋黃-蛋殼型（Yolk-shell type）的MSNs等［20-23］。自2010年以來，盡管MSNs在藥物傳遞方面的應用已被深入研究，但如何提高其載藥量和體內(nèi)靶向效率，同時減少對正常組織的副作用仍是一個巨大的挑戰(zhàn)［24］。與傳統(tǒng)的MSNs相比，空心結(jié)構(gòu)的MSNs內(nèi)部具有空穴結(jié)構(gòu)，還有密度低、比表面積大的優(yōu)點，內(nèi)部空腔可以在裝載更多藥物的同時發(fā)揮緩釋的作用［25-26］。

3.1 多層結(jié)構(gòu)MSNs

Huang CC等［27］利用聚（苯乙烯-苯乙烯磺酸鈉）納米核（PS），通過“內(nèi)保護外鈍化”的策略制備了多層結(jié)構(gòu)MSNs，且可通過改變核大小及刻蝕時間等來調(diào)控殼與殼之間的距離［27］。該多層結(jié)構(gòu)可用作成像探針、載藥及多種藥物的共同傳遞，豐富了多功能納米載藥體系。

3.2 蛋黃-蛋殼型MSNs

Dong C等［28］通過結(jié)構(gòu)選擇性刻蝕技術制備了以四氧化三鐵或金納米粒子為核、介孔二氧化硅為外殼的蛋黃-蛋殼型MSNs。該復合納米材料的透射電子顯微鏡（TEM）圖見圖1［29］。該復合納米材料不僅可以用于診斷和治療多種疾病，還可以實現(xiàn)藥物的靶向和控制釋放。

3.3 搖鈴型MSNs

Li L等人［30］制備了搖鈴型MSNs（SN），并將其作為疏水性抗腫瘤藥物多烯紫杉醇（Docetaxel）的載體。該SN的藥物傳遞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。該系統(tǒng)可用于動物體內(nèi)肝癌治療的評估，研究表明，使用該載體的腫瘤抑制率（72%）顯著高于單獨應用多烯紫杉醇注射劑（57%）。

3.4 介孔二氧化硅納米管

Yang YJ等［31］選用針狀碳酸鈣納米粒為無機模板，借助溶膠-凝膠法制備介孔二氧化硅納米管（MSNTs）、氨基化介孔二氧化硅納米管（NH2-MSNTs）及量子點修飾的氨基化介孔二氧化硅納米管（CdS-NH2-MSNTs），通過對布洛芬的裝載與釋放發(fā)現(xiàn)，3種納米管的載藥量相當，而CdS-NH2-MSNTs是具有pH和離子響應的藥物載體，更加有利于藥物傳遞的控制和疾病的治療。3種納米管的電子顯微鏡圖見圖3［31］。

圖1 TEM圖

圖2 SN的藥物傳遞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 電子顯微鏡圖

3.5 特殊形貌的MSNs的體內(nèi)行為

目前，關于特殊形貌的MSNs的體內(nèi)行為的研究較少。Huang CC等［27］證明了多層結(jié)構(gòu)的介孔二氧化硅對細胞沒有明顯的毒性。Liu T等［32］連續(xù)14 d給小鼠靜脈注射中空介孔二氧化硅納米粒（MHSN）后發(fā)現(xiàn)，MHSN具有低毒性；且借助ICPOES和TEM觀察到MHSN主要分布在肝臟和脾臟的單核巨噬細胞中；此外，發(fā)現(xiàn)這些顆粒從身體中全部排泄至少需要4周的時間。

4 結(jié)語

以上研究均可證實，形貌對介孔二氧化硅的體內(nèi)行為是有影響的。介孔二氧化硅不再是單一的球型，而可被改造成棒狀、內(nèi)部完全中空或內(nèi)部有部分空穴等其他一些特殊的形貌，從而具有高載藥量、高抑瘤率、高細胞攝取率等優(yōu)點。這一發(fā)現(xiàn)也給其他材料的研究提供了啟發(fā)。介孔二氧化硅與細胞之間的相互作用受顆粒的粒徑、形貌、化學組成和表面電荷的影響，針對以上問題，建議未來的研究重點應是將這些結(jié)構(gòu)參數(shù)相結(jié)合，以設計出更適用于臨床診斷和治療的介孔二氧化硅。因此，只有充分認識介孔二氧化硅的性質(zhì)和特點等，結(jié)合某些藥物靶向性差、毒性大、消除速率快等自身特點，對其進行正確的改造才能使其在藥學、臨床上發(fā)揮更大的作用。

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R944.9

A

1001-0408（2016）25-3582-04

10.6039/j.issn.1001-0408.2016.25.38

2016-04-09

2016-07-14）

（編輯：劉明偉）

＊碩士研究生。研究方向：緩控釋制劑、中藥體內(nèi)代謝、中藥新藥研發(fā)。E-mail：3092904188@qq.com

教授，博士。研究方向：緩控釋制劑、中藥體內(nèi)代謝、中藥新藥研發(fā)。電話：0451-87266988。E-mail：15159267@qq.com