介孔二氧化硅納米粒作為藥物載體研究進展

李艷梅，張宇佳，陳明曦，王東凱，趙云麗

（沈陽藥科大學 藥學院，遼寧 沈陽 110016）

傳統(tǒng)的藥物載體在制備、應(yīng)用以及儲存過程中，容易受內(nèi)部或外界等因素的影響結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導致其載藥穩(wěn)定性變差和生物功能降低。而無機藥物載體如二氧化硅不僅物理穩(wěn)定性好，而且因其獨特的孔道結(jié)構(gòu)還易于表面化，因此更容易實現(xiàn)靶向治療，從而降低不良反應(yīng)發(fā)生的頻率[1]。介孔材料不僅具有很高的比表面積，而且孔徑大小可調(diào)，孔道結(jié)構(gòu)有序，因此作為一種無機藥物載體有助于完成大分子的吸附、分離，可以作為大分子藥物有利載體。介孔二氧化硅納米載體經(jīng)過修飾能夠以高效、可控的方式輸送藥物到達腫瘤部位，提高抗腫瘤效率，增強藥物的生物利用度，從而避免了藥物提前釋放而造成的毒副作用[2]，在生物醫(yī)藥領(lǐng)域具有不可或缺的作用。此外，有文獻報道介孔二氧化硅納米粒子（mesoporous silica nanoparticles, MSN）在水質(zhì)凈化、氣體污染物治理、光催化降解有機物等方面有明顯的效果[3]，為綠色發(fā)展提供了可能。介孔材料的應(yīng)用廣泛，不僅在化學化工、生物醫(yī)藥領(lǐng)域有舉足輕重的作用，在環(huán)境和能源領(lǐng)域也為綠色發(fā)展提供了新的思路。

1 介孔二氧化硅的種類及制備

1.1 介孔二氧化硅的種類

根據(jù) IUPAC 的規(guī)定，多孔材料按照孔徑大小可分為 3 類，分別為微孔（＜2 nm）、介孔（2～50 nm）和大孔（＞50 nm），常見的 MSN 的材料有 MCM、SBA、MSU 和 TDU 系列等[4]。不同類型的 MSN 介孔相態(tài)、孔道、孔徑各不相同，其中比表面積大、孔徑有序可調(diào)的 MCM 系列是分子篩歷史上有紀念意義的里程碑，結(jié)構(gòu)示意圖見圖 1。MCM-41 是第一個介孔材料合成的實例，MCM-48 和 MCM-50 則技術(shù)比較成熟，優(yōu)點也較為突出。

Fig. 1 Structures of mesoporous MCMS:圖 1 MCM 系列介孔材料示意圖

1.2 介孔二氧化硅的制備

介孔二氧化硅的制備方法多種多樣，核心都是溶膠-凝膠法。介孔二氧化硅和表面活性劑組成的介孔材料是通過在含有各種活性劑（通常為陽離子表面活性劑，例如十六烷基三甲基溴化銨（hexadecyl trimethyl ammonium bromide, CTAB）或陽離子表面活性劑）的溶液中水解和縮合四烷氧基硅烷（Si(OR)4，R=Me、Et 等）而制得的。三嵌段共聚物（如P123）作為介觀結(jié)構(gòu)的模板，通過適當改變條件，例如 pH 值和表面活性劑和硅的濃度，可以制備小于 100 nm 的納米顆粒，通過煅燒或萃取除去這些表面活性劑（模板）可獲得 MSN。通過改變粒徑、孔徑、形態(tài)和表面可以很容易地控制它們的功能和性質(zhì)，見圖 2[5]。

Fig. 2 Relationship between the features of MSNs and their properties圖 2 MSN 的功能與其屬性之間的關(guān)系

2 介孔二氧化硅在藥物研究中的應(yīng)用

2.1 控制藥物釋放

Vallet 將消炎藥布洛芬載于介孔硅的孔道中，表現(xiàn)出介孔硅材料作為藥物載體具有緩釋藥物的能力，這是最早使用介孔硅材料作為藥物載體的歷史[6]。介孔二氧化硅無論是對于小分子藥物，還是對于不同分子量、不同疏水性質(zhì)的大分子物質(zhì)如核酸、蛋白質(zhì)等都呈現(xiàn)較好的負載能力。使用介孔二氧化硅作為納米藥物載體不僅是因為其性質(zhì)穩(wěn)定，經(jīng)過適當修飾可以達到靶向運輸，更重要的是 MSN 不與生物體內(nèi)的化學物質(zhì)發(fā)生相互作用，具有較好的生物相容性，同時表面的硅羥基也可以很好的分散在水中。球形納米粒子的體外和體內(nèi)行為，生物分布和生物相容性與 MSN的結(jié)構(gòu)和孔徑間接相關(guān)[7]。

高艷等[8]通過用石墨烯量子點（graphene quantum dots, GQD）封蓋介孔二氧化硅納米粒子（MSN），開發(fā)了一種新型的光熱和氧化還原響應(yīng)藥物傳遞載體。通過胱氨酸和氨基官能化的MSN 之間的酰胺化反應(yīng)引入二硫鍵，羅丹明 B（Rhodamine B, RhB）作為一種紅色熒光染料被裝載到 MSN 的中孔中作為模型藥物，而 GQD 則被封在 MSN 上，可以阻止 RhB 的釋放。透射電鏡（transmission electron microscope, TEM）、氮吸附和解吸分析、X 射線衍射（X-ray diffractomer, XRD）、熱重分析（thermo gravimetric, TG）和傅里葉變換紅外光譜（Fourier-transform infrared spectroscopy, FTIR）均證明，成功制備了由 GOD 封端的納米復合材料 MSN，示意圖見圖 3。因其具有明顯的二硫鍵對谷胱甘肽（glutathione, GSH）的氧化還原反應(yīng)，因此負載的藥物可以可控地釋放。該藥物遞送系統(tǒng)可以被認為是藥物遞送和刺激響應(yīng)釋放的先驅(qū)者。

Fig. 3 Analytical diagram of nanocomposites terminated by GOD圖 3 由GOD 封端的納米復合材料的解析圖

對于生物相容性較好的載體，能夠使藥物到達靶向細胞或組織之前無需提前釋放藥物分子，這種靶向藥物傳遞系統(tǒng)能夠?qū)⒂行┝康乃幬锓肿舆\送到目的地[9]。介孔二氧化硅對磷脂組織有很大的親和力，因此會被用于增強藥物傳遞系統(tǒng)的生物相容性，以此可以調(diào)控藥物的有效釋放。

2.2 改善難溶藥物溶出度

介孔二氧化硅改善難溶性藥物溶解度的原理主要是其表面積和孔隙較大，而難溶性藥物通常以分子狀態(tài)或無定形狀態(tài)存在于孔道內(nèi)部，MSN 可以使難溶性藥物保持無定形狀態(tài)，因此有利于提高生物利用度。MSN 在生物體內(nèi)被降解為硅醇基，可以很容易除去，因此具有很高的安全性[10]。

在 pH4.5 下，與純二氟尼柳的溶出速率相比，所有制備的中孔基質(zhì)都能夠改善藥物的溶出動力學（威布爾釋放模型用于描述二氟尼柳的溶出曲線）。二氟尼柳在 APTES 修飾的介孔分子篩上的吸附是一個自發(fā)過程，二氟尼柳吸附的機制與吸附劑和藥物分子之間的靜電吸引力有關(guān)，用氨基丙基接枝的 SBA-15 和 MCF 中孔二氧化硅是用于吸附和釋放二氟尼柳的合適材料[11]。紫杉醇作為一種常用的化療藥物，水溶性很差，因此使用受限，但是有研究表明與游離紫杉醇相比，如果使用 MSN 作為藥物載體，紫杉醇的溶解度將大幅提升[12]。MTT 實驗表明，MSN 在試驗條件下對 HepG2 細胞沒有明顯的細胞毒性，而 MSN 紫杉醇則顯示出劑量依賴性細胞毒作用，細胞毒性隨著 PTX 濃度的增加而增加。Tzankov 等[13]提出兩種類型的介孔二氧化硅顆粒MCM-41 和 HMS 可以有效地負載有溶解性差的抗糖尿病藥物格列美脲，以提高其溶解度。通過 TEM 研究來分析 MSM-41 和 HMS 的多孔結(jié)構(gòu)（圖4）。如圖所示，MCM-41 具有完全多孔的結(jié)構(gòu)（圖4a），而 HMS 具有中空的核和多孔殼（圖4b）。載有藥物的HMS 納米顆粒的中空核在內(nèi)部呈暗色區(qū)域，這表明格列美脲對 HMS 的中空核有載荷（圖4d）。體外實驗也表明格列美脲負載的二氧化硅納米粒子具有良好的安全性。

Fig. 4 Transmission electron micrographs of pure MCM-41 (a), pure HMS (b) and glimepiride loaded samples MCM-GLI (c) and HMS-GLI (d)圖 4 純 MCM-41（a），純 HMS（b）和格列美脲負載的樣品MCM-GLI（c）和HMS-GLI（d）透射電子顯微照片

王可可等[14]提到 MSN 可顯著提高 BCS Ⅱ 類藥物卡維地洛在不同 pH 介質(zhì)中的溶出速率（圖5），MSN 口服給藥系統(tǒng)為提高不同 pH 條件下難溶性藥物的生物利用度提供了新的思路。加載到無機中孔載體上的藥物無定形化為改善水溶性差的活性藥物成分的溶出速率和生物利用度提供了可能[15]。這些結(jié)果都表明 MSN 是疏水性藥物可利用的載體。

Fig. 5 In vitro drug release profile of CAR and CAR-MSN in pH1.2 PBS buffer and pH6.8 PBS buffer (n=3)圖 5 CAR 原料藥和 CAR-MSN 制劑在 pH1.2 或 pH6.8 的溶出介質(zhì)中的溶出曲線（n=3）

難溶性藥物與 MSN 之間的相互作用對釋放速率有一定的影響，有研究表明載藥量對于難溶性藥物 MSN 給藥系統(tǒng)的藥物釋放具有重要的調(diào)控作用，低載藥量可以實現(xiàn)藥物短時間內(nèi)的完全釋放，高載藥量則相反，相比較而言，藥物的氫鍵受體數(shù)量對于 MSN 給藥系統(tǒng)的難溶性藥物的釋放行為影響不大[16]。

2.3 提供癌癥治療新思路

常規(guī)方法治療癌癥總是有很多缺陷，近年來，基于納米技術(shù)的干預(yù)措施因能夠改善和克服這些缺點而在癌癥治療中得到普及。在已被探索為藥物載體的各種納米顆粒中，中孔二氧化硅具有很多理想的特性，例如自身的結(jié)構(gòu)特性以及良好的生物相容性，因此已被廣泛應(yīng)用于單一和多種治療劑的特定部位遞送以及成像和治療學[17]。通過廣泛研究不同類型的外部刺激以引起中孔二氧化硅釋放藥物，結(jié)果表明化學響應(yīng)系統(tǒng)可提供更大的治療效果，并且能夠?qū)⑴c外部刺激相關(guān)的附帶損害降至最低。

在過去幾年中，刺激響應(yīng)系統(tǒng)已經(jīng)成為用于治療劑的位點調(diào)節(jié)遞送的優(yōu)異遞送系統(tǒng)。內(nèi)在刺激響應(yīng)載體利用腫瘤和正常組織中化學微環(huán)境的差異來獲得細胞毒性特異性位點的釋放，這種化學反應(yīng)系統(tǒng)具有超過外在刺激響應(yīng)系統(tǒng)的另一個優(yōu)點是減少了對鄰近正常組織的附帶損害。袁寧寧等[18]設(shè)計的用殼聚糖修飾的 MSN 細胞親和性較高，可以根據(jù)腫瘤微環(huán)境的變化釋放藥物，治療效果顯著增強。介孔二氧化硅的化學響應(yīng)系統(tǒng)盡管已經(jīng)探索了其在腫瘤部位實現(xiàn)化學反應(yīng)性釋放，但是對于體內(nèi)長時間循環(huán)以及 MSN 的毒性考察仍然需要深入的研究。

3 介孔二氧化硅納米粒子的安全性研究

3.1 遺傳毒性研究

介孔二氧化硅納米粒子在很多領(lǐng)域都應(yīng)用廣泛，但是關(guān)于長期使用或?qū)μ厥馊巳菏褂玫陌踩匝芯亢苌佟?99m Tc 放射性標記的磁芯中孔二氧化硅納米粒子進行了誘變性，細胞毒性和胎盤評估，以確定動物模型中的毒性和胚胎潛在風險。99m Tc 放射性標記在 8 h 內(nèi)顯示出 98% 的高效率和穩(wěn)定性。使用沙門氏菌腸血清型鼠傷寒標準菌株進行致突變性測定，使用 WST-1 進行細胞毒性測定，使用體內(nèi)模型對大鼠進行胎盤評估測定，分析的結(jié)果證實，納米粒子可以產(chǎn)生DNA 損傷、產(chǎn)生細胞毒性潛能，并且能越過移植屏障，在胚胎和胎兒中均發(fā)生生物蓄積[19]。

3.2 細胞毒性研究

使用 MTT 還原法評估了二氧化硅納米粒子對心肌 H9c2（2-1）細胞的細胞毒性。將細胞暴露于濃度為 0.1 至 1.6 g?L-1的 21 和 48 nm 的二氧化硅納米顆粒中 12、24、36 和 48 h。如圖 6 所示，二氧化硅納米粒子（21 和48 nm）的 CC50 分別約為 0.32 和 1.29 g?L-1，這意味著較小尺寸的二氧化硅納米粒子具有較高的細胞毒性。此外，圖7 中的結(jié)果表明，21 和 48 nm 的二氧化硅納米顆粒均導致 H9c2（2-1）細胞活力顯著下降，并且毒性作用呈劑量和時間依賴性。毒性反應(yīng)可能是由氧化應(yīng)激的產(chǎn)生觸發(fā)的，p53 和 p21 蛋白可能參與了顆粒誘導的 G1 期阻滯，暴露于納米粒子可能是心臟病發(fā)展的重大風險。納米顆粒誘導細胞損傷的詳細機理很復雜，需要進一步研究[20]。

Fig. 6 CC50 of H9c2(2-1) cells after 24 h exposure to 21 and 48 nm of silica nanoparticles（Silica (21 nm) is the cells exposed to 21 nm of silica; silica (48 nm) is the cells exposed to 48 nm of silica. Data are expressed as means ±S.D. from three independent experiments）圖 6 H9c2（2-1）細胞暴露于 21 和 48 nm 的二氧化硅納米顆粒 24 h 后的 CC50（二氧化硅（21 nm）為暴露于 21 nm 二氧化硅的細胞；二氧化硅（48 nm）為暴露于 48 nm 二氧化硅的細胞。數(shù)據(jù)表示為平均值±標準誤差，來自 3 個獨立的實驗）

Fig. 7 Viabilities of H9c2(2-1) cells exposed to 21 and 48 nm of silica nanoparticles（Silica (21 nm) is the cells exposed to 21 nm of silica; silica (48 nm) is the cells exposed to 48 nm of silica. Data are expressed as means ± S.D.from three independent experiments. ＊P ＜ 0.05 compared with control group）圖 7 暴露于21 和48 nm 的二氧化硅納米顆粒的H9c2（2-1）細胞的活力（二氧化硅（21 nm）為暴露于21 nm二氧化硅的細胞；二氧化硅（48 nm）為暴露于48 nm 二氧化硅的細胞，數(shù)據(jù)表示為平均值±標準差，來自3 個獨立的實驗，與對照組相比＊ P＜0.05）

3.3 毒性相互作用研究

有研究表明釋放到環(huán)境中的納米顆?？赡芘c先前存在的污染相互作用，可能引起更高的毒性，因此有必要評估它們的聯(lián)合毒性作用，研究結(jié)果表明，SiNPs 和 MeHg 共同暴露在心肌細胞和心臟中均會引起嚴重的心臟毒性，這將有助于弄清關(guān)于綜合接觸污染的潛在心血管毒性[21]。

盡管介孔二氧化硅納米粒子毒性很小，但是為了長期安全使用，達到最大的臨床療效，仍然需要深入研究其安全性。

4 結(jié)論與展望

介孔材料的優(yōu)點在前文已經(jīng)敘述的很清楚了，本文作者主要綜述的是 MSN 作為藥物載體的研究進展。此外，其他新型介孔材料也有自己獨特的優(yōu)點，例如纖維介孔硅材料[22]除了具有與MSN 相似的優(yōu)勢特征外，還具有優(yōu)異的物理性能，如機械穩(wěn)定性，這些特點都要比其他藥物載體具有明顯的優(yōu)勢。介孔分子篩[23]也作為藥物載體應(yīng)用于緩控釋制劑及靶向制劑，但是容易受載藥方法及模型藥物固有特性等因素的影響，因此其作為藥物載體的研究還需進一步深入。介孔氧化鋁可以提高材料的熱穩(wěn)定性和催化活性，從而使材料結(jié)構(gòu)更加堅韌[24]。此外還有熒光介孔納米二氧化硅粒子[25]，可以顯著提高抗紫外、耐老化的能力。

Daniel 等[26]描述了適用于中孔二氧化硅納米粒子的通用表面官能化策略，該策略可能用作藥物傳遞載體，它在納米粒子的表面上使用了烷氧基胺系鏈。在肟醚形成的溫和條件下，只需將化學修飾的介孔二氧化硅納米粒子與醛或酮在水中孵育，即可輕松將多種羰基化合物連接至這些鏈。

介孔二氧化硅納米顆粒（MSN）是使用最廣泛的納米材料之一，由于其高度穩(wěn)定的 Si-O-Si結(jié)構(gòu)而在體內(nèi)的生物降解性較差。在這里，Si-O-Si 的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性通過摻雜鍶離子來調(diào)節(jié)。十六烷基三甲基溴化銨介導的模板法合成了摻 Sr 的 MSN（Sr-MSNs），并對其形貌、結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)、體外降解性和細胞相容性進行了研究。結(jié)果表明，隨著有序介孔結(jié)構(gòu)的塌陷，Sr2+已成功摻入 MSN 中。Sr 摻雜以 Sr 含量依賴性方式顯著改善了 MSN 的比表面積，體外降解性和細胞相容性。特別是過量的 Sr 摻雜會產(chǎn)生不純的硅酸鍶，在降解過程中會轉(zhuǎn)化為無序的無定形二氧化硅，并阻礙 MSN 的生物降解行為。因此具有優(yōu)異的表面性質(zhì)，生物降解性和生物相容性的合成 Sr-MSNs 被認為是在許多臨床應(yīng)用中可控藥物和離子釋放的潛在載體[27]。

由于癌細胞對激素治療的反應(yīng)減少，三陰性乳腺癌極具侵略性，治療選擇有限。因此單分散的含鋅介孔二氧化硅納米顆粒（MSNPs-Zn）被生產(chǎn)為可調(diào)節(jié)的可生物降解的平臺，用于將治療性鋅離子輸送到細胞中。結(jié)果證明納米粒子被細胞內(nèi)在化，并確定了治療劑量窗，其中 MSNPs-Zn對乳腺癌細胞有毒，但對健康上皮（MCF-10a）細胞或鼠巨噬細胞無毒。暴露于 MSNPs-Zn 24小時后，三陰性 MDA-MB-231 和 MCF-7（ER+）乳腺癌細胞的活力顯著降低。具有更高轉(zhuǎn)移潛力的更具侵略性的 MDA-MB-231 細胞比 MCF-7 細胞對 MSNPs-Zn 更為敏感。MSNPs-Zn在細胞內(nèi)部經(jīng)歷了生物降解，變成了中空結(jié)構(gòu)，如高分辨率透射電子顯微鏡成像。介孔二氧化硅納米顆粒提供了可生物降解的載體，用于治療離子在細胞內(nèi)的釋放[28]。

介孔納米二氧化硅是一種比表面積大、孔隙大、孔徑可調(diào)的無機生物載體材料，其表面可以進行各種化學修飾，因此具有良好的生物相容性和穩(wěn)定性，MSN 作為藥物載體可以很好地控制藥物的釋放，從而達到理想的治療效果，除此之外還廣泛應(yīng)用于生物傳遞以及生物成像等。近年來基于各種功能化修飾的 MSN 藥物傳遞系統(tǒng)應(yīng)用前景廣泛，但是是否能夠解決臨床實際問題還有待于進一步考察，此外例如細胞毒性、基因毒性、體內(nèi)代謝路徑等安全問題也需要深入研究，這對確保 MSN 質(zhì)量評估至關(guān)重要。