生物納米材料在骨關(guān)節(jié)炎診斷中的應(yīng)用進(jìn)展*

雷豆豆，陳雨亭，商怡豐，何浩強(qiáng)，羅 艷△

（1.廣西醫(yī)科大學(xué)廣西組織器官修復(fù)醫(yī)用生物材料工程技術(shù)研究中心，南寧 530021；2.廣西醫(yī)科大學(xué)再生醫(yī)學(xué)與醫(yī)用生物資源開(kāi)發(fā)應(yīng)用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，南寧 530021；3.廣西醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院創(chuàng)傷骨科手外科，南寧 530021）

骨關(guān)節(jié)炎（OA）是一種常見(jiàn)的致殘慢性關(guān)節(jié)疾病，涉及關(guān)節(jié)軟骨、滑膜、軟骨下骨乃至整個(gè)滑膜關(guān)節(jié)，最終導(dǎo)致關(guān)節(jié)退化和功能喪失[1]。關(guān)節(jié)軟骨退化是不可逆的，早期診斷OA對(duì)于有效修復(fù)軟骨至關(guān)重要。納米顆粒（NPs）是診斷和治療OA的新型生物材料[2]。生物納米材料憑借光學(xué)、磁性和放射性功能，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)各種成像方法的對(duì)比度，對(duì)疾病進(jìn)行早期檢測(cè)、篩選、診斷和影像引導(dǎo)治療。此外，生物標(biāo)志物可在體液（如滑膜液、血液和尿液）中進(jìn)行測(cè)量，利用生物納米材料檢測(cè)生物標(biāo)志物，可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、低成本的即時(shí)診斷，生物納米材料不僅能用于監(jiān)測(cè)生物體狀態(tài)，還可提供疾病早期差異標(biāo)志物信息以及判斷預(yù)后。近年來(lái)，納米醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)有效推動(dòng)了炎癥和退行性疾病的診療發(fā)展，生物納米材料用于診斷、治療OA的相關(guān)研究也備受關(guān)注。目前關(guān)于OA診斷研究的生物納米材料，按其化學(xué)組成主要分為無(wú)機(jī)納米材料、有機(jī)納米材料和其他納米材料。

1 無(wú)機(jī)納米材料

1.1 金納米材料 金納米材料具有優(yōu)異的生物相容性、低毒性和穩(wěn)定性，其獨(dú)特的光物理學(xué)特性使其在生物傳感和成像方面具有巨大的應(yīng)用潛力[3]。目前已經(jīng)有大量金納米材料在計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）、光聲成像、等離子體共振成像和熒光成像等方面的應(yīng)用研究。金納米材料在OA中的診斷研究也被廣泛開(kāi)展。Domey等[4]報(bào)道了兩種粒徑（1.9 nm和15 nm）嵌入瓊脂糖的金納米材料，其中15 nm的金納米材料在注射后2 h內(nèi)在小鼠皮下水腫中積累，展示其作為造影劑用于標(biāo)記吞噬細(xì)胞和在細(xì)胞水平上的炎癥CT成像中的潛力。Vonnemann等[5]報(bào)道了一種基于多硫酸金納米棒的關(guān)節(jié)炎靶向成像劑，結(jié)合多光譜光聲層析成像技術(shù)在關(guān)節(jié)炎小鼠中實(shí)現(xiàn)高對(duì)比度的炎癥成像。Chiang等[6]報(bào)道了一種金納米顆粒改性的光纖，通過(guò)光纖粒子等離振子共振檢測(cè)光纖上金納米顆粒層的吸光度變化，可以在短時(shí)間內(nèi)檢測(cè)白介素-1β（IL-1β）。Au等[7]介紹了一種基于二硫化鉬納米片包被的金納米棒的治療診斷學(xué)納米探針，靶向痛覺(jué)關(guān)鍵因素神經(jīng)生長(zhǎng)因子，用于光聲疼痛成像和近紅外成像引導(dǎo)的光熱鎮(zhèn)痛治療。

然而，金納米顆粒對(duì)OA的診斷仍存在一些局限性，如水溶性和穩(wěn)定性差，合成方法復(fù)雜且成本高，暴露于具有高比表面積的金納米顆?？赡軙?huì)使人體生理環(huán)境的反應(yīng)性增加，在體內(nèi)的保留時(shí)間太長(zhǎng)，不利于新陳代謝，從而導(dǎo)致不良影響。

1.2 碳納米材料 碳納米材料包括碳納米管、富勒烯、納米纖維和石墨烯納米薄片等，具有良好的光穩(wěn)定性、可調(diào)節(jié)的激發(fā)和發(fā)射波長(zhǎng)、低毒、良好的生物相容性和明亮的電致發(fā)光等熒光特性，因此在納米傳感器、電子器件、催化反應(yīng)器、藥物傳遞和電化學(xué)等方面廣泛應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，碳納米材料可以抑制炎癥性關(guān)節(jié)炎。Xu等[8]報(bào)道了一種基于阿司匹林的碳納米顆粒，其具有抗炎能力和熒光生物標(biāo)志物的功能。Welsher等[9]報(bào)道了一種將生物相容性單壁碳納米管作為近紅外熒光成像劑的方法，并對(duì)靜脈注射材料的小鼠進(jìn)行高幀頻視頻成像，發(fā)現(xiàn)可以顯著提高器官的解剖分辨率。此外，碳納米材料也能作為檢測(cè)OA的生物化學(xué)標(biāo)志。Wei等[10]報(bào)道了一種基于氧化石墨烯的電化學(xué)免疫傳感器，該材料具有理想的靈敏度、選擇性和穩(wěn)定性，可同時(shí)檢測(cè)多個(gè)細(xì)胞因子。Genady等[11]開(kāi)發(fā)了一種雙膦酸鹽—單碳納米管結(jié)合物，結(jié)合物用99 mTc進(jìn)行放射性標(biāo)記，結(jié)合物中納米管的傳輸能力與合適的官能化及固有的光聲性質(zhì)相結(jié)合，可用于藥物遞送和骨修復(fù)成像。碳納米材料具有更優(yōu)的生物相容性、靈敏度、選擇性和較低的檢測(cè)限，可以檢測(cè)多種化學(xué)和生物分子[12]，且比目前使用的金等納米材料更便宜。但關(guān)于碳納米材料可能存在的風(fēng)險(xiǎn)和毒性尚未清楚。

1.3 量子點(diǎn)材料 量子點(diǎn)材料具有獨(dú)特的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，例如大小可調(diào)的發(fā)光、較窄的發(fā)射范圍、高亮度和光穩(wěn)定性，因此在生物影像研究方面的潛力較大，目前已應(yīng)用于腫瘤的診斷、追蹤、遞藥的研究。利用量子點(diǎn)材料可以實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)機(jī)離子、有機(jī)分子甚至病毒的檢測(cè)?；谄涮匦?，量子點(diǎn)材料在構(gòu)建熒光生物傳感器、檢測(cè)生物標(biāo)志物方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。目前，量子點(diǎn)材料應(yīng)用于OA診斷的研究鮮少報(bào)道。Karwa等[13]將幾種不同顏色的量子點(diǎn)成品進(jìn)行表面修飾，并用于小鼠體內(nèi)炎癥因子的檢測(cè)，量子點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度隨著炎癥程度的加重而增強(qiáng)，而且可以同時(shí)檢測(cè)多種生物標(biāo)志物。這項(xiàng)新技術(shù)有助于設(shè)計(jì)新穎的光學(xué)平臺(tái)，對(duì)各種炎癥生物標(biāo)志物進(jìn)行成像，對(duì)急性和慢性疾病標(biāo)志物進(jìn)行早期檢測(cè)。Murata等[14]報(bào)道了一種摻有量子點(diǎn)和氧化鐵納米顆粒的明膠納米球材料，該材料可以有效內(nèi)化進(jìn)入人軟骨細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)光學(xué)和磁共振方式的軟骨細(xì)胞成像。但大多數(shù)量子點(diǎn)材料具有細(xì)胞毒性，肝、腎、脾是量子點(diǎn)納米材料的主要靶器官[15]。

1.4 超順磁性氧化鐵材料 磁性納米粒子作為造影劑的優(yōu)勢(shì)在于，可以同時(shí)對(duì)其生物相容性和生理性代謝進(jìn)行研究，粒子的超順磁性使其強(qiáng)烈扭曲磁場(chǎng)并產(chǎn)生超過(guò)其物理尺寸的對(duì)比度，可應(yīng)用于納米成像進(jìn)行疾病早期診斷。磁性氧化鐵納米顆粒不僅可用于成像，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞標(biāo)記與追蹤，還可用于構(gòu)建生物傳感器來(lái)捕獲和檢測(cè)生物分子。利用磁性納米材料的影像學(xué)特性，Periyathamb等[16]成功合成出磁性纖維蛋白納米顆粒，并將其用于關(guān)節(jié)炎靶向巨噬細(xì)胞磁共振成像（MRI）中，為早期準(zhǔn)確診斷提供一種有效策略。Dai等[17]報(bào)道了一種作MRI造影劑的復(fù)合超順磁性氧化鐵材料，并在MRI掃描下顯示了大鼠模型的抗原誘發(fā)性關(guān)節(jié)炎。Lutz等[18]發(fā)現(xiàn)，超順磁性鐵氧體納米材料能被膝關(guān)節(jié)炎滑膜組織中的巨噬細(xì)胞攝取，且這一結(jié)果能在MRI中顯示。Khurana等[19]研究表明，通過(guò)納米氧化鐵標(biāo)記可以跟蹤被移植的干細(xì)胞，并在骨軟骨缺損中實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)4周的干細(xì)胞追蹤，可用于監(jiān)測(cè)軟骨愈合。Chen等[20]利用OA微環(huán)境基質(zhì)金屬蛋白酶-13（MMP-13）過(guò)度表達(dá)和弱酸性的特征，設(shè)計(jì)研發(fā)一種生物相容性、軟骨靶向性和MMP-13/pH響應(yīng)性鐵蛋白納米籠，并負(fù)載抗炎藥（羥基氯喹），這種新型雙刺激響應(yīng)性納米探針，具有超高特異性和可逆性的精確成像，可用于診斷OA的嚴(yán)重程度和引導(dǎo)精確治療。

超順磁性納米復(fù)合材料因其納米尺寸、超順磁性和生物相容性而被應(yīng)用于診斷成像、藥物輸送以及治療應(yīng)用[21]。經(jīng)化學(xué)方法合成鐵氧體納米顆粒會(huì)導(dǎo)致環(huán)境毒性，而物理方法合成鐵氧體納米顆粒會(huì)導(dǎo)致粒徑和孔隙不均勻，可通過(guò)改進(jìn)合成技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)出更適用的大小、形狀和性質(zhì)，且具有高磁功率、穩(wěn)定的鐵氧體納米顆粒。

2 有機(jī)納米材料

2.1 脂質(zhì)體 脂質(zhì)體是由磷脂雙層構(gòu)成的閉合囊泡，其擁有合成簡(jiǎn)便可控、容易改性、無(wú)毒、低抗原性、可體內(nèi)降解代謝、膜滲透性可控等優(yōu)勢(shì)，并且可用于容納具有不同性質(zhì)和分子量的各種類型的溶質(zhì)。此外，脂質(zhì)體良好的潤(rùn)滑能力可用于減少OA關(guān)節(jié)的骨磨損。目前，脂質(zhì)體應(yīng)用于藥物傳遞系統(tǒng)、發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層成像（ECT）、超聲成像和構(gòu)建生物傳感器等方面的研究被廣泛開(kāi)展。脂質(zhì)體用于OA診斷方面的研究也逐步開(kāi)展。Gawne等[22]使用正電子放射斷層掃描成像跟蹤封裝了糖皮質(zhì)激素的脂質(zhì)體，該材料在關(guān)節(jié)炎小鼠模型中的可見(jiàn)和隱匿的發(fā)炎部位的攝取率高，具有用于預(yù)測(cè)治療反應(yīng)的潛力。Wu等[23]成功制備了精甘天冬氨酸肽（iRGD）修飾的吲哚菁綠脂質(zhì)體，成功靶向小鼠炎癥部位，并檢測(cè)到強(qiáng)近紅外熒光信號(hào)，可用于關(guān)節(jié)炎的診斷和疾病進(jìn)展的早期評(píng)估。Cho等[24]開(kāi)發(fā)了封裝熒光染料并與Ⅱ型膠原抗體綴合的納米脂質(zhì)體，該材料可以特異性結(jié)合損傷的關(guān)節(jié)軟骨，為檢測(cè)和測(cè)量關(guān)節(jié)炎損傷提供了一種非侵入性的定量診斷方法。

脂質(zhì)體被認(rèn)為是最有效、健康和安全的納米顆粒結(jié)構(gòu)之一[25]。利用脂質(zhì)體的特性來(lái)提高靶向性和包封性，設(shè)計(jì)帶有成像探針的脂質(zhì)體可實(shí)現(xiàn)對(duì)疾病的診斷和監(jiān)測(cè)治療。然而，脂質(zhì)體納米材料仍存在一些不足：（1）脂質(zhì)體對(duì)外界反應(yīng)極其敏感，不能承受剪切壓力、溫度、稀釋劑、pH以及稀釋劑濃度的變化；（2）脂質(zhì)體存在一定毒性，脂質(zhì)體系統(tǒng)引發(fā)的急性超敏綜合征及其細(xì)胞毒性、泄漏率、合成重復(fù)性以及有效的滅菌技術(shù)限制了其臨床轉(zhuǎn)化；（3）將脂質(zhì)體中的化合物精確地輸送到體內(nèi)特定位置較為困難。

2.2 聚合物納米材料 聚合物納米材料具備良好的穩(wěn)定性，是用于新型醫(yī)療器械最常見(jiàn)的生物材料，通過(guò)合理設(shè)計(jì)聚合物的結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)成像和治療等多種功能。Ruan等[26]設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一種智能抗氧化劑，通過(guò)構(gòu)建膠束核心中含自由基清除劑黑色素和外殼上含聚多巴胺的雙響應(yīng)混合膠束，用于光聲成像引導(dǎo)的膝關(guān)節(jié)OA治療。Zerrillo等[27]開(kāi)發(fā)了新型氟化聚合物納米粒子作為多模態(tài)納米探針的載體，將三氟乙酰胺偶聯(lián)到聚乳酸—羥基乙酸共聚物和基于聚乙二醇的納米顆粒上，并為其裝載近紅外染料，可用于各種分子成像技術(shù)，以可視化和追蹤OA檢測(cè)和治療。Shen等[28]通過(guò)使用活性氧（ROS）敏感的硫代縮酮連接物和軟骨靶向肽修飾的聚乙二醇膠束制成納米探針，然后用地塞米松包裹，開(kāi)發(fā)出一種多功能ROS激活的治療診斷學(xué)聚合物納米顆粒，用于OA的成像和有效治療，實(shí)時(shí)成像監(jiān)測(cè)OA的嚴(yán)重程度和異常ROS環(huán)境部位的按需藥物釋放。Zhang等[29]合成了用甲氧基聚乙二醇與硫代縮酮接枝固定的白藜蘆醇和CellROX負(fù)載的基于沸石的咪唑鹽骨架-8納米顆粒，這種新型熒光探針具備精確光學(xué)診斷、監(jiān)測(cè)OA過(guò)程及藥物遞送、ROS調(diào)節(jié)即時(shí)治療OA的功能。Chen等[30]利用轉(zhuǎn)換納米粒子獨(dú)特的光學(xué)特性和透明質(zhì)酸的生化特性，開(kāi)發(fā)出一種可用于高靈敏度檢測(cè)活細(xì)胞中ROS、生物成像和診斷小鼠關(guān)節(jié)炎的新型納米探針。Chen等[31]介紹了聚-L-賴氨酸（PLL）包裹的內(nèi)源性黑色素納米粒子（MNP）作為帶正電荷的造影劑，用于軟骨退化的準(zhǔn)確光聲（PA）成像，通過(guò)其與軟骨中的陰離子糖胺聚糖（GAG）的強(qiáng)靜電相互作用檢測(cè)和分析OA軟骨中GAG含量的變化，清楚地區(qū)分早期和晚期OA，并監(jiān)測(cè)OA的藥物治療效果。

聚合物納米材料已成為用于生物成像和診斷的新型納米系統(tǒng)[32]。然而，聚合物納米材料用于OA的診斷仍處于初步研究階段。除了生物可降解性外，聚合物納米材料還應(yīng)具有良好的生物相容性和優(yōu)異的機(jī)械性能、滲透性和加工性，避免系統(tǒng)毒性和免疫原性。

2.3 黑色素 黑色素是一種廣泛存在于生物體中的天然色素，具有內(nèi)在的光聲特性，作為新型光聲造影劑用于醫(yī)學(xué)成像。然而，天然黑色素的確切結(jié)構(gòu)仍不確定，大規(guī)模合成尺寸可控的水溶性黑色素是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

2.4 樹(shù)枝狀聚合物納米材料 樹(shù)枝狀聚合物材料在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域是一種具有吸引力的工具，其可以搭載藥物，也可以被設(shè)計(jì)成抗炎藥物[33]，有望用于實(shí)現(xiàn)OA的診療一體化。Winalski等[34]研究了連接氮氧化物的樹(shù)狀聚合物材料用于關(guān)節(jié)軟骨造影的效果以及其在關(guān)節(jié)內(nèi)的壽命，發(fā)現(xiàn)其對(duì)關(guān)節(jié)的毒性小，而且可以明顯增強(qiáng)軟骨的信號(hào)，是一種很有前途的軟骨特異性磁共振造影劑。樹(shù)枝狀聚合物具有超分子性質(zhì)和結(jié)構(gòu)多樣性，作為納米載體，已在臨床診療中應(yīng)用于生物成像。通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)合成出特定的超分子結(jié)構(gòu)、功能特異性以及優(yōu)越的刺激響應(yīng)性的納米材料。

3 其他納米材料

除上述幾種納米材料外，其他種類的納米材料在OA診斷方面的研究也被廣泛開(kāi)展。水凝膠材料由于水含量高，與天然細(xì)胞外基質(zhì)相似，具有多孔框架結(jié)構(gòu)，已被證明具有作為三維細(xì)胞培養(yǎng)支架的巨大潛力，可用于軟骨和骨組織工程中[35]。

水凝膠相關(guān)研究已經(jīng)開(kāi)展了幾十年，但目前幾乎還沒(méi)有性能完善的水凝膠材料應(yīng)用于臨床再生醫(yī)學(xué)。天然水凝膠通常缺乏機(jī)械強(qiáng)度，而合成水凝膠生物相容性較差，這些欠缺限制了其臨床診療應(yīng)用。水凝膠的性能及生物功能會(huì)受到環(huán)境變化的影響，需要發(fā)展新型水凝膠材料，在提高其機(jī)械性能和穩(wěn)定性前提下，進(jìn)一步減少體內(nèi)水凝膠的細(xì)胞毒性及其他不良影響，研發(fā)先進(jìn)的制備方法實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)和商業(yè)化。在克服這些挑戰(zhàn)后，水凝膠才有望用于OA的臨床診斷。

4 總結(jié)與展望

臨床上現(xiàn)有的無(wú)創(chuàng)影像學(xué)檢查分辨率有限，而關(guān)節(jié)的有創(chuàng)檢測(cè)費(fèi)用高、有感染風(fēng)險(xiǎn)、難以推廣，因此，亟待研發(fā)出一種無(wú)創(chuàng)、靶向、可高分辨率成像的OA診斷納米材料。但由于OA軟骨組織中病理生理機(jī)制和細(xì)胞變化的多維性和復(fù)雜性，現(xiàn)有的OA納米診斷手段仍處于基礎(chǔ)研究或者臨床研究階段，面臨一系列的挑戰(zhàn)和難題。上述幾種納米材料在OA診斷應(yīng)用中各有優(yōu)缺點(diǎn)，可根據(jù)各自特點(diǎn)進(jìn)行不同的改進(jìn)。首先，需要在機(jī)械性能和物化性質(zhì)優(yōu)異的前提下進(jìn)行體內(nèi)、外實(shí)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)出穩(wěn)定性高、分散性好、生物相容性高、毒性小的納米材料。其次，探索簡(jiǎn)易的合成方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)規(guī)模的轉(zhuǎn)化。最后，用于OA診療的納米材料需要具有特異性、靶向性和響應(yīng)性，選擇合適的尺寸最大程度地發(fā)揮其光電性能，制備出靈敏度高、選擇性好、可實(shí)現(xiàn)持續(xù)監(jiān)測(cè)的納米材料。未來(lái)納米材料在OA診斷中的早期特異性、定量能力和靶向成像等性能將進(jìn)一步提高，在此基礎(chǔ)上將診斷和治療進(jìn)行整合，開(kāi)發(fā)出智能響應(yīng)的診療一體化納米材料。因此，納米材料在OA診斷方面的應(yīng)用仍是一個(gè)不斷探索、研究和發(fā)展的過(guò)程。