MnO2納米片在生物傳感和生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

盧玉君, 田雪瑩, 何賢會(huì)，楊 敏*，彭黔榮

(1. 貴州大學(xué) 藥學(xué)院，貴州 貴陽550025; 2. 貴州中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，貴州 貴陽 550009)

隨著納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，越來越多的研究者們開始探尋性能優(yōu)越的生物納米材料。二維(2D)過渡金屬氧化物納米片如二氧化錳(MnO2)、二硫化鉬(MoS2)等納米片作為一類新興的納米材料，具有平面形貌特征，比表面積(SSA)較高，物理化學(xué)性質(zhì)優(yōu)越，可降解且易于修飾，可作為生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用納米平臺(tái)[1-4]。

MnO2納米片是具有氧化還原活性的二維納米材料，其厚度及橫向尺寸都較小[5-6]。MnO2納米片具有三個(gè)原子層，兩個(gè)O層夾有一個(gè)Mn層，Mn原子占據(jù)八面體的中心且與6個(gè)最近的O原子配位，而每個(gè)O原子又和3個(gè)最近的Mn原子配位，由此形成共享邊緣的[MnO6]八面體。MnO2納米片因?yàn)镸n空位的存在而帶負(fù)電荷[7]。 MnO2納米片由于Mn離子的d-d躍遷而具有寬吸收光譜(200～600 nm)，在380 nm處具有較大的摩爾消光系數(shù)(εmax= 9.6×103L·mol-1·cm-1)。MnO2納米片因其結(jié)構(gòu)獨(dú)特而表現(xiàn)出出色的性質(zhì)：1)層狀MnO2的比表面積較大，因此可作為一種環(huán)保材料來吸附并降解不同種類的重金屬離子、有機(jī)污染物和有機(jī)染料[8-10]；2)MnO2納米片吸收光譜較寬，可以猝滅大多數(shù)熒光物質(zhì)的熒光[11-14]；3)MnO2納米片因?yàn)?4價(jià)Mn的存在而表現(xiàn)出很強(qiáng)的氧化還原能力，因此可被用于檢測(cè)生物樣品中的還原性物質(zhì)[15-16]；4)MnO2納米片比表面積大，載藥量高，并且能夠與腫瘤微環(huán)境中過表達(dá)的谷胱甘肽(GSH)和過氧化氫(H2O2)發(fā)生反應(yīng)而降解為Mn2+(如式1、式2所示)，且反應(yīng)所得的O2可以改善腫瘤缺氧的缺陷，因此MnO2納米片可以作為構(gòu)建抗癌藥物遞送系統(tǒng)(Drug Delivery System, DDS)的納米載體材料，降解所得的Mn2+可作為T1加權(quán)的磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging, MRI)對(duì)比增強(qiáng)試劑。MnO2納米材料本身具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性質(zhì)，因此也可用于腫瘤的光熱治療。通過用MnO2納米片負(fù)載不同類型的抗癌藥物(光敏劑、化療藥物等)，并復(fù)合其他抗癌性能好的材料，可以構(gòu)建不同的抗癌協(xié)同診療納米體系，對(duì)癌癥的治療有很高的指導(dǎo)意義。

MnO2+ H2O2+ H+→ Mn2++ H2O + 1/2O2

(1)

MnO2+ 2GSH + 2H+→ Mn2++ GSSH + 2H2O

(2)

1 基于MnO2納米片的生物傳感

基于MnO2的強(qiáng)大氧化能力和催化活性，MnO2納米片已被廣泛用于構(gòu)建生物傳感器。目前MnO2納米片在生物傳感器中的應(yīng)用主要可分為三類：熒光生物傳感器、電化學(xué)生物傳感器和比色生物傳感器。

1.1 基于MnO2納米片的熒光生物傳感

MnO2納米片由于其強(qiáng)大的光學(xué)吸收和快速的電子轉(zhuǎn)移性質(zhì)，通常用作熒光測(cè)定中的熒光猝滅劑。當(dāng)存在還原性目標(biāo)物質(zhì)時(shí)，MnO2納米片與目標(biāo)物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，被還原為Mn2+離子，隨之熒光標(biāo)記被釋放，熒光恢復(fù)，其強(qiáng)度與目標(biāo)物的濃度直接相關(guān)。通過與不同種類的熒光納米材料偶聯(lián)，基于這一原理可以檢測(cè)出許多還原物質(zhì)。

Qu等[17]基于MnO2納米片，開發(fā)了一種通過調(diào)節(jié)硫胺素(TH)的光致發(fā)光測(cè)定丁酰膽堿酯酶(BChE)活性的新策略(如圖1a)。MnO2納米片的類氧化酶活性使它們能夠催化非熒光底物TH的氧化，從而產(chǎn)生強(qiáng)熒光硫色素(TC)。當(dāng)在S-丁酰硫代碘化物(BTCh)存在下引入靶BChE形成硫代膽堿時(shí)，MnO2納米片被硫膽堿還原為Mn2+，導(dǎo)致其類氧化酶活性的喪失于是TC熒光的降低?；诖?，利用TH的發(fā)光行為變化和MnO2納米片的類氧化酶活性，構(gòu)建了BChE活性熒光生物傳感器。熒光生物傳感器對(duì)BChE表現(xiàn)出靈敏的反應(yīng)，檢測(cè)限達(dá)到0.036 U·L-1。

1.2 基于MnO2納米片的比色生物傳感

比色生物傳感器具有獨(dú)立可視讀數(shù)，近年來也引起很多研究者的關(guān)注。它具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如操作簡(jiǎn)單、成本低和不需要任何復(fù)雜的儀器，因此對(duì)于實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)特別有意義[18]。在各種比色系統(tǒng)中，由于其無標(biāo)記性質(zhì)和快速響應(yīng)，現(xiàn)在應(yīng)用于比色生物傳感中最典型的顯色反應(yīng)是酶催化氧化成色底物如3,3′,5,5′-四甲基聯(lián)苯胺(TMB)。近年來，人工酶具有酶樣反應(yīng)和底物特異性，與天然酶相比，它們更穩(wěn)定可調(diào)。MnO2納米材料由于存在晶格氧缺陷而具有較高的過氧化物酶、氧化酶和過氧化氫酶樣活性，因此能夠在沒有H2O2的情況下催化有機(jī)底物[TMB、鄰苯二胺(OPD)和重氮氨基苯(DAB)]的反應(yīng)以產(chǎn)生不同顏色[19]。基于這種氧化酶樣催化性質(zhì)，研究者們報(bào)道了利用MnO2納米材料類氧化酶活性，通過比色法檢測(cè)各種分析物，包括離子、小分子等。

Liu等[20]報(bào)道，MnO2納米片具有類氧化酶活性，可以催化TMB的氧化。同時(shí)，GSH的存在會(huì)導(dǎo)致氧化TMB的減少，從而產(chǎn)生顏色變化。因此，作者開發(fā)了一種用于檢測(cè)人血清中的GSH的新型比色方法，檢測(cè)限為300 nmol·L-1(如圖1b)。它的便利性和可見性在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用非常重要。除此之外，MnO2納米片-TMB反應(yīng)系統(tǒng)被開發(fā)為尿酸[21]、抗壞血酸[22]、半胱氨酸等其他抗氧化劑的便攜檢測(cè)平臺(tái)。然而，這些傳感器只能確定一種抗氧化劑，由于目標(biāo)物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)相似，因此無法進(jìn)行高通量檢測(cè)。Gan等[23]基于3,3′,5,5′-四甲基聯(lián)苯胺-二氧化錳(TMB-MnO2)納米片，開發(fā)了一種快速靈敏的草酸鹽檢測(cè)方法。淺黃色TMB可被 MnO2納米片催化氧化成藍(lán)色氧化物TMB，草酸鹽通過消耗MnO2納米片，選擇性地抑制該反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)草酸鹽的定量檢測(cè)。此外，還開發(fā)了一種自制的仿生電子眼(E-eye)系統(tǒng)，作為便攜式原位檢測(cè)平臺(tái)，可以直接拍攝在10 s內(nèi)有效地測(cè)得的草酸鹽濃度。該方法顯示出草酸鹽檢測(cè)的寬線性范圍(7.8至250 μmol·L-1)和低檢測(cè)限(0.91 μmol·L-1)。此外，即使存在80倍的干擾化學(xué)物質(zhì)，該方法也表現(xiàn)出高選擇性。通過測(cè)試人工尿液樣本驗(yàn)證了該方法的性能，表明其在臨床應(yīng)用中監(jiān)測(cè)和診斷尿石癥具有巨大潛力。

1.3 基于MnO2納米片的電化學(xué)生物傳感

MnO2納米片因其具有高催化活性、高化學(xué)穩(wěn)定性、低成本等優(yōu)點(diǎn)，而被用作電化學(xué)傳感器。然而，因?yàn)镸nO2的固有電導(dǎo)率(10-5～10-6S·cm-1)低，研究人員將MnO2與氧化石墨烯[24]、碳納米管(CNTs)[25]、碳泡沫[26]、金屬納米顆?；蚪饘傺趸锏认嘟Y(jié)合。因此，通過將石墨烯顯著的導(dǎo)電性和優(yōu)異的生物相容性等優(yōu)點(diǎn)與MnO2的高電催化活性相結(jié)合，可以制備出在離子、小分子、免疫分析等各種分析物檢測(cè)的傳感器。

Lyu等[27]設(shè)計(jì)了一種光電化學(xué)(PEC)免疫測(cè)定法，基于H2O2對(duì)氧/磷共摻雜石墨C3N4/AgBr/MnO2納米片(OP-g-C3N4/AgBr/MnO2)的蝕刻反應(yīng)，用于前列腺特異性抗原(PSA)的靈敏監(jiān)測(cè)(如圖1c)。最初，在PSA存在下，將葡萄糖氧化酶(GOX)標(biāo)記的檢測(cè)抗體引入具有三明治型免疫反應(yīng)的捕獲抗體包被的微孔板中，于是GOX分解葡萄糖產(chǎn)生的H2O2將MnO2納米片蝕刻成錳離子(Mn2+)，從而導(dǎo)致底層OP-g-C3N4/AgBr的暴露，同時(shí)H2O2還可以用作電子清除劑，抑制OP-g-C3N4/AgBr的電子-空穴對(duì)的重組。H2O2的這兩個(gè)特性協(xié)同增強(qiáng)了光電流。在最佳條件下，PEC免疫測(cè)定在0.05～50 μg·L-1的動(dòng)態(tài)工作范圍內(nèi)對(duì)靶標(biāo)PSA表現(xiàn)出高靈敏度，檢測(cè)限為17 ng·L-1。該系統(tǒng)具有高特異性，良好的選擇性和良好的穩(wěn)定性，并且相對(duì)于商業(yè)化的PSA ELISA試劑盒，該方法具有可靠的準(zhǔn)確性。更重要的是，該系統(tǒng)可以擴(kuò)展到通過控制相應(yīng)的抗體來篩選其他生物標(biāo)志物。

圖1 (a) MnO2納米片對(duì)BChE的熒光生物傳感[17]；(b) MnO2納米片對(duì)GSH的比色傳感檢測(cè)[20]；(c) OP-g-C3N4/AgBr/MnO2納米片對(duì)PSA的光電化學(xué)生物傳感[27]

2 基于MnO2納米片的生物成像

與其他成像方式相比，磁共振成像(MRI)的空間分辨率高，但靈敏度有限。自20世紀(jì)80年代末以來，釓(Gd3+)[28]和錳(Mn2+)[29]作為順磁性配合物，可以減少縱向弛豫時(shí)間T1，從而成功應(yīng)用于MRI。錳基氧化物因其生物相容性較好且細(xì)胞毒性低，已取代臨床上廣泛使用的釓基對(duì)比成像試劑。雖然MnO2納米片并不具備MRI性質(zhì)，但經(jīng)分解成為Mn2+后，展現(xiàn)出了優(yōu)越的T1-MRI性能。MnO2納米片腫瘤微環(huán)境中分解的Mn2+可用于腫瘤細(xì)胞MRI。

Yu等[30]構(gòu)建了智能TME/NIR響應(yīng)和O2自補(bǔ)充錳基雜化納米平臺(tái)(MnO2/Ce6@UPOMs)。MnO2納米片在TME刺激下產(chǎn)生O2以緩解腫瘤缺氧并恢復(fù)PDT的猝滅上轉(zhuǎn)換熒光(UCL)。MnO2納米片發(fā)生降解產(chǎn)生的Mn2+可用于T1加權(quán)MRI。Mn2+具有優(yōu)異的芬頓樣活性，使其能夠同時(shí)將內(nèi)源性H2O2轉(zhuǎn)化為劇毒·OH，促進(jìn)癌細(xì)胞殺傷作用。因此，該納米系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)CDT/PDT聯(lián)合癌癥治療的同時(shí)，能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)MRI監(jiān)測(cè)。Zhang等[31]制備了一種納米顆粒，由MnO2納米片包覆的金納米棒(GNRs)核心(裝載化療藥物阿霉素(DOX))和癌細(xì)胞膜殼組成(CM-DOX-GMNP)(如圖2)。細(xì)胞膜的修飾賦予納米顆粒極高的膠體穩(wěn)定性和癌細(xì)胞靶向能力。一旦納米顆粒進(jìn)入腫瘤細(xì)胞，MnO2納米片可以通過與腫瘤微環(huán)境中的GSH和H2O2反應(yīng)生成Mn2+，從而釋放DOX。同時(shí)，Mn2+可以作為腫瘤診斷的MRI造影劑。當(dāng)用近紅外光(NIR)照射時(shí)，GNRs的光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)可用于癌癥的協(xié)同治療。

圖2 CM-DOX-GMNP納米粒子在腫瘤診療中的應(yīng)用示意圖[31]

3 基于MnO2納米片的癌癥治療

MnO2納米片具有一系列優(yōu)異的性質(zhì)，使其可以作為構(gòu)建抗癌藥物遞送系統(tǒng)的納米材料：1)MnO2納米片比表面積大，對(duì)抗癌藥物的裝載效果好；2)MnO2納米片的細(xì)胞毒性較低，其降解所得的Mn2+可以經(jīng)由肝腎代謝和排泄，且Mn是人體微量元素之一，所以生物相容性良好；3)MnO2可以和腫瘤微環(huán)境中的特征性物質(zhì)(GSH、H2O2等)發(fā)生反應(yīng)后降解，隨之藥物釋放，可以達(dá)到藥物靶釋和控釋的目的，從而降低藥物體系對(duì)非腫瘤組織的毒副作用；4)MnO2納米片與H2O2反應(yīng)后產(chǎn)生的O2有利于改善腫瘤缺氧，從而增強(qiáng)O2依賴的光動(dòng)力治療療效，同時(shí)其引發(fā)的類芬頓可以用于癌癥的化學(xué)動(dòng)力學(xué)治療；5)MnO2降解后所得的Mn2+可以用作MRI的對(duì)比增強(qiáng)試劑，有助于實(shí)現(xiàn)腫瘤的診斷。

現(xiàn)在許多研究通過MnO2納米片負(fù)載不同類型的抗癌藥物或復(fù)合不同的納米材料，構(gòu)建多種治療方式協(xié)同作用并以MRI診斷為指導(dǎo)的多功能納米藥物診療體系。以下綜述了MnO2納米片在腫瘤光動(dòng)力治療、化學(xué)動(dòng)力學(xué)治療、光熱治療以及化療中的應(yīng)用。

3.1 基于MnO2納米片的癌癥光動(dòng)力治療

光動(dòng)力治療(Photodynamic therapy, PDT)是指在O2存在的條件下，光激發(fā)光敏劑產(chǎn)生活性態(tài)氧(Reactive oxygen spieces, ROS)致使腫瘤細(xì)胞發(fā)生細(xì)胞凋亡或壞死而產(chǎn)生殺傷力的一種癌癥治療方法。與傳統(tǒng)療法相比，PDT因其系統(tǒng)毒性低和選擇性高而成為近年來抗腫瘤治療的研究熱點(diǎn)[32-33]。

Zeng等[34]制備了具有廣泛NIR吸收和pH依賴降解性的超薄MnO2納米片。用聚乙二醇環(huán)精氨酸-甘氨酸天冬氨酸三肽(PEG-cRGD)修飾后，將MnO2納米片作為光熱劑和納米載體封裝二氫卟吩e6(Ce6)用于癌癥靶向光熱治療(PTT)和PDT(如圖3)。正如預(yù)期的那樣，MnO2-PEG-cRGD納米片表現(xiàn)出高的Ce6負(fù)載能力(351 mg·g-1)、較高的光熱轉(zhuǎn)化性能(37.2%)和優(yōu)異的穩(wěn)定性。這些納米片還表現(xiàn)出pH和NIR誘導(dǎo)的Ce6釋放。此外，MnO2納米片可以通過與酸性微環(huán)境中的H2O2反應(yīng)而降解，從而能夠原位升高氧濃度，逆轉(zhuǎn)腫瘤缺氧。由于這些良好的性質(zhì)和cRGD介導(dǎo)的腫瘤靶向能力，制備的MnO2-PEG-cRGD/Ce6納米復(fù)合材料可以被α-vβ-3(αvβ3)整合素過度表達(dá)的前列腺癌PC3細(xì)胞有效攝取，并在660 nm NIR激光下獲得良好的治療效果，這也通過體外研究得到了驗(yàn)證。

圖3 MnO2-PEG-cRGD納米片在腫瘤診療中的應(yīng)用[34]

3.2 基于MnO2納米片的癌癥化學(xué)動(dòng)力學(xué)治療

化學(xué)動(dòng)力學(xué)療法 (Chemodynamic therapy, CDT) 是一種新興的抗癌手段，通過過氧化物酶樣催化、金屬催化或過渡金屬基芬頓反應(yīng)，增強(qiáng)細(xì)胞內(nèi)ROS。過渡金屬(Fe、Cu 和 Mn)衍生物通過與腫瘤微環(huán)境中的H2O2、GSH發(fā)生芬頓反應(yīng)產(chǎn)生毒性羥基自由基 (·OH)對(duì)腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生殺傷力[35]。與PDT相比，CDT無需光照和O2的存在，有利于深層缺氧腫瘤的治療。

Wang等[36]開發(fā)了一種核殼等離子體納米材料(Au@MnO2-DNA)，該材料由AuNP核心和MnO2納米片外殼組成，外層裝飾有熒光團(tuán)修飾的DNA。基于等離子體納米顆粒獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)和殼體MnO2的氧化性，散射信號(hào)和熒光(FL)信號(hào)的變化與GSH的表達(dá)水平有關(guān)，在光學(xué)顯微鏡設(shè)備上成功實(shí)現(xiàn)了一鍵切換的雙模成像分析。同時(shí)，MnO2與GSH反應(yīng)產(chǎn)生的Mn2+產(chǎn)物不僅作為智能化學(xué)動(dòng)力學(xué)藥物，引發(fā)芬頓樣反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)癌細(xì)胞的CDT，而且緩解了細(xì)胞內(nèi)GSH在癌癥治療中的副作用。

3.3 基于MnO2納米片的癌癥光熱治療

光熱治療(Photothermal therapy, PTT)是指用NIR照射具有光熱轉(zhuǎn)換性質(zhì)的材料，通過熱消融殺死腫瘤細(xì)胞的一種治療方法。PTT作為一種非侵入性的癌癥治療方法近年來被廣泛用于腫瘤治療中。

Li等[37]利用MnO2納米片和葡萄糖氧化酶(GOX)的協(xié)同作用和高反應(yīng)性的優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)建了多功能MPDA@MnO2-MB-GOX納米放大器，用于增強(qiáng)PTT，PDT和饑餓治療。在腫瘤微環(huán)境(TME)中，介孔聚多巴胺(MPDA)表面的MnO2納米片可與內(nèi)源性H2O2反應(yīng)生成O2以緩解腫瘤缺氧，從而提高PDT和GOX催化的功效。在GOX催化下葡萄糖的消耗將增強(qiáng)TME的酸度，增加細(xì)胞內(nèi)H2O2濃度，從而促進(jìn)MnO2納米片產(chǎn)生O2，形成有效的級(jí)聯(lián)反應(yīng)，最大限度地提高功能劑的功效。此外，MPDA在808 nm激光照射下產(chǎn)生的熱量可以加速化學(xué)反應(yīng)，從而進(jìn)一步提高協(xié)同治療效果。體外/體內(nèi)結(jié)果強(qiáng)調(diào)，通過用功能納米系統(tǒng)調(diào)節(jié)不利的TME可以促進(jìn)癌細(xì)胞的死亡并抑制腫瘤，這突出了制得的MPDA@MnO2-MB-GOX納米材料克服光療局限性的前景。

3.4 基于MnO2納米片的癌癥化學(xué)治療

化療是癌癥治療最主要的手段。然而高細(xì)胞毒性的化療藥物通過非選擇性誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡或壞死對(duì)正常組織會(huì)產(chǎn)生明顯的副作用，這是當(dāng)前化療的主要障礙之一[38]?，F(xiàn)在對(duì)化療的研究主要是為了增強(qiáng)其選擇性，降低機(jī)體耐藥性。

Zhao等[39]制造了基于DNA適配子和MnO2納米片的GSH和腺苷-5′-三磷酸(ATP)雙敏感納米平臺(tái)，可用于抗腫瘤藥物控釋和MRI。利用DNA可調(diào)性，將AS1411適配體結(jié)合核素(一種在腫瘤相關(guān)內(nèi)皮細(xì)胞上特異性表達(dá)的蛋白質(zhì))與ATP適配體及其cDNA一起加載抗癌藥物DOX。在MnO2納米片和AS1411適配子的幫助下，形成的DNA-DOX復(fù)合物被遞送到腫瘤區(qū)域。然后，在ATP適配體和GSH的協(xié)同作用下，實(shí)現(xiàn)了腫瘤細(xì)胞中藥物的按需釋放。研究發(fā)現(xiàn)，如果沒有MnO2納米片的結(jié)構(gòu)被GSH破壞，即使在ATP存在下，DOX也幾乎無法釋放。同樣，如果沒有ATP，即使有GSH作用，DOX也無法釋放。進(jìn)一步將Mn2+的MRI能力和化學(xué)治療相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了抑制腫瘤生長(zhǎng)和成像的改善效果。

4 總結(jié)和展望

綜述了MnO2納米片在生物傳感和生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用研究進(jìn)展，介紹了MnO2納米片在生物傳感、生物成像和癌癥治療方面的應(yīng)用。雖然近年來對(duì)MnO2納米片的研究越來越廣泛，但與GO等二維納米材料相比，其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究仍處于起步階段。此外，盡管MnO2的毒性較低，但其藥物代謝動(dòng)力學(xué)機(jī)制、細(xì)胞攝取機(jī)制和長(zhǎng)期毒性等生物相容性相關(guān)的研究仍然不夠完善。今后對(duì)于MnO2納米片的研究，除了探尋其對(duì)于生物有機(jī)體達(dá)到更高治療效果的措施之外，還應(yīng)關(guān)注MnO2納米材料的生物毒性和生物代謝降解途徑，以確保用藥安全。