應激納米材料在生物醫藥前沿領域的應用

蔣華麟，陳萍華

（南昌航空大學環化學院，江西南昌330063）

應激納米材料在生物醫藥前沿領域的應用

蔣華麟，陳萍華

（南昌航空大學環化學院，江西南昌330063）

應激納米材料的大小適合與充滿納米級別生物分子的生物體系相互作用，能夠從亞細胞水平上影響生物體系，納米材料的應用正在帶動生物醫藥領域發生前所未有的技術革命。本文綜述了應激納米材料在生物醫藥科學前沿領域的最新應用，著重討論了納米材料的設計，激活機制，納米范圍的作用效應，這些對實現人工控制生物系統的行為或收集生物系統的信息具有非常重要的意義。

應激；納米材料；生物醫藥

應激納米材料是指受到刺激（磁場、熱、光和聲波等）能發生化學或物理變化的納米材料。這一材料在生物醫藥領域的應用在近幾年引起了極大的關注。生物分子例如DNA、RNA和酶很容易與納米級別大小的藥物或其他納米級別的分子發生相互作用，這一特性促使了納米材料在生物醫藥領域的應用大發展。

1 激活納米材料的刺激

多種外部物理刺激（磁場、熱、光、聲）和與納米材料接觸的化學刺激（水分子、pH值、氫鍵、活性氧自由基、酶）都能夠對納米材料產生作用。納米材料會對刺激做出各種反應，包括產生熱、光、體積變化、運動、化學反應等，這些行為會影響宿主細胞及周圍的組織，或者能夠收集和報告生物體信息。

辛芳等[1]初步探討了納米Zn/Al-水滑石對Hela細胞的氧化應激效應,結果表明：較高濃度的納米Zn/Al-水滑石對Hela細胞可產生一定的氧化應激效應,較低濃度的納米Zn/Al-水滑石則具有一定的生物相容性。葉社房等[2]以人肺上皮細胞系A549為模型細胞，探討多壁碳納米管的細胞毒性效應及其機制。多壁碳納米管處理A549細胞2 h后，誘發細胞線粒體膜電位下降；多壁碳納米管誘導細胞氧化應激的同時伴有適應性應激蛋白HO-1的上調表達。結果表明，細胞氧化應激和線粒體膜電位去極化可能是多壁碳納米管誘導A549細胞毒性效應的重要機制。

2 磁場作用下的磁納米顆粒

磁性納米粒子的運動和排列能夠被外界磁場引導。將磁性納米粒子裝入細胞內或固定于細胞表面可以用來很好地操控細胞的行為，并且不會對細胞帶來傷害。Ingber等[3]以完美的設計制備了一種磁性納米粒子，可以通過調節細胞膜上受體的聚集實現細胞的信號轉導。他們用橡果細胞表達血漿膜FcεRI受體，該受體能夠與IgE分子的Fc部分結合，結合作用可以通過免疫監測得到反映。正常情況下，這些受體-抗體復合物不會聚集，但當多價態抗體結合至IgE時，FcεRI受體會聚集在細胞表面形成簇，這一事件會觸發胞質內鈣離子濃度陡然升高，接著在局部產生炎癥反應。Ingber和同事將橡果細胞用對二硝基苯基（DNP）-IgE預處理，然后加入超順磁納米粒子，每個粒子在細胞表面大約可結合30個DNP。多價態納米粒子的結合導致IgE-FcεRI復合物的聚集，觸發Ca的表達信號。當每個納米粒子結合DNP的數量降到3時，不再能觀察到Ca信號，提示不再有IgE-FcεRI復合物的聚集。再用每個只結合1個DNP的超順磁納米粒子處理細胞，當將細胞置于磁場環境時，超順磁納米粒子聚集導致形成IgE-FcεRI復合物簇，誘導產生Ca信號，然而無外界磁場時，不能觀察到Ca信號。如此一來，他們可以通過控制外界磁場的開/關來引導細胞Ca信號的開/關。這個例子清楚地表明，依靠納米粒子相互作用完成的細胞行為可以輕易地通過操縱相應大小納米粒子的行為來控制。另外，Tseng等[4]報道了用內載磁性熒光納米粒子的細胞與鐵磁性底物相互作用的研究。鐵磁性底物可以定位細胞內的磁性納米粒子，定位的結果可以通過明亮的熒光斑點確認。這種可視的細胞內定位化學和磁信號的技術可以極大地輔助用磁性納米粒子實現對細胞內的刺激和胞內信號的誘導。Radu Popa等[5]研究了在無機氧化還原緩沖液中氧化應激對趨磁細菌的磁性顆粒生長有變矮小的影響。

3 光敏納米材料

活性氧自由基（ROS）可用于癌癥治療，因為ROS對多數細胞是有毒害的。目前有很多光敏的ROS前體可以利用，它們大多能被紫外（UV）或可見光激活而釋放ROS殺死細胞。但利用它們進行癌癥治療的問題在于，如何在體內產生激活光波。利用外界的UV或可見光是不可行的，因為UV和可見光穿透組織的能力很弱。Zhang等[6]設計了一種極為聰明的在體內產生可見光的方案。他們在NaYF4上覆蓋一層中孔硅，在其中載入光敏酞菁染料，并制成納米顆粒。當用具較強組織穿透能力且生物損害較小的近紅外光波（NIR）照射時，NaYF4納米顆粒被激發放出可見光，刺激其中的光敏酞菁染料產生ROS殺死癌細胞。

Zink等[7]報道了利用光誘導的偶氮化合物的順-反異構化控制藥物釋放的方法。他們在偶氮化合物修飾的中孔硅顆粒上負載染料或抗癌藥物，當用413 nm波長的光照射時，偶氮化合物從反式變成順式，造成中孔硅中小孔的開放，從而卸載藥物。雖然他們的方法非常有意義，但是所用光波的高能量和低穿透能力是該方法用于臨床試驗最大的瓶頸。

高能量及細胞內的巰基-二硫鍵交換反應能夠斷開金屬—S鍵或S—S鍵，這些鍵的不穩定性可被方便地用來結合抗癌藥物或治療基因并在合適的時機釋放它們。Reich等[8]通過Au—S鍵將小分子干擾RNA（siRNA）結合到Au納米殼表面，再利用NIR照射切斷已處于細胞內的Au納米材料的Au—S鍵，從Au納米殼上釋放siRNA，這樣可以實現用siRNA作用細胞但又不影響到正常的細胞行為。

研究細胞依環境而改變的行為可以為理解細胞的功能提供大量的信息。Anseth等[9]報道了以含有光敏劑硝基芐基酯的PEG基質水凝膠考察細胞形態的研究。他們通過不同能量強度的輻射來控制水凝膠的降解程度。他們將人骨髓間充質干細胞（hMSC）封裝于光降解水凝膠，并用365 nm的光波照射它們，沒有觀察到細胞活性受到顯著地不良影響，4 d后，在輻射水凝膠的上部（上部～100μm處）觀察到細胞的擴展，在那里水凝膠的交聯密度顯著低于其它地方。他們認為這類膠可以通過考察水凝膠和聚合物密度對細胞形態及細胞分化的影響這種形式來模擬研究三維環境對細胞的發育和行為的影響。

4 pH-應激納米材料

癌癥治療的終極目標是選擇性地殺死癌細胞而不影響周圍的正常細胞和正常組織。為達到這一目的發展出了多種定位方法。顯然最直接的定位方法是將癌細胞的特異性作用物質如抗體附著于抗癌藥物的運載載體，但必須保證運載的藥物不會在經靜脈輸送時過早地被釋放，或在經網狀細胞系統吸收后在錯誤的地點被釋放。一個策略是利用正常細胞和癌細胞內pH值的差異。因為癌細胞外的pH值（為5.5至7.2）比正常細胞外的低（這主要是由于癌細胞的糖酵解反應比正常細胞的強烈），能對低pH值應激的藥物載體將可以選擇性地只在低pH值環境下釋放藥物。Chilkoti等[10]精心設計了一種獨特的具有pH值應激行為的藥物載體。他們通過一段對pH值敏感的鏈將一段親水的肽段（CP）與一個疏水的抗癌藥物doxorubicin（DOX）連接成了一個兩性的復合物。這個兩性復合物通過自組裝在水中形成納米顆粒，疏水的DOX被包裹在內，親水的肽段暴露在外。這個裝載了藥物的納米粒子能夠輕易地通過鏈的斷裂在pH值為5左右時釋放DOX，而在pH值為7.4時觀察不到藥物的釋放。

癌細胞內的低pH值條件可以消化一些無機材料例如CaCO3。Ma等[11]制備了中空的CaCO3亞微粒子顆粒，并向其中裝載抗癌藥物DOX。這種中空的CaCO3顆粒本身對HepG2癌細胞無毒，但當這種顆粒裝載藥物進入癌細胞后，在其中的低pH條件下顆粒的無機外殼被溶解，抗癌藥物被釋放，可以起到殺死癌細胞的作用。在一項相關的研究中，Adair等[12]報道了有機小分子能促使磷酸鈣形成納米顆粒，這顯示可以用磷酸鈣骨架來捕獲有機小分子。在他們的報道中，使用的有機小分子是有機染料，在癌細胞內的低pH條件下，磷酸鈣骨架被溶解從而有機染料被釋放至癌細胞內。很顯然，基于這項研究，可以以抗癌藥物代替有機染料從而實現抗癌藥物在癌細胞內的釋放。

5 雜合DNA誘導產生表面張力

單鏈DNA和雜合雙鏈DNA在水合作用時表現出的不同行為可以用來探測目的RNA。Tamayo等[13]在Si基質的金屬表面覆蓋了一層致密的納米級單層單鏈DNA，發現在發生水合作用時單層單鏈DNA能誘導表面張力的突然躍增。這是因為，在低濕度條件下，首批結合于單鏈DNA的水分子會吸引鄰近的單鏈DNA分子靠攏，引起金表面收縮從而增加表面張力。而在雙鏈DNA分子中，被束縛于雙鏈DNA分子之間的水分子會竭力排斥鄰近的DNA分子，導致金屬表面擴張，表面張力不但不會增加，反而會顯著地下降。在相關的工作中，Yan等[14]利用DNA折疊法制備了自組裝的單鏈DNA。該DNA非常柔軟易動，無法被DNA探針檢測到。但是當它與相應的RNA雜合成雙鏈后，就變得剛性而不易動，從而可以利用相應DNA探針檢測。這一技術的RNA檢出量非常低，可被用來檢測樣品中是否有目的RNA存在。

6 金屬離子誘導的納米材料自組裝

Liedberg等[15]報道了利用Au納米粒子的聚集狀態探測目的蛋白的方法。他們在Au納米粒子表面覆蓋上兩種多肽，一種多肽在Zn2+存在下發生折疊從而造成Au納米粒子的聚集，另一種多肽是被探測蛋白的受體。在沒有被探測蛋白時，Au納米粒子是懸浮而獨立的粒子，呈現紅色。當加入Zn2+后，多肽折疊造成Au納米粒子的聚集，呈現藍色。當存在需探測的目的蛋白時，Au納米解聚重新懸浮于緩沖液中，溶液重新變回紅色。

Sia等[16]報道了一種可逆控制水凝膠結構的方法。他們混合了兩種完全不同的材料，一種是膠原質（具有微滲孔結構），一種是藻酸鹽（具有納米滲孔結構），通過金屬離子誘導藻酸鹽的交聯可以控制水凝膠的交聯程度。他們通過加入Ca2+誘導水凝膠的關聯，通過加入檸檬酸鈉誘導水凝膠解除交聯。他們將細胞置于未交聯的膠原質-藻酸鹽水凝膠中任其擴散，而后誘導水凝膠交聯來捕獲擴散中的細胞的形態。這種可逆地操控細胞生長介質的能力使人們能更好地理解細胞生長的動力學過程，并可為最終實現對細胞行為的完美控制積累理論知識。

7 總結和展望

應激納米材料在諸如癌癥的診斷和治療等生物醫藥領域的應用方面表現出良好的前景，并且加深了我們對生物系統的理解。以前難以想像對細胞的生長和分化等行為實現人工控制，而現在通過納米材料有望達成這一愿望，一旦夢想成真，將可能導致干細胞治療和組織工程學領域革命性的進步。應激納米材料的微觀體積和它們納米尺度范圍的定位效應，再加上能被多種宏觀手段激活的特性，為實現人工精確控制生物系統描繪了迷人的前景。因此，在可以預見的將來，對應激納米材料的持續關注可能會導致發展出新的基于納米材料的交互式技術應用于生物醫藥領域。但是，需要特別引起注意的是，納米材料的安全性，特別是應用于醫療領域的納米材料的安全性，必須經過人體試驗的徹底檢查；納米材料的生物相容性和生物降解性，或者至少是被安全排出體外的通路必須被徹底地研究。而且，其技術的可實現性和可重復性將是應激納米材料能否最終用于生物醫藥領域的重要決定因素。

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1008-1267（2011）02-0004-04

2010-11-04

蔣華麟（1979-），男，講師，主要研究精細化工材料方面。