納米醫學診斷與治療技術研究新進展

賈文霞

北京大學醫院，北京 100871

作為醫學領域中的新興分支學科，納米醫學主要研究納米尺度的生命現象，從納米尺度來進行原來不可能達到的醫療和防治。這是因為當材料的結構基元尺寸小到納米量級的時候，其性能會有意想不到的變化；同時納米量級與生命物質的結構單元尺度相匹配，能更加有效的與生物體進行物質和能量交換，從而提高治療效果。納米醫學可分為兩大類：一是傳統分子醫學的延伸，即在分子水平上進行醫學研究，基因藥物和基因療法等就是代表性實例；二是把化學和材料領域的納米研究新成果引入醫學領域，如發展新型納米材料并用于疾病診斷和醫療等。很多納米材料都展現出誘人的醫學應用前景。這些新方法極大地促進了納米醫學概念的形成，吸引了眾多基礎研究和臨床實驗興趣。經過近二十年的大發展，納米材料用于診斷的方法學已日趨完善，國際上研究重點正逐漸轉移到使用納米材料進行疾病治療。國際上納米醫學發展標志性事件包括于2004 和2005年分別新出版的專業期刊Nanomedicine、Nanomedicine：NBM Nanotechnology，Biology and Medicine 和Int J Nanomedicine等。前些年曾有國內學者分別歸納過該領域進展，如納米技術在癌癥早期診斷和治療中的部分研究進展[1]，葉成紅等[2]歸納了納米技術在止血材料、骨科移植材料、血管支架材料等領域的研究進展。鑒于該領域發展很快，本文將納米醫學診斷與治療技術研究最新進展進行綜述。

1 納米診斷材料

癌癥早期精準檢測診斷對其治療具有重要的意義，目前，許多癌癥患者因種種原因未能在早期檢出，因而延誤了病情。以腸癌為例，我國早期臨床診斷率低于20%，超過80%患者確診時已發展至中晚期。如能發展更為方便靈敏的早期檢測方法，早治療，術后5年生存率可達90%以上。腫瘤發生是多種基因參與的結果，腫瘤的浸潤與轉移表達能夠用一套分子標志物來預測與表征[3]。腫瘤標志物的傳統檢測方法存在敏感性與特異性方面的問題。對于早期診斷來說，診斷靈敏度是其中至關重要的因素。利用納米粒子的獨特的光、電、熱、磁和力學性能，可以顯著增強檢測的靈敏度與特異性，納米技術推動了疾病診斷技術的快速發展。

目前，基于納米粒子的腫瘤疾病診斷技術主要包括早期腫瘤標志物檢測技術、活體動態多模式影像診斷技術等。例如，將能夠識別腫瘤細胞表面受體的特異性配體與納米粒子結合，待納米粒子與腫瘤細胞特異性結合后，利用物理方法如測試傳感器中的磁訊號、光訊號等，通過成像系統顯影，能夠對體內是否存在惡性腫瘤進行早期診斷。除了診斷功能外，利用納米診斷材料與腫瘤細胞結合的特性，進行腫瘤細胞示蹤與捕獲殺滅，實現診斷-治療一體化是腫瘤納米診斷治療技術的重要目標，也是本領域的研究熱點[4-5]。

量子點又稱半導體納米微晶體，直徑1～100 nm，是半徑小于或接近于激子玻爾半徑的一類半導體納米粒子。量子點具有一般納米微粒的基本性質如表面效應、體積效應和量子尺寸效應，在激發光的誘導下會產生熒光，具有寬的激發光譜、窄的發射光譜、可精確調諧的發射波長、可忽略的光漂白等優越的熒光特性，是一類應用于光學分子影像的納米材料，可以同時使用多種顏色的探針而不會發生波譜重疊現象。量子點被用作熒光探針用于細胞的標記和光學探針，特別適合于活體細胞成像和多組分同時檢測。為某些腫瘤的早期診斷提供一種新型分子診斷手段。同時，量子點又可以作為一種新型的光敏化試劑用于某些腫瘤光動力學治療。化合物半導體量子點尚存在毒性問題，最近發展的碳量子點具有生物相容性優異的特點，有望真正獲得臨床應用。

金納米粒子因為其獨特的表面等離子共振效應被用作光學造影劑和傳感器[6]，其具有良好的生物相容性和穩定性，尤其是具有較高的電子密度和X 射線吸收系數，在100 KeV 下，金的吸收系數是碘造影劑的2～3倍，可用于腫瘤的診斷等。利用金納米顆粒結合雜交DNA 片段，能夠很容易地穿透細胞膜進入細胞核與核內染色體結合，并具有較高的特異作用。碳量子點是2004年發現的一種新型碳材料[7]，與傳統量子點和有機染料相比，不僅擁有發光范圍可調，雙光子吸收截面大，光穩定性好，無光閃爍，而且碳材料毒性小，生物相容性好的優點，易于規模制備和功能化，價廉，是一種臨床應用前景很好的新型成像檢測納米材料。

2 藥物及基因納米傳遞體系

近年來藥物控制釋放技術的發展使給藥具有定時、定向、定位、速效、高效、長效等特點。為了實現這些靶向給藥、智能釋藥的要求，藥物控制釋放系統逐漸向小尺寸發展，這意味著生物醫用材料與納米技術的結合是這一領域必然的發展方向。目前大部分抗癌藥物是疏水性的，很容易被人體內的一系列排斥反應排出體外，如癌細胞的多藥耐藥和酶降解作用等。這大大限制了癌癥等疾病治療的有效性。而兩親性高分子形成的納米粒子可以作為藥物載體，把藥物包埋在疏水核內，表面由納米粒子的親水層保護，這樣藥物便可被輸送到腫瘤部位等，從而起到有效治療癌癥的作用。目前臨床上使用的大多數抗癌藥物，由于缺乏靶向性和特異性殺死癌細胞的能力，導致在治療癌癥的同時對機體正常組織產生嚴重的毒副作用，已成為癌癥治療面臨的棘手問題和最大障礙之一。

通過將藥物納米化，可以顯著增加藥物的溶解度，提高藥物的生物利用度，保護藥物或減少藥物被降解或清除，延長藥物發揮作用的時間，增加藥物對腫瘤組織的靶向性等。納米顆粒被動靶向腫瘤組織的能力基于腫瘤組織中發育不完善的多孔性脈管系統，后者為循環納米顆粒藉超通透和蓄積效應進入其中奠定了重要的結構基礎。目前只有 Abraxane（paclitaxel-albumin bound）、Myocet（doxorubicin liposomes）、Doxil（doxorubicin liposomo-PEG）等幾種納米藥物進入臨床應用于患者癌癥治療[8]。納米藥物的形狀對納米給藥系統在血液中循環時間與穩定性存在顯著影響[9-10]。對比蠕蟲狀和球型膠束的血漿清除研究發現其形態對藥物的輸送過程及療效均有影響，肝脾對蠕蟲狀膠束的攝取能力非常低，因而其血液循環時間非常長，但蠕蟲狀膠束穿過腫瘤毛細血管的能力較差。一般納米藥物載體主要有兩部分：起載體作用形成囊泡的惰性組分和生物活性靶向基團。載藥量低是通常遇到的問題，如脂質體載藥量只有10%，為了實現增加載藥量，可將藥物分子直接作為載藥組分，這樣不僅可增加載藥量、減少了惰性組分所占比例，而且降低了給藥時的暴釋，如利用喜樹堿（camptothecin，CPT）疏水性，將其接上親水聚乙二醇（PEG）短鏈，形成雙親類磷酯大分子，該體系形成囊泡后，CPT 載藥量可高達58%且無暴釋，其空腔中還可載入親水性抗癌藥阿霉素（Doxorubicin，DOX），這樣可高載藥量實現兩種抗癌藥同時負載，實現聯合化療，盡可能最大化殺滅癌細胞，減少復發和產生耐藥性機會，協同殺死癌細胞[11]。與此類似，還可將姜黃素（curcumin）接上PEG 鏈，大大增加載藥量[12]。

3 靶向納米控釋給藥

克服耐藥性的方法主要有兩種：其一是多種藥物聯合化療，其二是使用多藥耐藥抑制劑逆轉腫瘤細胞的耐藥性，配合抗癌藥殺死癌細胞，這兩種方法都需要控制藥物在腫瘤細胞上定點、定量的精確作用，因此采用納米給藥并靶向傳輸是理想選擇，如何使藥物能夠高效地到達體內的靶部位一直是藥物控制釋放的一個關鍵問題。通過藥物傳遞系統可以將藥物運送到與疾病相關的特定的器官、組織或細胞。例如靶向到腫瘤、大腦、肝細胞、巨噬細胞等，可以提高靶部位的藥理作用強度并降低全身的不良反應，提高藥品安全性、有效性，是治療癌癥等疑難疾病的重要方法。

藥物的靶向釋放分為被動靶向和主動靶向。一定尺寸范圍的微米級、納米級藥物傳遞系統通常具有被動靶向性，被動靶向給藥系統對靶細胞并無識別能力，但可經尺寸效應到達靶部位進行釋藥。由于疏水性粒子在進入體循環時易被快速清除，如網狀內皮系統的巨噬細胞吞噬，從而影響藥物到達靶區，通過表面親水性PEG 修飾等方法可以延長其在體內的循環時間。制備體內穩定性好的藥物傳遞系統是實現靶向給藥的關鍵點之一。主動靶向給藥系統則具有識別靶組織或靶細胞的能力。通過引入靶向基團可使納米藥物傳遞系統具有主動靶向能力，可以將藥物運送到特定的器官、組織或細胞，是治療癌癥等疑難疾病的重要方法。常見的靶向基團包括多肽、蛋白質類，如抗體及抗體片段、轉鐵蛋白等，維生素類如葉酸、生物素等，碳水化合物類如半乳糖等[13]。

葉酸是細胞所必需的維生素，參與多種代謝途徑的一碳轉移反應。葉酸的細胞轉運通過兩種跨膜蛋白，即低親和力的還原性葉酸載體和高親和力的葉酸受體來完成。葉酸具有與葉酸受體的高親和力、低免疫原性、易于修飾、體積小、高度化學穩定性和生物學穩定性、高的腫瘤滲透性、以及低成本等優點，因此葉酸介導腫瘤靶向的研究得到迅速發展[14]。與單靶向體系相比，在納米粒子的表面同時引入不同的兩種靶向基團可明顯提高靶向效果[15]。

具有細胞靶向作用的多肽稱為靶向肽。研究最多的是對腫瘤具有識別能力的多肽[16]。例如酪氨酸-異亮氨酸-甘氨酸-絲氨酸-精氨酸五肽YIGSR 似的活性有效部分，可與癌細胞表面大量的層粘連蛋白受體識別，具有腫瘤細胞靶向性，另一方面，它通過競爭與腫瘤細胞的相應黏附因子結合，封閉了腫瘤細胞與體內正常細胞的細胞外基質和基底膜上層粘連蛋白結合的可能，抑制腫瘤的轉移[17]。

特羅凱（鹽酸厄洛替尼片）是2007年羅氏醫學部在中國上市的新型高效的靶向治療藥物，用于晚期非小細胞肺癌在既往化療失敗后的三線治療。這一藥物適用于所有非小細胞肺癌患者，是目前世界上唯一被證明能夠顯著延長非小細胞肺癌患者生命的靶向抗癌藥物，分別于2004年11月和2005年9月在美國和歐洲通過審批，用于化療失敗后的非小細胞肺癌的二或三線治療，在全球超過75個國家批準上市。Zhou等[18]對比特羅凱單藥與化療用于表皮生長因子受體EGFR 突變肺癌患者一線治療的研究最優化方案，最終證實了接受靶向治療的有效率高達83%，患者中位無進展生存達13.7個月；而普通化療有效率僅為36%，患者中位無進展生存為4.6個月。

利用生物體內蛋白納米微結構作為藥物載體形成納米醫藥是很有意義的方向，有望得到理想的藥物傳輸系統。穹隆體存在于哺乳動物細胞的細胞質中，最大的穹隆體是核糖核蛋白復合物，其大小在100 nm 以下。內部中空的穹隆體一般為桶形結構，可以封裝各種蛋白。由于自身是天然蛋白質，所以不會產生免疫應答。穹隆體可以定位細胞表面受體，并可通過微孔緩慢釋放藥物。利用穹隆體遞送藥物的難點在于如何將藥物封裝在穹窿體內。采用了納米小碟技術[19]，利用可與穹隆體結合的脂蛋白形成納米小碟的雙層脂膜，然后用不溶性的全反式維甲酸封裝穹隆體，進而解決了這一難題。這樣就把載有藥物的納米小碟裝入了穹隆體，從而屏蔽外部介質。由于穹隆體可以容納很多納米小碟，大大提高了局部藥物濃度。

4 環境響應性給藥納米體系

可以利用癌癥細胞和正常細胞組織微小的環境差異，例如癌癥細胞內外pH 在5.0～6.8 或溫度稍微高于體溫，改變聚合物分子鏈之間或者聚合物分子鏈與溶劑之間的相互作用，從而使其本身發生結構、形狀或者性能上的改變，來實現藥物對癌癥細胞的釋放而達到僅殺死癌癥細胞的目的。近年來，作為一種非常有效的抗癌藥物，硼替佐米（Bortezomib，萬珂）已經被批準應用于多發性骨髓瘤的臨床治療，且在治療初治或難治多發性骨髓瘤以及非霍奇金淋巴瘤（NHL）等其他血液系統惡性腫瘤，因其擁有顯著的療效而受到越來越廣泛地關注[20]。由于硼替佐米分子上硼酸基團的存在，其可以與含有1，2 或者1，3-二羥基的分子或者聚合物在中性或者堿性條件下實現絡合，并在酸性條件下可實現解絡合。這樣的pH 依賴性的相互作用，已經利用并報道了含有苯鄰二酚基團的PEG對硼替佐米在pH=7.4 或者堿性下的有效負載和在pH=5時的可控釋放[21]。含有雙硫鍵的給藥系統因二硫鍵對還原物質敏感，在藥物釋放領域具有重要意義，例如，當包載藥物的含二硫鍵給藥體系進入細胞時，二硫鍵會被細胞內谷胱甘肽酶還原而迅速降解[22]，釋放出藥物。含二硒長鏈藥物載體具有比含二硫基團的體系具有更為靈敏的氧化還原響應性，在很溫和的氧化（0.01%雙氧水）或還原條件下（0.01%谷胱甘肽）就可實現疏水二硒鏈段斷裂，使納米微膠囊解離并釋放包載的藥物，同時，很低劑量的伽馬射線（5 Gy）就能使二硒鍵斷裂，為獲得的化療與低損害放療聯合治療腫瘤提供了一種新途徑[23]。

5 結語

納米技術在預防與控制癌癥等疾病方面將大有作為，在納米醫學領域，待解決的問題主要包括以下幾點：一是如何拓展在藥物治療方面的用途，目前直接用于治療的納米微粒只有有限幾種，且集中在對癌細胞的殺滅研究，大多數納米材料的優良性能還沒有得到有效利用；二是開發方便耐用的醫用材料和藥物，用特定的納米復合結構和材料實現藥物的廣譜、速效治療；三是把納米技術和基因療法相結合，降低因基因載體選擇不當造成的排異反應。目前具有挑戰性的問題是如何提高體內靈敏度，以及消除潛在毒性。此外，納米材料與人體相互作用的長期后果還不清楚，納米醫學材料生物安全性越來越被人們重視，在設計材料的同時，其生物安全性成為研究工作首要考慮的因素[3，24]。隨著今后納米醫藥領域深入系統的研究，有望為許多疾病治療和診療進步提供新技術。

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