金納米顆粒在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

李貝貝，李 屹，劉惠亮

生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展與新材料的產(chǎn)生和現(xiàn)有材料的優(yōu)化升級有著不可分割的聯(lián)系。近年來，納米材料與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的不斷融合，形成了納米生物醫(yī)學(xué)這樣的交叉學(xué)科，其應(yīng)用已涉及到疾病的診斷監(jiān)測及治療各個(gè)方面。金納米顆粒（gold nanoparticles，AuNPs）是直徑分布于1～100 nm之間的金顆粒，作為納米家族的重要成員之一，具有低毒、易于表面修飾、生物相容性強(qiáng)、獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，能夠精細(xì)調(diào)控粒徑、形狀和表面性能[1]。這些特性由其尺寸形狀及表面修飾涂層決定，表面修飾的生物分子能夠調(diào)控顆粒的穩(wěn)定性、溶解度及與周圍生物環(huán)境之間的相互作用[2]。因其表面具有較強(qiáng)的結(jié)合硫醇和胺的能力，制備成的多功能金納米新型材料已被廣泛應(yīng)用于各種生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，包括成像、遞送、治療和心肌組織工程[3-5]。本研究主要從AuNPs的合成及特性與在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用兩方面探討該材料的應(yīng)用前景。

1 AuNPs的合成及特性

1.1 合成 AuNPs通常在水溶液中以膠體金形式存在，其常見的合成方法是生物[6]和化學(xué)[7]方法。化學(xué)方式中制備膠體金較經(jīng)典的方法是使用檸檬酸三鈉來還原金鹽，調(diào)整金與檸檬酸鹽的比例以調(diào)控AuNPs尺寸[8]。但采用此方法合成的AuNPs直徑較為單一，難以控制還原速率。由于目前納米金顆粒的制備已進(jìn)入相對成熟的階段，所以應(yīng)用最廣泛的制備方法是晶種生長法，首先制備小尺寸晶種，將晶種作為引發(fā)劑加入到反應(yīng)混合物中，但其產(chǎn)出率較低。因化學(xué)法所需還原劑及各種保護(hù)劑等會對環(huán)境造成不同程度的污染，所以用有效且環(huán)保的方法進(jìn)行納米金顆粒的生物合成逐漸成為近年來的重要研究課題，目前生物合成原材料主要是微生物、植物等，但還處于探索階段[9]，另外物理法制備金顆粒對設(shè)備的要求較高。如何高效合成與人體生物相容性好，對生態(tài)環(huán)境不構(gòu)成威脅，同時(shí)又不丟失其優(yōu)良理化性質(zhì)的AuNPs，仍需進(jìn)一步研究探索。

1.2 特性 AuNPs除了表面積大、優(yōu)越的導(dǎo)電性能、良好的生物相容性、功能化較為簡單、易于進(jìn)入宿主細(xì)胞等性質(zhì)外，還具備獨(dú)特的消光特性，這也一直是科學(xué)界研究的熱點(diǎn)。AuNPs在特定波長的入射光照射下產(chǎn)生的表面等離子體共振效應(yīng)[10]使得AuNPs在吸收和散射光譜會隨其種類、尺寸大小和形狀變化而變化。正因?yàn)檫@些特性使AuNPs能夠廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)中。

2 AuNPs在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

2.1 生物免疫傳感器 基于AuNPs制備的生物傳感器設(shè)計(jì)的基本原理是被功能化或被硫醇化的生物分子修飾，因此在鑒定互補(bǔ)的生物分子時(shí)會導(dǎo)致AuNPs的光學(xué)吸收發(fā)生變化[11]。目前重要的應(yīng)用集中在寡核苷酸與金屬表面的結(jié)合，研究人員合成了多價(jià)脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）的功能化金納米結(jié)合體（DNA-AuNPs），其能夠以高親和力結(jié)合互補(bǔ)核酸，能夠耐DNA降解酶等的降解，以較強(qiáng)的進(jìn)入各種細(xì)胞的能力將核酸引入細(xì)胞中。有研究利用DNAAuNPs的這些特性開發(fā)了新穎的細(xì)胞內(nèi)檢測探針[12]。

免疫傳感器的原理是基于抗體與抗原結(jié)合的一種檢測分析工具。抗原（抗體）官能化的AuNPs與其匹配抗體（抗原）結(jié)合時(shí)導(dǎo)致等離子體吸收轉(zhuǎn)移。其中電化學(xué)免疫傳感器能夠容易且經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行批量生產(chǎn)，堅(jiān)固耐用，并且具有較小的體積及極好的檢測限。有研究將多克隆抗人抗體中的一種癌癥生物標(biāo)志物表皮生長因子受體（epidermal growth factor receptor，EGFR）與檸檬酸鹽包被的AuNPs綴合，用于信號探針，檢測EGFR，其展示免疫傳感器用于監(jiān)測乳腺癌化療效果的潛力[13]。

2.2 光聲成像（photoacoustic Imaging，PAI） PAI是一種生物醫(yī)學(xué)成像模式，通過使用內(nèi)、外源造影劑提供關(guān)于組織細(xì)胞和分子特征相關(guān)功能信息。AuNPs作為外源造影劑，其獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)廣泛應(yīng)用于癌癥、動(dòng)脈粥樣硬化斑塊、腦功能和圖像引導(dǎo)治療的PAI[14]。AuNPs能夠在體內(nèi)長時(shí)間循環(huán)，在疾病部位積累，使PAI完美結(jié)合了高靈敏度優(yōu)點(diǎn)與超聲波成像的高深度穿透能力，得到高對比度、高空間時(shí)間分辨率圖像。

Ma等[15]將氧化石墨烯與金納米星共軛形成GOAuNS-DOTA-Gd共聚物用于腫瘤治療。使用包括PAI和磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）的多模態(tài)分子成像及相關(guān)的處理技術(shù)，監(jiān)測GO-AuNS-DOTAGd的藥代動(dòng)力學(xué)過程，以確定腫瘤最佳治療時(shí)間。MRI用于治療前監(jiān)測原位腫瘤位置、邊緣，然后使用手持式PAI系統(tǒng)確定手術(shù)期間的腫瘤位置并指導(dǎo)光熱療法。研究表明與無手持式PAI指導(dǎo)的常規(guī)光熱法相比，這種協(xié)同方法可以有效地減少腫瘤殘留和衛(wèi)星轉(zhuǎn)移率（高達(dá)85.71%）[15]。這種多模態(tài)分子成像引導(dǎo)光熱治療方法具有良好的臨床應(yīng)用前景。

2.3 藥物遞送 近年來，AuNPs作為靶向生物標(biāo)志物和藥物遞送劑用于診斷和治療癌癥。其通過兩種機(jī)制到達(dá)癌組織：被動(dòng)及主動(dòng)靶向。納米載體在實(shí)體腫瘤中的被動(dòng)積累是基于所謂的高通透性和滯留效應(yīng)效用，是通過新生血管形成的滲漏增加及腫瘤組織中的淋巴引流受損所致。另一方面，通過各種生物靶向分子（如配體）使納米載體表面官能化，從而進(jìn)行主動(dòng)靶向化。

Kalimuthu等[16]發(fā)現(xiàn)肽—藥物—共軛物（peptide drug conjugates，PDCs） 可以提高化療藥物靶向效率，然而較短的半衰期限制了其應(yīng)用。將PDCs用聚乙二醇-AuNPs修飾后，可提高藥物在組織中的穩(wěn)定性及生物相容性，藥物半衰期也由原先的10.6～15.4 min延長至21.0～22.3 h，并且保留了藥物的靶向細(xì)胞毒性能力。

2.4 光熱療法 光熱療法指的是將特異性的生物分子（一般為抗體）結(jié)合到AuNPs的表面，從而使其具有靶向作用，特異性地聚集到腫瘤細(xì)胞周圍。然后采用近紅外激光照射腫瘤部位，通過激光輻射加上AuNPs的局域表面等離子體共振特性，產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的吸收峰，即對入射光具有很強(qiáng)的吸收作用。吸收光能迅速轉(zhuǎn)換為熱能，使腫瘤局部快速升溫導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性死亡。

AuNPs的表面等離子體共振特性與成分、尺寸、形貌有關(guān)，通過調(diào)節(jié)這些參數(shù)從而實(shí)現(xiàn)AuNPs的共振吸收峰在近紅外區(qū)域可調(diào)控的目的。因血液和人體組織對近紅外光譜區(qū)域的吸收造成的衰減很小，所以處于此區(qū)域光譜的入射光對組織有較強(qiáng)的穿透力，通常情況下近紅外光能夠穿透并深入組織達(dá)10 cm[17]。這一特點(diǎn)使AuNPs在腫瘤的光熱治療應(yīng)用中有較大優(yōu)勢。

2.5 腫瘤的放射治療 AuNPs的新型增敏劑相對于軟組織較高的原子序數(shù)和X射線吸收系數(shù)可以最小化對正常組織的影響，成為腫瘤放射治療的新選擇。目前，研究者認(rèn)為AuNPs放射增敏作用是在KeV級別光子能量照射時(shí)增加了光電子吸收所致。研究表明，金的質(zhì)量能量系數(shù)是keV能量范圍內(nèi)軟組織的能量系數(shù)的100～150倍[18]。Park等[19]合成了一種新型雜化金屬納米顆粒—中空金納米顆粒（hollow gold nanoparticles，HAuNPs），其殼厚度將表面等離子共振調(diào)諧到近紅外光，使其具有最佳的光穿透腫瘤組織效果。空腔能夠高效容納負(fù)載化學(xué)治療劑。放射治療中，HAuNPs較高的X射線吸收能力可增強(qiáng)腫瘤中的放射增敏作用。使用聯(lián)合化療、熱療和放療三聯(lián)療法治療腫瘤，注入HAuNPs組使腫瘤生長延遲4.3倍，腫瘤重量減少6.8倍；并預(yù)測其可能克服腫瘤對化學(xué)治療劑和放射抵抗的缺陷，從而顯著增加抗腫瘤效果[19]。

2.6 光動(dòng)力療法（photodynamic therapy，PDT） PDT是一種癌癥輔助治療方法，即分子氧存在的情況下，當(dāng)可見光或近紅外光照射激發(fā)光敏劑后，產(chǎn)生細(xì)胞毒性活性氧物質(zhì)殺傷腫瘤細(xì)胞。目前，臨床上PDT主要用于淺表部位腫瘤治療而對深部腫瘤、實(shí)體瘤療效不佳。

PDT成功治療取決于光敏劑的溶解度和靶向能力，AuNPs是PDT常用光敏劑，其獨(dú)特的光學(xué)特性使其可改善光敏劑的性質(zhì)，增加腫瘤中單線態(tài)氧的產(chǎn)率，提高光源穿透組織的能力。另外，近紅外光比紫外光或可見光組織穿透深度更強(qiáng)，對組織傷害小，是進(jìn)行PDT的理想光波段。在特定癌細(xì)胞表面上識別過度表達(dá)的erbB2受體的水溶性抗體——卟啉納米顆粒綴合物靶向劑的合成可以較好的用于乳腺癌細(xì)胞的靶向PDT治療[20]。目前，臨床上常將化、放療等多種治療方法聯(lián)合用于腫瘤治療，利用其協(xié)同效用來克服單一治療的局限性，增強(qiáng)腫瘤殺傷效率。而PDT與AuNPs將光能轉(zhuǎn)換為光熱協(xié)同治療，在殺傷腫瘤細(xì)胞方面具有良好的前景。

研究表明構(gòu)建集診斷、成像及治療一體化的多功能納米平臺，實(shí)時(shí)追蹤藥物分布和遞送，非侵入性地監(jiān)測治療效果，可提高其生物利用度和安全性，針對靶向癌細(xì)胞而不損害健康組織，提高抗癌藥物的功效，實(shí)現(xiàn)腫瘤的精準(zhǔn)化個(gè)體化治療。

2.7 心肌組織工程 鑒于心肌組織本身的結(jié)構(gòu)與獨(dú)特的電生理特性，如何改良現(xiàn)有的心肌組織工程材料使之更好地模擬心肌興奮收縮耦聯(lián)所需的微環(huán)境，成為當(dāng)前心肌組織工程領(lǐng)域所關(guān)注的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。最新研究表明，新型導(dǎo)電納米材料以其優(yōu)良的導(dǎo)電性能、納米級尺寸和優(yōu)越的生物相容性，可通過與一些天然或合成的傳統(tǒng)組織工程學(xué)材料復(fù)合，有效改善種子細(xì)胞生存的電及機(jī)械的微環(huán)境，并能支持工程化心肌組織（engineered cardiac tissue，ECT）移植后與在體心肌形成良好的電生理整合[21]。

You等[21]將AuNPs與巰基修飾的甲基丙烯酸羥乙酯復(fù)合構(gòu)建了三維的心肌片層，結(jié)果顯示AuNPs促進(jìn)了與心臟電學(xué)連接蛋白（connexin43，Cx43）的表達(dá)。2014年，F(xiàn)leischer 等[22]將AuNPs摻入螺旋的纖維組織支架用于心肌細(xì)胞的培養(yǎng)，結(jié)果表明AuNPs可有效促進(jìn)心肌細(xì)胞的發(fā)育成熟，并使得工程化心肌組織表現(xiàn)出更強(qiáng)的收縮功能。Ravichandran等[23]將AuNPs沉積到去細(xì)胞化的腸系膜基質(zhì)中，發(fā)現(xiàn)AuNPs能夠改善材料的導(dǎo)電性，并且進(jìn)一步促進(jìn)心肌細(xì)胞的收縮性及電學(xué)連接蛋白Cx43的整合。上述研究證實(shí)，AuNPs等導(dǎo)電納米材料能夠改善體外構(gòu)建工程化心肌組織的形態(tài)及功能，而其發(fā)揮作用的分子機(jī)制尚不清楚。

2016年，Li等[24]將AuNP與膠原蛋白（collagen，Col）復(fù)合制備了AuNPs/Col復(fù)合基質(zhì)材料，研究了其對新生大鼠心室肌細(xì)胞閏盤形成、組裝及功能成熟的影響，并深入探討了AuNPs調(diào)控閏盤組裝的可能分子機(jī)制；并報(bào)道了基于AuNPs的導(dǎo)電納米復(fù)合材料通過激活β1整合素信號促進(jìn)閏盤的發(fā)育和功能發(fā)揮，尤其是可通過β1-整合素/整合素連接激酶/磷酸化蛋白激酶B信號通路顯著的加速縫隙連接的形成，促進(jìn)ID縫隙連接相關(guān)蛋白Cx43表達(dá)。AuNPs/Col復(fù)合材料的工程化心肌組織有望為心肌組織工程研究提供新途徑，相關(guān)研究為進(jìn)一步應(yīng)用于心肌組織工程研究提供了新的策略和重要的分子機(jī)制理論。

3 展 望

近年來，AuNPs由于其獨(dú)特的性能引起了人們廣泛關(guān)注。納米尺度上，AuNPs表現(xiàn)出明顯不同的顏色。AuNPs與生物活性大分子的共軛已成為研究這些納米粒子在生物納米技術(shù)應(yīng)用中的重點(diǎn)。但目前AuNPs在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用仍處于試驗(yàn)階段，AuNPs雖具有生物學(xué)惰性、毒性低，但循環(huán)和組織清除率相對較低。因此，將AuNPs常規(guī)應(yīng)用于人類之前，必須實(shí)現(xiàn)患病細(xì)胞和組織的特異性靶向[25]。在靜脈注射后，納米顆粒的生物分布和清除受到各種生理因素及納米顆粒的理化性質(zhì)的影響。其中尺寸是影響細(xì)胞毒性的一個(gè)重要因素，研究者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)小顆粒是高毒性的，而較大的顆粒是相對無毒的[26]。因此未來需要平衡協(xié)調(diào)各種參數(shù)，如粒子參數(shù)，試驗(yàn)參數(shù)和觀察到的生物效應(yīng)，使AuNPs在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域更好地發(fā)揮作用。