功能化金納米載藥系統在醫藥領域的研究進展*

李雪娜，李成

(1.延邊大學藥學院，延吉 133002；2.延邊大學附屬醫院藥學部，延吉 133002)

過去幾十年，納米科學和納米技術取得重大進展。納米醫學作為納米技術的一個分支，利用納米顆粒改進現有方法，成為診斷和治療不同疾病的新工具。金納米(gold nanoparticles，GNPs)指直徑0.5～250 nm的金超微粒子，其具有獨特的光學性質、表面易修飾、低毒等優點，是研究最為廣泛的納米載體之一[1]。然而，裸金納米不穩定，容易聚集沉淀為金屬顆粒。因此，通過對金納米表面進行修飾得到的功能化金納米在藥物傳遞領域具有廣泛應用前景[2]。常見金納米功能化修飾包括硫醇、檸檬酸鹽、表面活性劑、聚合物，以及不同類型螯合配體等。筆者在本文綜述近年來國內外功能化金納米載藥系統在醫藥領域的研究進展。

1 功能化金納米

功能化金納米是指以金納米為載體，在金納米表面偶聯藥物分子、靶向配體、成像探針等不同功能化單元，形成功能化金納米結構。常見功能化金納米共軛策略見圖1。通常情況下，金納米功能化修飾主要有3個目的：第一，金納米連接配體后可以改善其膠體穩定性、單分散性和生物相容性；第二，可以增強“小分子”藥物、蛋白質和遺傳物質的效能[3]；第三，某些功能性配體可以直接固定或通過連接劑固定后與生物體結合，從而增強靶向性，有助于擴大應用范圍。

圖1 功能化金鈉米的共軛策略[4]

2 功能化金納米的配體連接類型

2.1物理吸附 金納米與配體最簡單的連接方法是通過靜電和疏水作用產生物理吸附[4-5]。金納米在溶液中形成膠體，而膠體穩定性主要取決于靜電斥力。配體的解離常數(dissociation constant，pKa)值、周圍溶液的pH值以及離子強度會影響表面電荷的大小，從而影響金納米排斥強度和穩定性。因此，在應用過程中，可以通過適當調節配體的pH值和離子強度來保證金納米的穩定性。ANDRADE等[6]制備了用西妥昔單抗包被的金納米，得到的納米復合物在24個月內保持可耐受的穩定性水平，并有效促進了表皮生長因子受體結合以及誘導腫瘤細胞凋亡。

KHODASHENAS等[7]將明膠通過物理吸附方式與金納米結合形成的納米復合材料作為姜黃素藥物載體，研究了姜黃素在37 ℃兩種不同pH值(7.4和5.4)條件下48 h的釋放曲線，發現在pH值5.4條件下釋放的藥物量更大，且釋放速度較慢。證明在酸性條件下明膠與金納米的物理吸附更穩定。雖然這種配體連接的方法較簡單，但物理吸附固定配體會導致配體連接隨機。可能一些活性位點被相鄰的生物分子或金納米阻斷，因此最終只有一小部分配體具有活性。

2.2配位鍵的自組裝 金與巰基之間的配位鍵強度為167～209 kJ·mol-1，類似于金-金鍵。因此，金納米可以通過金-硫(Au-S)配位鍵，使含巰基的化合物在其表面進行自組裝，得到穩定的納米粒子。功能化金納米的反應端基再與其他生物分子或藥物的共價偶聯實現載藥功能。BESSAR等[8]利用含巰基的化合物3-巰基-1-丙磺酸鈉(3-mercapto-1-propanesulfonic acid sodium salt，3-MPS)與金納米制備了功能化的水溶性金納米，并負載甲氨蝶呤(methotrexate，MTX)治療銀屑病。結果表明Au-3MPS載藥率70%～80%，24 h內釋放率95%。體外研究表明，與單獨使用MTX相比，使用Au-3MPS@MTX偶聯物在表皮和真皮中傳遞的MTX增加，且未觀察到Au-3MPS，表明皮膚層未保留納米粒子。結果證明Au-3MPS@MTX偶聯物可以作為有效無毒的載體治療局部銀屑病。

聚合物是一類非常有前途的使納米顆粒穩定的候選材料，可以作為支架固定納米顆粒，防止其聚集，并調節納米顆粒空間分布[9]。許多聚合物可以改變金納米大小、形狀并增加其穩定性。聚乙二醇(polyethylene glycol，PEG)的雙功能連接體經常被用于金納米表面修飾，常用的方法是將PEG一端巰基化自組裝到金納米表面，另一端連接藥物或靶向基團。研究發現，影響金納米表面性質的兩個關鍵因素為配體取向和配體密度。COMENGE等[10]通過PEG修飾的金納米偶聯抗腫瘤藥物的過程中發現配體密度低時，PEG-SH聚合物可以通過多個弱鍵與金納米結合，而配體密度高時，表面被更穩定的Au-SH鍵飽和。AL-HARBI等[11]將空白金納米和PEG包被后的金納米進行動物實驗，觀察老鼠血清促炎細胞因子白細胞介素1β(IL-1β)、IL-6、腫瘤壞死因子α(TNF-α)的表達以及肝臟和腎臟組織病理學變化。結果表明，直徑50 nm的PEG-金納米可顯著增加大鼠肝臟和腎臟促炎細胞因子表達。證明與空白金納米相比，PEG功能化金納米作為載藥系統可增強藥物療效。

2.3共價結合 金納米與配體進行共價結合需要經過兩個階段。首先，金納米通過修飾激活反應的部分，如羧酸或氨基；然后一端形成的Au-S鍵含活性基團的連接體以共價結合固定靶配體。GHORBANI等[12]制備了聚合物包覆的金納米，利用MTX羧基與金納米聚合物殼的氨基發生共價結合開發了一種新的pH值響應的納米平臺，用于控制和靶向傳遞抗癌藥物。

金納米尺寸與蛋白質、DNA等生物分子尺寸相似。大多數多肽或蛋白質都含有帶巰基的半胱氨酸，可以通過共價結合將生物分子固定在功能化金納米上發揮作用[13]。KALISHWARALAL等[14]研究發現，肽-藥物偶聯物(peptide-drug conjugates，PDCs)可靶向殺死不同類型癌細胞，但其在生理環境中易水解。研究表明，PDCs與聚乙烯包覆的金納米偶聯后可提高其穩定性。此外還發現，PDCs與金納米的耦合效率可能因藥物的化學特性和多肽的特定氨基酸序列而異，尤其是在高疏水性的情況下。GASPARRI等[15]研究了金納米被頭尾環化肽CGisoDGRG (lso1)偶聯后對小鼠IL-12的影響。結果表明，此金納米偶聯物是提高其治療指數和維持過繼性T細胞治療的有效策略。SUN等[16]研究發現，功能化金納米與牛血清白蛋白(bovine serum albumin，BSA)和4，6-二氨基-2-嘧啶硫醇(4，6-diamino-2-pyrimidinethiol，DAPT)生成的共軛物(Au@DAPT@BSA)可以降低對革蘭陰性菌的最低抑菌濃度，并擴大對革蘭陽性菌的抗菌譜，可顯著減少生物膜中銅綠假單胞菌和金黃色葡萄球菌數量。此外，Au@DAPT@BSA對臨床分離的耐藥大腸埃希菌或金黃色葡萄球菌所致皮下膿腫具有愈合效果，且不會產生可檢測的毒性。上述研究結果為提高納米材料與抗菌藥物的生物相容性提供了新的策略。

3 功能化金納米載藥系統在醫藥領域的應用

3.1基因治療 功能化納米基因載體對外源基因如DNA、小干擾RNA(siRNA)等具有良好的吸附、富集和保護能力[17]。DNA修飾的金納米既具有金納米的光學和物理化學特性，又具有DNA分子的可編程特性和生物特性。功能化金納米作為載體能將DNA濃縮成緊湊復合物，從而更容易被細胞吸收，保護其不被核素酶降解。因此，功能化金納米為構建DNA傳遞載體提供了潛在的支架，現已被開發成基因傳遞的重要載體。XIONG等[18]使用鋅離子功能化的樹枝狀金納米作為非病毒載體時癌細胞中HIC1基因表達可被有效抑制，結果表明功能化金納米可作為基因治療的有效載體。

siRNA通過敲除疾病發展中的特定基因成為治療各種疾病的新手段，但由于其易降解且難以傳遞到細胞中而阻礙了臨床應用[19-20]。因此，可開發金納米為載體遞送siRNA至活細胞中發揮作用。AHWAZI等[21]研究了一種基于人類免疫缺陷病毒-1型反式轉錄激活因子(human immunodeficiency virus type 1 transactivator of transcription，HIV-1TAT)肽包封金納米的siRNA遞送系統來治療乳腺癌。由于帶正電的納米顆粒具有較高的細胞攝取能力，因此可以使用低濃度納米顆粒進行高效基因轉染。轉染后，ROR1及其靶向基因CCND1下調，誘導癌細胞凋亡。結果表明，HIV-1 TAT肽通過Au-S鍵與金納米結合后可用于傳遞特定基因的負電荷治療劑。SHAAT等[22]為克服siRNA快速酶促降解和低轉染效率缺陷，用分支聚乙烯亞胺(branched polyethyleneimine，bPEI)修飾的金納米作為siRNA細胞內遞送載體。研究表明，該復合物可增強細胞對siRNA的攝取，而不會產生明顯細胞毒性，并證實bPEI修飾的金納米可以用作安全遞送siRNA的載體。

3.2藥物靶向遞送 功能化金納米具有優異的生物學特性，非常適合作為疾病靶向治療的無毒載體。功能化金納米由于納米尺寸改善了其循環時間，降低了聚集速率，增強了對治療分子和靶標試劑的附著，從而可進一步提高穿過細胞膜的能力并降低總體細胞毒性[23]。因此，功能化金納米作為藥物遞送載體是藥物靶向遞送的有效手段。

3.2.1主動靶向 在主動靶向中，納米顆粒被偶聯到配體上，即與靶細胞上過表達受體特異性結合的分子。這些受體在正常細胞中表達較差或不表達，但在靶細胞上均勻表達[24]。這種配體-受體的相互作用會誘導納米顆粒內在化，并通過受體介導的內吞作用在細胞內釋放藥物[25]。常見配體包括抗體、碳水化合物、酶、葉酸、多肽和維生素等。RIZK等[26]將金納米與TGF-β1抗體、MTX以及腫瘤靶向分子葉酸共軛。酶聯免疫吸附(ELISA)檢測結果顯示，與對照組相比，結合金納米的TGF-β1抗體可以使細胞外TGF-β1降低30%。功能化金納米可有效減少腫瘤細胞外TGF-β1水平，且葉酸和MTX可以增強對癌細胞的毒性。THAMBIRAJ等[27]將金納米與多西他賽以非共價鍵形式結合，并與靶向分子葉酸偶聯，評價了合成的金納米共軛物對肺癌細胞系H520的細胞毒性。結果表明以金納米為基礎的納米偶聯物可作為治療各種癌癥化療藥物的載體系統。

3.2.2被動靶向 被動靶向是利用腫瘤部位病理生理特征進行藥物的靶向傳遞。直徑100～400 nm范圍內的納米顆粒會通過腫瘤部位滯留效應來積累藥物[28]。COELHO等[29]發現，PEG-金納米偶聯物與多柔比星和伐利替尼聯合后具有降低癌細胞存活率的作用，同時能降低對健康胰腺細胞的毒性。在癌癥治療中，可以進一步探索基于PEG-金納米功能化的方法來提高藥物靶向效率并降低不良反應。NAZ等[30]研究將超微金納米作為靶向遞送抗癌藥物MTX的納米載體來治療乳腺癌。金納米-MTX在腫瘤小鼠模型中獲得明顯優于游離MTX藥物的治療效果，且無任何毒性。因此，超微金納米可以作為癌癥藥物靶向遞送的載體。

3.2.3物理化學靶向 物理化學靶向制劑即運用某些物理化學方法使靶向制劑在特定部位發揮藥效，主要分類有磁性靶向制劑、pH值敏感性靶向制劑、熱敏靶向制劑等。磁性靶向制劑可使治療藥物磁性定位集中在靶部位，從而減少或消除全身藥物不良反應[31]。KIM等[32]開發了負載MTX的金/鐵/金半殼納米顆粒，并將其與精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸偶聯后用于磁性靶向的化學光熱治療以及類風濕關節炎的體內成像。與常規治療相比，在連續近紅外光照射和外部磁場相結合的情況下，可產生更好治療效果。

血漿和正常組織pH值為中性，而腫瘤細胞外環境為酸性(pH值4.5～5.5)。腫瘤部位的酸性環境可被用于pH敏感性藥物載體系統的控制藥物釋放。MA等[33]將改性PEG作為靶向配體與二丁胺、吡咯烷基胺引入到金納米表面，通過pH值變化對靶向配體進行可逆的屏蔽或去屏蔽的自組裝。由于血液循環時間長和細胞內在化程度高會實現很高的腫瘤蓄積而得到一種可逆的靶向策略。

3.3生物傳感與診斷 功能化金納米具有獨特物理和化學性質，使其成為制備各種新型生物傳感器的良好支架材料。基于金納米的傳感器可以根據檢測到的響應信號進行設計，這些響應信號通過分析方法改變某些參數(如尺寸、形狀或環境)而產生。基于功能化金納米的生物傳感器在臨床診斷中發揮著重要作用。SUN等[34]研究了多功能復合材料ssDNA-金納米@IGA3@SiO2并構建了用于胰島素檢測的化學發光(chemiluminescence，CL)生物傳感器，用于重組人胰島素檢測時獲得了很好的效果。FARMANI等[35]合成了石墨烯量子點(graphene quantum dots，GQDs)與金納米的偶聯物，利用熒光技術研究了紅素B(erythrosine B，ErB)與GQD-金納米偶聯物的相互作用。結果表明，ErB對其熒光有明顯猝滅作用。利用這種良好的交互作用可以構建傳感器來檢測藥品中ErB，確保含量符合標準。

3.4光熱治療 由于功能化金納米獨特的表面等離子體共振可以將光能轉化為熱能，從而導致高溫。因此，光熱治療可以用高溫殺死癌細胞。MAJIDI等[36]合成葉酸(folic acid，FA)與二氧化硅金核殼納米顆粒(FA-SiO2@金納米)結合，以改善黑色素瘤細胞的治療。結果表明FA-SiO2@金納米是一種有效的光熱治療黑色素瘤的靶向藥物。這種新的癌癥治療方法可以進一步研究利用體內模型在人類中的應用。

4 結束語

大量研究結果證明，功能化金納米載藥系統在醫藥領域具有很多優點。與大分子多肽、蛋白質等偶聯后具有良好抗菌活性；在基因治療中有很好療效；與靶向配體連接后對癌癥、類風濕關節炎等有良好治療效果；可以進行生物傳感和診斷以及光熱治療等。這些成果為功能化金納米載藥系統的臨床研究和治療奠定了理論基礎。

目前，使用功能化金納米作為藥物遞送系統的載體已經取得巨大進步，但仍有許多障礙需要克服：①功能化金納米作為載體在體內大量蓄積后會產生毒性，對人體正常細胞造成損傷；②功能化金納米載藥系統的傳遞特性，如吸收和釋放速率尚未明確；③如何進一步增加功能化金納米的載藥量；④大多數功能化金納米的制備工藝較復雜，為其臨床應用和質量標準的制定帶來了困難。

雖然功能化金納米作為藥物載體還存在許多亟需解決的問題，但隨著納米技術的高速發展，使用功能化金納米載藥系統將會進一步優化藥物在體內的應用。功能化金納米載藥系統的建立為癌癥和艾滋病等的治療提供了一種嶄新的手段，有望成為一種具有強大潛力的藥物遞送系統。