应激纳米材料在生物医药前沿领域的应用

蒋华麟，陈萍华

（南昌航空大学环化学院，江西南昌330063）

应激纳米材料在生物医药前沿领域的应用

蒋华麟，陈萍华

（南昌航空大学环化学院，江西南昌330063）

应激纳米材料的大小适合与充满纳米级别生物分子的生物体系相互作用，能够从亚细胞水平上影响生物体系，纳米材料的应用正在带动生物医药领域发生前所未有的技术革命。本文综述了应激纳米材料在生物医药科学前沿领域的最新应用，着重讨论了纳米材料的设计，激活机制，纳米范围的作用效应，这些对实现人工控制生物系统的行为或收集生物系统的信息具有非常重要的意义。

应激；纳米材料；生物医药

应激纳米材料是指受到刺激（磁场、热、光和声波等）能发生化学或物理变化的纳米材料。这一材料在生物医药领域的应用在近几年引起了极大的关注。生物分子例如DNA、RNA和酶很容易与纳米级别大小的药物或其他纳米级别的分子发生相互作用，这一特性促使了纳米材料在生物医药领域的应用大发展。

1 激活纳米材料的刺激

多种外部物理刺激（磁场、热、光、声）和与纳米材料接触的化学刺激（水分子、pH值、氢键、活性氧自由基、酶）都能够对纳米材料产生作用。纳米材料会对刺激做出各种反应，包括产生热、光、体积变化、运动、化学反应等，这些行为会影响宿主细胞及周围的组织，或者能够收集和报告生物体信息。

辛芳等[1]初步探讨了纳米Zn/Al-水滑石对Hela细胞的氧化应激效应,结果表明：较高浓度的纳米Zn/Al-水滑石对Hela细胞可产生一定的氧化应激效应,较低浓度的纳米Zn/Al-水滑石则具有一定的生物相容性。叶社房等[2]以人肺上皮细胞系A549为模型细胞，探讨多壁碳纳米管的细胞毒性效应及其机制。多壁碳纳米管处理A549细胞2 h后，诱发细胞线粒体膜电位下降；多壁碳纳米管诱导细胞氧化应激的同时伴有适应性应激蛋白HO-1的上调表达。结果表明，细胞氧化应激和线粒体膜电位去极化可能是多壁碳纳米管诱导A549细胞毒性效应的重要机制。

2 磁场作用下的磁纳米颗粒

磁性纳米粒子的运动和排列能够被外界磁场引导。将磁性纳米粒子装入细胞内或固定于细胞表面可以用来很好地操控细胞的行为，并且不会对细胞带来伤害。Ingber等[3]以完美的设计制备了一种磁性纳米粒子，可以通过调节细胞膜上受体的聚集实现细胞的信号转导。他们用橡果细胞表达血浆膜FcεRI受体，该受体能够与IgE分子的Fc部分结合，结合作用可以通过免疫监测得到反映。正常情况下，这些受体-抗体复合物不会聚集，但当多价态抗体结合至IgE时，FcεRI受体会聚集在细胞表面形成簇，这一事件会触发胞质内钙离子浓度陡然升高，接着在局部产生炎症反应。Ingber和同事将橡果细胞用对二硝基苯基（DNP）-IgE预处理，然后加入超顺磁纳米粒子，每个粒子在细胞表面大约可结合30个DNP。多价态纳米粒子的结合导致IgE-FcεRI复合物的聚集，触发Ca的表达信号。当每个纳米粒子结合DNP的数量降到3时，不再能观察到Ca信号，提示不再有IgE-FcεRI复合物的聚集。再用每个只结合1个DNP的超顺磁纳米粒子处理细胞，当将细胞置于磁场环境时，超顺磁纳米粒子聚集导致形成IgE-FcεRI复合物簇，诱导产生Ca信号，然而无外界磁场时，不能观察到Ca信号。如此一来，他们可以通过控制外界磁场的开/关来引导细胞Ca信号的开/关。这个例子清楚地表明，依靠纳米粒子相互作用完成的细胞行为可以轻易地通过操纵相应大小纳米粒子的行为来控制。另外，Tseng等[4]报道了用内载磁性荧光纳米粒子的细胞与铁磁性底物相互作用的研究。铁磁性底物可以定位细胞内的磁性纳米粒子，定位的结果可以通过明亮的荧光斑点确认。这种可视的细胞内定位化学和磁信号的技术可以极大地辅助用磁性纳米粒子实现对细胞内的刺激和胞内信号的诱导。Radu Popa等[5]研究了在无机氧化还原缓冲液中氧化应激对趋磁细菌的磁性颗粒生长有变矮小的影响。

3 光敏纳米材料

活性氧自由基（ROS）可用于癌症治疗，因为ROS对多数细胞是有毒害的。目前有很多光敏的ROS前体可以利用，它们大多能被紫外（UV）或可见光激活而释放ROS杀死细胞。但利用它们进行癌症治疗的问题在于，如何在体内产生激活光波。利用外界的UV或可见光是不可行的，因为UV和可见光穿透组织的能力很弱。Zhang等[6]设计了一种极为聪明的在体内产生可见光的方案。他们在NaYF4上覆盖一层中孔硅，在其中载入光敏酞菁染料，并制成纳米颗粒。当用具较强组织穿透能力且生物损害较小的近红外光波（NIR）照射时，NaYF4纳米颗粒被激发放出可见光，刺激其中的光敏酞菁染料产生ROS杀死癌细胞。

Zink等[7]报道了利用光诱导的偶氮化合物的顺-反异构化控制药物释放的方法。他们在偶氮化合物修饰的中孔硅颗粒上负载染料或抗癌药物，当用413 nm波长的光照射时，偶氮化合物从反式变成顺式，造成中孔硅中小孔的开放，从而卸载药物。虽然他们的方法非常有意义，但是所用光波的高能量和低穿透能力是该方法用于临床试验最大的瓶颈。

高能量及细胞内的巯基-二硫键交换反应能够断开金属—S键或S—S键，这些键的不稳定性可被方便地用来结合抗癌药物或治疗基因并在合适的时机释放它们。Reich等[8]通过Au—S键将小分子干扰RNA（siRNA）结合到Au纳米壳表面，再利用NIR照射切断已处于细胞内的Au纳米材料的Au—S键，从Au纳米壳上释放siRNA，这样可以实现用siRNA作用细胞但又不影响到正常的细胞行为。

研究细胞依环境而改变的行为可以为理解细胞的功能提供大量的信息。Anseth等[9]报道了以含有光敏剂硝基苄基酯的PEG基质水凝胶考察细胞形态的研究。他们通过不同能量强度的辐射来控制水凝胶的降解程度。他们将人骨髓间充质干细胞（hMSC）封装于光降解水凝胶，并用365 nm的光波照射它们，没有观察到细胞活性受到显著地不良影响，4 d后，在辐射水凝胶的上部（上部～100μm处）观察到细胞的扩展，在那里水凝胶的交联密度显著低于其它地方。他们认为这类胶可以通过考察水凝胶和聚合物密度对细胞形态及细胞分化的影响这种形式来模拟研究三维环境对细胞的发育和行为的影响。

4 pH-应激纳米材料

癌症治疗的终极目标是选择性地杀死癌细胞而不影响周围的正常细胞和正常组织。为达到这一目的发展出了多种定位方法。显然最直接的定位方法是将癌细胞的特异性作用物质如抗体附着于抗癌药物的运载载体，但必须保证运载的药物不会在经静脉输送时过早地被释放，或在经网状细胞系统吸收后在错误的地点被释放。一个策略是利用正常细胞和癌细胞内pH值的差异。因为癌细胞外的pH值（为5.5至7.2）比正常细胞外的低（这主要是由于癌细胞的糖酵解反应比正常细胞的强烈），能对低pH值应激的药物载体将可以选择性地只在低pH值环境下释放药物。Chilkoti等[10]精心设计了一种独特的具有pH值应激行为的药物载体。他们通过一段对pH值敏感的链将一段亲水的肽段（CP）与一个疏水的抗癌药物doxorubicin（DOX）连接成了一个两性的复合物。这个两性复合物通过自组装在水中形成纳米颗粒，疏水的DOX被包裹在内，亲水的肽段暴露在外。这个装载了药物的纳米粒子能够轻易地通过链的断裂在pH值为5左右时释放DOX，而在pH值为7.4时观察不到药物的释放。

癌细胞内的低pH值条件可以消化一些无机材料例如CaCO3。Ma等[11]制备了中空的CaCO3亚微粒子颗粒，并向其中装载抗癌药物DOX。这种中空的CaCO3颗粒本身对HepG2癌细胞无毒，但当这种颗粒装载药物进入癌细胞后，在其中的低pH条件下颗粒的无机外壳被溶解，抗癌药物被释放，可以起到杀死癌细胞的作用。在一项相关的研究中，Adair等[12]报道了有机小分子能促使磷酸钙形成纳米颗粒，这显示可以用磷酸钙骨架来捕获有机小分子。在他们的报道中，使用的有机小分子是有机染料，在癌细胞内的低pH条件下，磷酸钙骨架被溶解从而有机染料被释放至癌细胞内。很显然，基于这项研究，可以以抗癌药物代替有机染料从而实现抗癌药物在癌细胞内的释放。

5 杂合DNA诱导产生表面张力

单链DNA和杂合双链DNA在水合作用时表现出的不同行为可以用来探测目的RNA。Tamayo等[13]在Si基质的金属表面覆盖了一层致密的纳米级单层单链DNA，发现在发生水合作用时单层单链DNA能诱导表面张力的突然跃增。这是因为，在低湿度条件下，首批结合于单链DNA的水分子会吸引邻近的单链DNA分子靠拢，引起金表面收缩从而增加表面张力。而在双链DNA分子中，被束缚于双链DNA分子之间的水分子会竭力排斥邻近的DNA分子，导致金属表面扩张，表面张力不但不会增加，反而会显著地下降。在相关的工作中，Yan等[14]利用DNA折叠法制备了自组装的单链DNA。该DNA非常柔软易动，无法被DNA探针检测到。但是当它与相应的RNA杂合成双链后，就变得刚性而不易动，从而可以利用相应DNA探针检测。这一技术的RNA检出量非常低，可被用来检测样品中是否有目的RNA存在。

6 金属离子诱导的纳米材料自组装

Liedberg等[15]报道了利用Au纳米粒子的聚集状态探测目的蛋白的方法。他们在Au纳米粒子表面覆盖上两种多肽，一种多肽在Zn2+存在下发生折叠从而造成Au纳米粒子的聚集，另一种多肽是被探测蛋白的受体。在没有被探测蛋白时，Au纳米粒子是悬浮而独立的粒子，呈现红色。当加入Zn2+后，多肽折叠造成Au纳米粒子的聚集，呈现蓝色。当存在需探测的目的蛋白时，Au纳米解聚重新悬浮于缓冲液中，溶液重新变回红色。

Sia等[16]报道了一种可逆控制水凝胶结构的方法。他们混合了两种完全不同的材料，一种是胶原质（具有微渗孔结构），一种是藻酸盐（具有纳米渗孔结构），通过金属离子诱导藻酸盐的交联可以控制水凝胶的交联程度。他们通过加入Ca2+诱导水凝胶的关联，通过加入柠檬酸钠诱导水凝胶解除交联。他们将细胞置于未交联的胶原质-藻酸盐水凝胶中任其扩散，而后诱导水凝胶交联来捕获扩散中的细胞的形态。这种可逆地操控细胞生长介质的能力使人们能更好地理解细胞生长的动力学过程，并可为最终实现对细胞行为的完美控制积累理论知识。

7 总结和展望

应激纳米材料在诸如癌症的诊断和治疗等生物医药领域的应用方面表现出良好的前景，并且加深了我们对生物系统的理解。以前难以想像对细胞的生长和分化等行为实现人工控制，而现在通过纳米材料有望达成这一愿望，一旦梦想成真，将可能导致干细胞治疗和组织工程学领域革命性的进步。应激纳米材料的微观体积和它们纳米尺度范围的定位效应，再加上能被多种宏观手段激活的特性，为实现人工精确控制生物系统描绘了迷人的前景。因此，在可以预见的将来，对应激纳米材料的持续关注可能会导致发展出新的基于纳米材料的交互式技术应用于生物医药领域。但是，需要特别引起注意的是，纳米材料的安全性，特别是应用于医疗领域的纳米材料的安全性，必须经过人体试验的彻底检查；纳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体外的通路必须被彻底地研究。而且，其技术的可实现性和可重复性将是应激纳米材料能否最终用于生物医药领域的重要决定因素。

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1008-1267（2011）02-0004-04

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蒋华麟（1979-），男，讲师，主要研究精细化工材料方面。