金纳米花材料在肿瘤诊疗领域应用的研究进展

金纳米花材料在肿瘤诊疗领域应用的研究进展

张玮航,宫俊霞综述,张艳*,宋文植*审校

(吉林大学中日联谊医院 口腔科,吉林 长春 130031)

恶性肿瘤严重危害人类健康，纳米材料技术的发展为恶性肿瘤诊疗带来新思路。其中，以金纳米花、金纳米棒、金纳米球壳等为代表的纳米金材料因具有独特的理化及光学特性而受到广泛关注，金纳米花用于肿瘤诊疗领域的研究已经展开并逐步深入，且具有潜在的应用前景。本文主要从诊断成像、载药、治疗等角度对金纳米花在肿瘤诊疗领域的研究进展作一综述。

1金纳米花粒子

金纳米花是一种花型纳米金粒子，在众多形貌各异的金纳米粒子结构中，金纳米花几何形状不规则，表面粗糙，具有高度多分散、较高的比表面积以及高反应活性等特点[1]。金纳米花粒子根据其是否有核可分为有核金纳米花和空壳金纳米花。金纳米花的几何形状、尺寸大小一定程度上决定了其在肿瘤治疗中对肿瘤细胞的杀伤能力，因此在合成过程中人为调节其形状、尺寸具有重要意义[2-5]。金纳米花的合成方法主要有种子生长法[5]、无核原位生长法[6]和仿生合成法[7]。种子生长法是目前最常用的合成方法，用于有核金纳米花的合成；无核原位生长法是利用作为模板的表面活性剂产生的囊泡合成空壳金纳米花。现又新兴了一种利用生物大分子合成金纳米花的仿生合成法。金纳米花具有较好的稳定性和良好的生物相容性，这是其应用于生物医学的基础；而它近红外吸收以及表面增强拉曼散射(surface-enhanced Raman scattering，SERS)的特性则使其成为一种可用于肿瘤诊断治疗的理想材料。

2金纳米花材料在肿瘤诊断治疗领域的应用

2.1成像

基于纳米粒子复杂的结构特点，其区域等离子体共振(LSPR)吸收峰可红移到近红外区(near-infrared region，NIR，即波长介于700 nm~1200 nm)。NIR激光可穿透较深层组织而不产生损伤，应用于光学成像中时，可避免细胞自身荧光的干扰而具有较高的信噪比。利用各种显微成像技术，如电子显微镜、拉曼分光镜、光学相干断层成像仪(OCT)等，可将具有近红外吸收特性的金纳米花用于深层细胞成像和分子成像中。与多数生物染料相比，纳米金粒子光学性质稳定，生物相容性好，作为一种新型的标记材料和造影剂，克服了其他荧光染料化学性质不稳定、细胞毒性较高以及光漂白等缺点[2]。

Lou等[4]利用Tris缓冲溶液和氯金酸合成了紫外可见吸收峰可调的多枝状金纳米花，标记巯基苯甲酸(MBA)并包备多聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)后，将该复合物注入母牛肾细胞进行体外实验，显微镜检发现母牛肾细胞成功摄取了该金纳米花复合物，说明该纳米金粒子复合物可作为一种新颖的造影剂，在肿瘤成像与诊断方面具有良好发展前景。

2.2诊断

由于金纳米花具有粗糙的表面，尖端曲率半径很小，不仅可增强其在近红外区的等离子体共振，而且可使电磁场增强效应集中与其尖端，使得同一纳米颗粒表面具有很多个“热点”，因此金纳米花被有效地应用于表面增强拉曼散射。利用金纳米花的SERS特性可大大提高肿瘤细胞检测的敏感性，有望应用于恶性肿瘤早期诊断[9]。在近红外(near infrared,NIR)激光照射下，与肿瘤细胞相互作用的特异性抗体—金纳米花复合物的SERS信号强度远远高于与对照组正常组织细胞混合的特异性抗体—金纳米花复合物。这是由于经抗体修饰的金纳米花复合物大量靶向聚集于特异性肿瘤细胞，可导致局部电磁场急剧增强，收集到的SERS信号大大增强[10]，而对照组细胞不与该复合物特异性结合，收集到的SERS信号较低，即纳米金花复合物对肿瘤细胞的靶向聚集有助于促进“热点”的形成,使肿瘤部位SERS信号大大增强。

判断肿瘤细胞存在与否，也可通过金纳米花复合物与肿瘤细胞相互作用后纳米粒子吸光谱条带的变化来判断。Beqa等[11]对爆米花型金纳米花进行修饰，使其与单壁碳纳米管以及乳腺癌SK-BR-3细胞特异性配适子(S6配适子)结合。由于S6配适子可特异性识别并结合SK-BR-3细胞表面抗原，该复合物与SK-BR-3细胞结合后吸收光谱在160 nm处出现一个新的宽波段。通过观察金纳米花复合物与肿瘤细胞特异性结合后金纳米花吸收光谱条带的变化即可判断肿瘤细胞存在与否。

2.3载药

通过高分子化合物修饰的纳米颗粒与药物结合后可提高药物在肿瘤细胞中的积累，控制药物的释放，增强药效，并且在一定程度上能够克服肿瘤细胞的耐药性[12-13]。金纳米花因其高表比面积、良好的表面可修饰性和生物相容性成为有前景的药物载体材料。

Kumari等[8]利用硼氢化钠还原氯金酸的方法合成了金纳米花，将壳聚糖羟基乙酸悬浮液与金纳米花混合，合成了稳定性较好的羟基乙酸枝接壳聚糖—金纳米花支架复合物，将该复合物作为载体运载抗肿瘤药物环磷酰胺，并在模拟体液环境下利用紫外-可见光谱吸光度检测其不同时间段的药物释放能力。实验发现该复合物可实现药物的控制释放，是药物传输的理想载体。

2．4近红外光热治疗

金纳米材料用于肿瘤的光热治疗一直备受关注。其基本原理是利用金纳米颗粒在近红外激光(激光照射波长必须与纳米粒子的区域等离子共振吸收峰匹配才可获得最佳治疗效果[14])照射下，其表面发生等离子体共振，将吸收的光能转化成热能而产生对肿瘤细胞的热杀伤效应。纳米金粒子的浓度是光热转换温度升高的决定性因素，但浓度较低时也可通过增大激光照射功率来提高光热转换效率[15,16]。为提高纳米金粒子对肿瘤细胞的靶向性，粒子表面多用特异性肿瘤细胞抗体或配适子等修饰[17]。

近红外激光照射下金纳米花复合物以及肿瘤细胞可发生一系列微观变化：(1)金纳米花颗粒通过声子-声子张弛将热能传递给周围肿瘤环境，造成大量聚集的肿瘤细胞的破坏。肿瘤细胞的不可逆性破坏主要表现在细胞膜的破坏、蛋白质的变性和凝固以及细胞空泡性变。细胞空泡性变可阻止机械性刺激，但最终导致细胞死亡。(2)温度升高也会导致金纳米花自身结构和形态的改变，如金花结构裂解、尖端消失等。与从纳米粒子表面开始形变的热融化不同的是，光热转换过程热能导致纳米金粒子的形变最先发生在其颗粒内部[18]。由于电磁场增强效应集中与其尖端，金纳米花才会具有SERS增强的效应，而金纳米花尖端的消失也将导致SERS信号强度的降低。(3)金纳米花粒子与特异性抗体/配适子之间的化学键(金--硫键)断裂，特异性抗体/配适子释放。

目前纳米金粒子介导的肿瘤近红外热疗已成为研究热点，进一步探讨其生物学机制是重要的课题[19]。

2．5实时监控

利用金纳米花的表面增强拉曼散射特性，可对纳米光热治疗及肿瘤化学药物治疗过程进行实时监控。

Beqa等[11]将金纳米花光热靶向治疗肿瘤的装置与SERS信号接收装置连接到一起，通过观察SERS信号强度的变化现场实时监控前列腺癌细胞的近红外热疗效果。前列腺癌细胞(LNCaP)表面高表达PSMA，将金纳米花与配适子、PSMA抗体共价结合形成的复合物与LNCaP细胞混合后在785nm激光照射30min内，每隔2min收集一次混合物的SERS信号，并同时检测肿瘤细胞生存率，得出SERS信号强度与细胞生存率之间呈现明显线性正相关的结论，证明可利用SERS信号变化实时监测肿瘤的治疗效果。尤其令人感兴趣的是该方法灵敏度极高，50个肿瘤细胞即可出现阳性检测结果。

El-Said等[20]利用肿瘤细胞的SERS原理对肿瘤化疗过程进行实时监控。肿瘤细胞的SERS光谱图上的一系列波段对应的是细胞中的所有生物高聚物(如：DNA、RNA以及蛋白质等)的存在。在近红外激光照射下对肿瘤细胞进行药物治疗时，加入药物后通过观察肿瘤细胞拉曼位移波峰的降低，可以推断出肿瘤细胞内部某种生物高聚物的破坏，该技术能够区分和监测不同药物的作用机理，感知肿瘤细胞内部生物大分子的改变，因此远优于其它生物传感技术。

3结语

综上所述，金纳米花作为一种新型纳米材料，已引起生物医学界极大关注，在肿瘤诊疗领域正向着集肿瘤细胞成像、诊断、载药、近红外光热治疗于一体的金纳米花复合载体材料方面发展，并在肿瘤治疗实时监控方面展现出有价值的应用前景。

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(收稿日期：2015-02-24)

作者简介：张玮航(1991-)，女，研究生在读；宋文植(1970-)，女，教授，硕士研究生导师，研究方向：口腔纳米材料技术，口腔种植。

文章编号：1007-4287(2015)12-2153-03

*通讯作者

基金项目：国家自然科学基金(81372900)，吉林省科技厅资助项目(20110708)，吉林大学创新基金资助项目(450060521019)