金纳米棒的光学特性与主要应用

彭怡琛 姜玉倩 房晨婕首都医科大学基础医学院，北京00069；首都医科大学药学院，北京00069

0 引 言

随着工程纳米粒子的高速发展，金属纳米粒子如金纳米粒子被广泛而高效地应用于生物医学方面。通过现有的金纳米技术不仅可制备出不同形貌的金纳米颗粒，还能根据不同需求对纳米颗粒的形貌加以修整，更在其中发现了一些特殊的实验现象和物理性质[1]。目前研究最为广泛、最具应用潜力的是金纳米棒，可在制备过程中实现对其长径比的精确调控[2]。更为重要的是，金纳米棒有着独特的光学性质，即棒状粒子具有横向和纵向表面等离子体共振（surface plasmon resonance，SPR）峰[3]，且SPR峰位取决于棒状粒子的长径比。金纳米棒在生物医学的不同领域均受到了极大重视，例如利用金纳米棒进行靶向药物输送、生物成像，还可应用其光热性质配合临床抗癌药物进行联合治疗以达到更为显著的治疗效果[4]。

1 光学性质

1.1 Mie理论

金纳米颗粒具有非常特殊的光学性质。这种特殊性质来源于入射光的波长与自由电子振动频率发生共振耦合时会产生局域表面等离子体共振（localized surface plasmon resonance，LSPR），在紫外可见光谱上显示强吸收峰[3]。1908年，Mie[5]提出了Mie理论，对均匀介质中单色光被一均匀球的衍射现象做出了严格解释。Mie理论解释了金属纳米颗粒对光的吸收和散射，从而定性解释了金纳米颗粒的颜色现象[6]。由于金纳米球只有一个位于520 nm附近的共振峰，因此金纳米球的溶液大多呈现明显的红色或紫红色。LSPR峰的位置主要由纳米粒子的大小、形状、表面电荷、周边介质条件等因素决定[7]。由于金纳米球的介电常数会随着纳米颗粒的大小而发生改变，根据Mie理论，其LSPR峰会随着纳米颗粒大小而发生蓝移或红移，因而金纳米球胶体的颜色可从紫色到红色变化[8]。

1.2 Gans理论

Mie理论是分析球形颗粒LSPR现象最简单的理论模型。1915年，Gans[9]将Mie理论扩展至扁圆或长圆形的纳米颗粒。Gans理论是用来研究纳米椭球和纳米棒光学性质的主要工具，对于尺寸较小的细长或扁平的椭球体研究效果明显。该理论认为，棒状金属粒子的LSPR峰分为两种形式，分别表现出横向和纵向SPR[10]，且随着椭球体长径比的改变，这两个吸收峰会发生位移。当长径比增加，纵向SPR峰红移，而横向SPR峰稍微蓝移[7]。例如金纳米棒的横向SPR峰位于520 nm附近，纵向SPR峰则位于更长波长处，若长径比增加，其吸收波长甚至可到近红外区。若固定金纳米棒的长径比，则其纵向SPR峰会随其周围介质介电常数的增加而增加；若其他变量固定，金纳米棒的纵向SPR峰会随长径比增加而红移，溶液颜色可从蓝色变为棕色或橙红色[11]。

1.3 光声成像

在疾病诊疗中，往往利用各种医学影像手段进行辅助判断，如CT、正电子发射断层扫描技术、MRI、超声成像、荧光成像等均各具特色。但每种成像技术均不能对生物组织做出完整描述，一般需多种成像技术共同判断，以获得更加准确的结果。光声成像是能提供组织成分和功能信息的新成像技术[12]，不仅灵敏度高，还能对较深层的组织进行实时、快速、安全的成像[13]。

光声成像的原理在于深处组织能将吸收光转变成声波。当宽束短脉冲激光辐照生物组织时，由于组织吸收脉冲光能量，升温膨胀，形成脉冲热弹源，并向外辐射脉冲光声信号产生超声波。这些超声波被探测器件接收，并依据探测到的光声信号重建组织内的光能吸收分布图像[14]。由此可见，光声成像技术检测的是超声信号，图像差异来源于组织对光吸收的不同，其可很好地结合光学成像和超声成像的优点，克服纯光学成像技术在成像深度与分辨率上不可兼得的不足[1，15]。

1.4 光热特性

金纳米棒在接受特定波长的激光照射时可将吸收的光子转变成能量，从而使晶格温度升高，引发靶细胞损伤，达到治疗的目的。这种简单非侵入过程在选择性光热治疗中显示出巨大优势[16]。近红外光的波长范围在800～1 200 nm。波长越长，其对生物组织的穿透力越强，红外线穿透深度最深可达10 mm[17]。肿瘤治疗需要有较深的穿透深度，通过控制金纳米棒的长径比，可使其SPR峰位于近红外区，以实现近红外光激发的光热治疗[18]，减轻激发光对生物组织的损伤。

2 主要应用

2.1 DNA结构检测与改变

癌变细胞因DNA、呼吸途径以及细胞表面受体分布的改变而区别于正常细胞，因此，可利用不同方法对癌变细胞进行诊断。金纳米棒的SPR峰的耦合作用会产生较高的发光效率，荧光量子产率实验结果证明长径比大的金纳米棒比长径比小的金纳米棒荧光效率更高[19]。可利用这一特点在金纳米棒表面标记DNA分子，并根据金纳米棒溶液中荧光强度变化来观察金纳米棒上DNA探针分子与目标DNA分子的杂交情况，进而实现对DNA杂交的检测[20]。

金纳米棒经内吞途径进入细胞。若金表面修饰了硫醇基，则载体进入细胞后会发生一系列变化，转化为金硫酸盐并定位于细胞核。根据细胞内G四链体的改变，可判断细胞与金纳米棒的结合是否会造成DNA结构的改变。分别将十六烷基三甲基溴化铵（cetyltrimethylammonium bromide,CTAB）和十四烷基三甲基溴化铵修饰的不同长径比的金纳米棒与细胞孵育，发现通过胞质囊泡内吞进入细胞的金纳米棒可改变G四链体的结构，且这种改变在G四链体稳定配体的存在下是动态、可逆的，因此金纳米棒可对细胞核内微环境造成动态、可逆的影响。此外，MYC基因和HNRPAB基因的表达显著下调，说明金纳米棒在扰乱细胞核内微环境动态平衡的同时也影响了基因的表达[21]。

2.2 活体组织的实时成像

金纳米棒的突出成像能力已通过小鼠肿瘤组织的X射线吸收实验得以充分证明[22]。将梯度稀释的聚乙二醇修饰的金纳米棒溶液和碘液分别注射入接种了MDA-MB-435肿瘤的小鼠，再使用CT扫描仪对肿瘤进行照射，通过检测小鼠肿瘤组织对X射线的吸收度以模拟CT的成像过程。实验结果证明，X射线的吸收值与聚乙二醇修饰的金纳米棒溶液的浓度呈线性关系。注射了聚乙二醇修饰的金纳米棒溶液的肿瘤组织其X射线吸收值为注射相同浓度碘液的肿瘤组织的2倍，证明金纳米棒相比传统的CT成像方法更高效、更准确。

2.3 无机元素检测

近年来利用金纳米棒为载体检测化合物中的无机元素逐渐成为一种较为有效的判断方法。Lai等[23]将金纳米棒和石墨烯作为关键材料，以不同的修饰方法制备高性能的表面增强拉曼散射（surface enhanced Raman scatting，SERS）基体，制备的3种新型SERS基体包括石墨烯-金薄膜-金纳米棒基体、金薄膜-金纳米棒基体和石墨烯-金纳米棒基体。结果发现，石墨烯-金薄膜-金纳米棒基体在1 380 cm-1和1 440 cm-1的萘环的对称振动峰处显示了最强拉曼信号，说明金纳米棒结合石墨烯后可有效提高检测敏感度。此外，利用该材料与氮、磷、钾等无机元素结合可改变其自身拉曼信号强度的特点，进行食物中的农药残留判断，能进一步提高食品安全性[24]，在食品安全检测及化合物定向检测方面显示出广泛的应用前景。

2.4 肿瘤治疗

金纳米棒生物相容性较好，可用作药物载体[25]。将金纳米颗粒与石墨烯相结合，并用囊泡负载，形成约65 nm的杂合囊泡（rGO-AuNRVe）。该杂合囊泡不但拥有负载药物的能力，还可利用其卓越的光热效应进行化学与光热的联合治疗[26]。以808 nm的射线对样本进行照射，可观测到激光照射下杂合囊泡的溶液迅速升温至76℃，远高于同等条件下金纳米颗粒和石墨烯的混合体，表明杂合囊泡对光的吸收能力更强，利用正电子成像技术可在肿瘤区域检测到强烈的光热信号。由于囊泡中的空间和表面积相对较大，以及石墨烯与药物结合后的π-π堆叠和疏水作用，使rGO-AuNRVe成为一个优良的药物运输载体。通过分析不同时间阿霉素（adriamycin,DOX）的释放发现，光热效应及细胞内的酸性环境能诱导DOX逐步从rGO-AuNRVe囊泡腔中释放，并随时间逐渐上升至平稳，最终释放率达80%[27]。近红外光照射rGO-AuNRVe-DOX使其逐渐释放DOX的潜能对临床治疗肿瘤具有巨大意义，且由于rGOAuNRVe-DOX杂合囊泡可被光能和酸性环境共同调控，在远程遥控药物释放和光热成像方面显示出应用潜力。

金纳米棒可选择性地积聚于肿瘤细胞线粒体上，通过降低线粒体磷酸化水平、减少活性氧产生以及促进线粒体肿胀来加速线粒体的死亡[28]。即使使用环孢素A进行治疗，金纳米棒仍会破坏线粒体的各项生理功能。在金纳米棒浓度最高时，通过透射电子显微镜可看到线粒体嵴出现紊乱，线粒体双层膜分离。上述结果表明金纳米棒可作用于线粒体破坏电子传递链，这为金纳米棒对线粒体生物能的直接影响提供了新证据。

2.5 提高肿瘤治疗效率

将脂质体与聚乙酰化后的金纳米颗粒相结合，可形成高热敏脂质体（high thermosensitive liposomes,HTSL）。HTSL不仅可增加药物的靶向性、增强近红外光照射的光热效应，还能防止药物在循环系统中释放，保证了载药体系在运往肿瘤组织时保持最强活性。体外实验结果证明，HTSL在37℃时药物释放量非常小，在高温情况下4 min内可释放近80%的药物，而作为对照组的低热敏脂质体则有近70%的药物并未释放[29]。上述结果表明HTSL在37℃时具有较高的稳定性，但当其到达肿瘤组织并被加热时，能最大程度在肿瘤组织区域释放药物，大大提高了对肿瘤细胞的杀伤作用。这对于药物最大效能的释放和保证机体其他组织的安全性具有重大意义。对接种MDA-MB-435肿瘤的小鼠的温度记录图像进行分析，发现静脉注射HTSL并通过近红外光照射的肿瘤表面温度很快升至50℃，该温度可有效杀死肿瘤细胞，而注射生理盐水组在5 min后肿瘤表面温度仍低于40℃[30]。因此，金纳米棒经过不同修饰及增强渗透滞留效应，在体内会准确聚集于肿瘤组织中，且会因外部激光照射而高效提升肿瘤部位温度，这种热效应联合药物治疗可大大提高药物对靶细胞的毒性，而对正常细胞损伤程度较低。

除此之外，由金纳米棒、DOX和化学增敏剂在乳液溶剂蒸发技术下自组装而成的金纳米棒聚集体具备较高的DOX载药量（DOX载药量为31.5%）[31]。实验结果证明该纳米聚集体在生理pH下的水溶性和稳定性明显优于单个金纳米棒，且其较大的体积能有效克服肿瘤的多药耐药性。金纳米棒聚集体还可在细胞内高浓度谷胱甘肽的崩解作用下变为单个金纳米棒，并在肿瘤组织的酸性条件[32]下释放DOX，有效促进细胞吸收DOX，抑制DOX外排。另外，由于金纳米棒聚集体由局部富集的金纳米棒组成，因此会呈现出比单个金纳米棒更强的光热治疗效果，有效增强抗肿瘤效果。

提高药物与肿瘤结合的准确性，是目前临床和科研亟待解决的一大问题。这不但要求载药体系具有良好的靶向性，还要求载药体系与肿瘤细胞结合稳定，避免药物弥散全身。有研究者将人类诱导多功能干细胞与金纳米棒@SiO2@CXCR4结合，以此提高与肿瘤细胞结合的准确性[33]。由于诱导多功能干细胞具有肿瘤趋向性，金纳米颗粒与其结合后可被准确送往肿瘤组织。小分子伊文思蓝衍生物（truncated Evans blue,tEB）对人类血清白蛋白/羟基喜树碱（HAS/HCPTA）具有较大的吸附力。因此，可将金纳米棒与tEB小分子相结合，形成HCPT/HAS/tEB复合物（HHEG），利用干细胞自身趋向性提高药物与肿瘤组织结合的准确性。羟基喜树碱能高效抑制肿瘤生长，金纳米棒有定向富集提高光热治疗的效果，因此，多种治疗手段的联合应用能有效提高肿瘤治疗效率[34]。

为了增强金纳米棒在体内的循环时间及利用率，常对金纳米棒表面进行不同的功能化修饰，但修饰采用的分子往往会由于其所带电性影响金纳米棒进入细胞的能力。为解决这一问题，可将对基质金属蛋白酶9有高度应答能力的两性离子多肽[35]与金纳米棒相结合。因肿瘤组织高表达基质金属蛋白酶9，该法既可增强金纳米棒在体内的利用率，又能增强细胞对金纳米棒的摄取，使金纳米棒能在肿瘤区域有效富集，提高光热治疗效率。

2.6 提高低氧环境下肿瘤治疗效率

由于肿瘤细胞无限增殖、大量耗氧使得肿瘤组织处于低氧环境，而低氧环境能通过阻止细胞产生活性氧进而限制许多化学治疗药物的细胞毒性，成为目前癌症治疗面临的又一难题。研究者将小球藻与金纳米棒组成小球藻-金纳米棒-牛血清白蛋白-凝胶系统[36]以克服低氧环境下肿瘤难以治愈的问题。在体外实验中小球藻能通过光合作用产生氧气；在体内实验中通过小球藻的作用，体内能高效产生氧合血红蛋白，增加肿瘤组织供氧，为活性氧产生提供更多底物。实验结果显示，小球藻-金纳米棒-牛血清白蛋白-凝胶系统与DOX联合治疗能显著减小BALB/c小鼠的4T1乳腺肿瘤体积。这种产氧且温和发热的凝胶系统是治疗局部低氧肿瘤的有效原型，为更好地解决缺氧环境下肿瘤治疗提供了思路。

2.7 治疗围产期胎儿窒息

围产期发生的窒息会干扰胎儿发育，导致胎儿各系统尤其神经系统长期发展的缺陷。聚二磷酸腺苷核糖聚合酶-1[poly(adenosine diphosphate-ribose)polymerase-1,PARP-1]基因在调控基因表达和DNA修复中发挥着重要作用，但在窒息的动物中，PARP-1的过度激活加剧了三磷酸腺苷的消耗，使得依赖三磷酸腺苷供能的组织缺少足够的能量，继而导致一系列器质性病变，所以在窒息条件下抑制PARP-1的过度表达至关重要。将小干扰RNA（small interfering RNA,siRNA）与多肽CLPFFD修饰的金纳米棒结合形成金纳米棒-CLPFFD/siRNA复合物后进行脑靶向治疗，siRNA能被有效导入PC12细胞，导致基因沉默，PARP-1因此得以成功敲除；当该复合物腹腔注射予窒息暴露的大鼠幼仔后能到达其大脑[37]。因此，金纳米棒与siRNA相结合可有效抑制体内PARP-1的表达，为降低围产期窒息的影响提供了一种治疗策略。

3 未来发展

3.1 发展领域

金纳米棒在医学方面的应用除光学成像、肿瘤治疗等之外，还可用于血管造影。由于当前临床所用的含碘小分子造影剂具有一定的肾毒性，且成像时间短，不能特异性富集至特定区域[38]，因此研发毒副作用更小、特异性更强的造影剂成为当前的又一研究热点。金元素的原子序数较碘元素高，故金纳米粒子较碘造影剂具有更高的X射线吸收系数，有望成为下一代CT成像造影剂[39]。

金纳米棒还可用于检测食物中的过敏原[40]。近年来有关食物过敏的话题已引起了全球广泛关注。食物过敏不仅对公共健康、更对社会和经济造成了巨大影响。现有的检验食物过敏原的方法主要是采用抗原抗体结合法检验蛋白质或用PCR检验特殊的DNA片段，此类方法存在较多缺点，如所需时间长、误诊率高等。金纳米棒检测因其功能化修饰的特点，相较于正常检测方法更具有突出性，可明显提升检验的准确率及正确率，很大程度上降低了物品检验的门槛。

然而金纳米颗粒因其毒性限制了其在临床、食品检验方面的广泛应用。有关金纳米棒表面修饰以降低毒性的工作正在快速进行。或许未来金纳米棒能凭借其与特定蛋白质准确结合的优异特性在食品方面得到充分应用。

3.2 发展阻碍

金纳米棒的合成方法大多采用晶种生长法，以高浓度的CTAB为模板剂和稳定剂对金纳米颗粒进行表面修饰[41]。CTAB分子的正电性对细胞、蛋白质等生物分子具有生物毒性，且对金纳米棒与生物分子的耦联具有较大阻碍，因此使用CTAB为表面修饰的金纳米棒在生物监测和医学等方面的应用受到了较大限制。

如何降低甚至消除金纳米棒的生物毒性对于临床应用至关重要。目前使用的方法主要是对金纳米棒进行表面修饰以降低毒性。已有实验结果证明，连续15个月使用利福平修饰的金纳米棒并不会对机体造成长期毒性[42]。此外，还可使用二氧化硅进行表面修饰[43]。二氧化硅具有高稳定性和良好的生物相容性，表面的六方孔道能有效增加载药率，且易于表面生物修饰。因此用二氧化硅包裹金纳米棒构建核-壳结构是解决CTAB毒性和难于生物修饰问题的一种有效方法。虽然目前大多的常用方法均面临着无法大量生产、耗时、造价昂贵等缺点，但随着科技进步，这一问题也将被逐步解决。

4 结语

综上所述，金纳米棒的可修饰性及突出的光学及光热特性为其临床各项应用带来了光明的前景，譬如在不伤害身体正常细胞和组织的前提下作为药物载体，利用化学、光热治疗杀死肿瘤细胞，发挥优越的生物成像功能等，但合理的修饰金纳米棒以降低毒性的方法仍需进行更多的研究。只有金纳米棒的生物毒性、稳定性和生物相容性得到了完美解决，才能实现其在临床方面广泛而高效的应用。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突