金纳米片在肿瘤治疗和诊断中的应用

刘美辰，梁 爽，刘永军，张 娜

（山东大学药学院，天然产物化学生物学教育部重点实验室，济南 250012）

恶性肿瘤是全球性的健康问题，2020 年诊断为肿瘤的患者数达1 930万人，1 000万人死于恶性肿瘤，其发病率仅次于心脑血管疾病。精准诊断和及时治疗对控制肿瘤向恶性发展尤为重要。为提高肿瘤诊疗效果，纳米药物递送系统因其具备靶向递送能力、改善药物药代动力学性质、响应性定点释药等优势得到了广泛研究。根据材料组成的不同，目前研究的纳米药物递送系统主要包括脂质纳米载体、聚合物纳米载体、无机纳米载体等。其中，无机纳米载体是一类可以通过物理或化学方法合成的具有多种形态、功能的无机递送材料，具有制备简便、载药率高、易于表面修饰等优势。

在无机纳米载体中，金纳米材料因其相对化学惰性、良好生物相容性等特点，在生物医学、材料、工业催化、生物分析化学等领域显示出巨大潜力，特别在肿瘤治疗和肿瘤成像等方面已有诸多应用。金纳米材料主要包括金纳米球、金纳米棒、金纳米条、金纳米晶、金纳米团簇、金纳米片等；相比一维的金纳米材料（金纳米条、金纳米棒），二维的金纳米片具有更高的比表面积、更大的开平层以及更多的堆垛层错，从而有利于获得更好的表面活性，且便于进行表面修饰改性等拓展处理，已成为目前的研究热点（见表1）。基于此，本文对金纳米片的特点、制备进行介绍，重点综述金纳米片在肿瘤治疗以及诊断中的应用，为金纳米片在肿瘤领域的研究和应用提供参考。

表1 金纳米片的特点及应用

1 金纳米片的概述

1. 1 金纳米片的特点

金纳米片是一类将金制成纳米级别、形貌规则、尺寸均一的三角片、五角片、六角片或圆角片，除了传统的金纳米材料如金纳米球、金纳米棒等所具备的性质，如表面等离子共振特性、荧光特性、电化学特性、分子识别特性［9］外，其自身可调节的光学性质和特殊的几何结构，使其具有更多的优势。首先，金纳米片的制备工艺简单，形貌及尺寸可控，因其具有各向异性，可合成不同形态和粒径的金纳米片［10］；其次，金纳米片具有独特的表面等离子共振效应和光散射等物理特性，可用于光学治疗和光学诊断；再次，金纳米片比表面积大，其更大的开平层以及更多的堆垛层错，有利于使其获得更高的表面活性，从而实现药物装载和功能化修饰。

1. 2 金纳米片的制备

目前金纳米片的制备方法有种子介导生长法、光催化反应法、无核法、热水溶液法、模板法、液相还原法、气相沉积法等。其中，种子介导生长法也称两步合成法，是目前采用的最常用的方式。该法反应条件温和、反应流程较短，合成的金纳米片均一性良好、形貌可控［11］。第一步，制备金晶种：将HAuCl4溶液加入水中，再加入柠檬酸钠制备晶种溶液；然后迅速将NaBH4加入晶种溶液中搅拌2 min，得到深橙色的溶液，在室温下保存至少3 h后使用。第二步，使金晶种生长：由于晶种的各向异性，可配制对应的生长液控制金纳米片的形状［12］。生长液通常为十六烷基三甲基氯化铵、氢氧化钠、碘化钾和L-抗坏血酸的混合溶液，加入生长液孵化，避光放置24 h，使晶种在特定体积下沿着瓶壁和瓶底多步生长。通过改变晶种或初始成核位点、表面活性剂、反应温度、pH 等参数可调控所制备金纳米片的大小和形态［13］。

2 金纳米片在肿瘤治疗中的应用

金纳米片在肿瘤治疗中的应用主要包括药物递送、光热治疗、光动力治疗、声动力治疗（如图1）。

图1 金纳米片在肿瘤治疗中的应用

相比于金纳米球和金纳米条，金纳米片的高比表面积使药物容易修饰在其表面，目前的研究主要通过化学键进行功能化修饰，大多使用含硫醇基的配体以金-硫（Au-S）键的形式结合在金纳米片表面；通过药物装载，金纳米片可提高难溶性药物的溶解度和改善体内分布，从而增强治疗效果。如铂（IV）水溶性差，Shi 等［1］通过在Pd@Au 纳米片上修饰HS-PEG-NH2 链接Pt（IV）形成Pd@Au-PEG-Pt，所制备的Pd@Au-PEG-Pt 纳米片表现出良好的稳定性并能高效装载Pt（IV）前药；另外，体外结果显示纳米片比直径相近、表面修饰的球形Au-PEG-Pt 具有更高的肿瘤聚集率，且对肿瘤细胞显示出更高的毒性作用。此外，金纳米片在外加光照下温度升高，可触发释放装载的药物。例如Brann 等［14］在寡核苷酸上修饰二硫键，将硫酸化的、形成发丝的寡核苷酸或硫酸化的富含鸟苷的适配体AS1411 涂层在三角形的金纳米片表面形成发夹结构，然后用盐酸阿霉素（DOX）插入到发夹结构中。在聚焦近红外能量曝光后，粒子升温并使发夹序列变性，从而触发释放DOX。

2. 1 光热治疗

光热治疗（photothermal therapy，PTT）将具有较高光热转换效率的材料聚集在肿瘤组织附近，并在外部光源（一般是近红外光）的照射下将光能转化为热能来杀死肿瘤细胞。具有光热性质和高光热转换效率（η）的材料是PTT 的关键因素：首先，金纳米材料是最早被发现具有光热性质的一类材料，在表面等离子体共振峰波长附近的激光照射下表现出强烈的吸收和散射特性，且在对入射光强烈吸收后，导致颗粒温度迅速升高并向周围传递热量。但是球形金纳米颗粒的吸收光谱主要位于可见光区，与其他形态的金纳米材料相比，金纳米片在近红外区域具有最佳吸收性能。另外，光热转换的机制与激光辐照引起的内部电子或空穴运动有关，并不断将激光能量转换为热量［2-3，15］，在相同条件下比较了金纳米片、金纳米棱镜、金纳米笼和金纳米花的η，发现金纳米片因其独特的形状和尺寸而具有更高的η，从而获得更好的PTT效率［2，4］。

基于上述，金纳米片因其特殊的二维形貌而具有比表面积大、吸收光谱较广、光热转换效率高等优点，广泛用于光热治疗。Jiang 等［16］在金纳米三角片光热转换效率的实验中，以金纳米片作为光热剂在体外破坏肿瘤细胞。在激光束下照射后，肿瘤细胞死亡且其区域直径与激光光斑大小匹配，受损细胞区域随着照射时间的延长而增加，表明肿瘤细胞的死亡由金纳米片的光热破坏引起。

2. 2 光动力治疗

光动力治疗（photodynamic therapy，PDT）是指用特定波长照射肿瘤部位，活化聚集在肿瘤组织的光敏药物引发光化学反应进而产生具有生物毒性的单线态氧（reactive oxygen species，ROS）等活性氧物质破坏肿瘤。金纳米片较大的表面积和超薄尺寸会增强一定波长范围内的表面等离子体共振，促进ROS 的生成；另外，独特的片状形态使金纳米片在可见光和近红外区域表现出广泛的吸收，可以最大限度地提高近红外吸收和单线态产氧效率。Zhang 等［5］证明了在近红外辐射下，金纳米片表面光滑，能以更少的光能生成单线态氧。体外实验表明，其超薄特性显著提高了近红外辐射下金纳米片表面等离子体共振产生ROS 的效率，在激光照射下金纳米片对小鼠4T1乳腺癌细胞具有较强的杀伤能力；实验同时比较了金纳米球、金纳米簇、金纳米片的细胞杀伤效率，发现二维形态均匀的金纳米片对细胞杀伤的效率最高。

2. 3 声动力治疗

声动力治疗（sonodynamic therapy，SDT）利用超声的强大穿透能力，深入组织内部，活化声敏剂产生ROS 进而杀伤肿瘤。基于已知的SDT 诱导细胞凋亡或坏死的机制，为获得更好的治疗效果，声敏剂的开发越来越受到重视。声敏剂一般分为有机小分子声敏剂和无机声敏剂，与有机小分子相比，无机声敏剂具有相对优越的物理化学性质和高稳定性，在SDT 中得到了迅猛的发展和广泛的应用。然而，传统的无机声敏剂，如现今应用较广的纯二氧化钛（TiO2）纳米颗粒，虽已被证明是高生物相容性且相对稳定的声敏剂［17］，但其快速的电子-空穴复合导致ROS 的低产率［6］，金纳米片的表面等离子体共振可以增加复合材料的吸收光谱，与之结合可以提高ROS 产率。Gao 等［18］发现二氧化钛涂层的金纳米片（Au NPL@TiO2）发挥了光热/声动力治疗的协同作用。与纯TiO2纳米粒子相比，金纳米片可以作为电子陷阱，经超声活化后，通过声动力学过程极大地提高了该复合材料产生ROS 的能力，体外和体内研究表明，Au NPL@TiO2纳米结构可与PTT和SDT结合作为抗肿瘤制剂，从而高效治疗肿瘤。

3 金纳米片在肿瘤诊断中的应用

除了在肿瘤治疗方面，金纳米片在肿瘤诊断中的生物检测、CT成像、光声成像中也展现出良好的前景（图2）。

图2 金纳米片在肿瘤诊断中的应用

3. 1 生物检测

金纳米片平坦的原子表面和超薄的尺寸可构建具有良好生物活性的表面，生物分子能以合适的形式均匀地固定在金表面上，更大限度地发挥固定分子的功能，目前被用来检测蛋白和肿瘤细胞等。例如，C-反应蛋白（C-reactive protein，CRP）是炎症和感染的蛋白生物标志物，可作为疾病的预测或预后标志物。Hwang 等［19］通过Au-S 键将CRP 抗体有效结合且均匀固定在金纳米片的表面，从而实现特异性检测CRP。另外，He等［20］发现金纳米片在H2O2分解生成无毒O2时表现出优异的催化活性，利用这一点，在金纳米片表面通过HSPEG-NH2与叶酸（folic acid，FA）偶联，在密闭的容器内，FA 和肿瘤细胞过表达的叶酸受体（folate receptor，FR）之间的特定相互作用，使肿瘤细胞摄取叶酸偶联的金纳米片，在细胞内金纳米片的催化作用使H2O2分解成更多的O2，容器内压力变化，传感器检测到压力信号从而判读出肿瘤细胞的存在。

3. 2 CT成像

X 射线计算机断层扫描（computed tomogra⁃phy，CT）是现代医学中最强大的无创诊断成像技术之一。然而，临床上常用的CT 造影剂碘化分子在体内的循环时间相对较短，大大限制了该技术在靶标特异性成像和血管造影中的应用［7］。为增强CT 成像效果，物体对X 射线的吸收起着关键作用，而金的原子序数（Z = 79）高于碘（Z = 53）［21］，且金的结晶形式更为致密，吸收X 射线的能力更强，使得它们能够通过X 射线成像在复杂的生物体中定位［7］，因此是良好的放射增敏剂。另外，为实现良好的靶向能力，金纳米片更容易用靶向蛋白进行功能化，可进一步增强肿瘤部位的显像信号。Zhao 等［22］制备了一种PEG 偶联多肽P75 修饰的靶向抗表皮生长因子受体的金纳米三角片（TGNPEG-P75），在体外和小鼠体内进行CT 成像时发现显像信号明显升高，且图像亮度和CT信号与TGNPEG-P75浓度呈正相关。

3. 3 光声成像

光声成像（photoacoustic imaging，PAI）是一种新开发的混合生物医学成像方式，用于测量脉冲激光组织吸收（如血红蛋白和黑色素）所引起的超声波［23］。PAI具有丰富的光学对比度、高超声空间分辨率和深穿透度，可显示结构、功能和分子图像，用于体内疾病诊断和治疗监测［24-25］。然而，对于深部组织成像，由于内生色团的固有吸收在近红外波长区域较低（例如氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白），光声信号相对较弱，不适用于早期肿瘤或较深肿瘤的诊断。为了增强深层肿瘤信号，通常有两种方法——使用内源性对比剂，例如血红蛋白和黑色素；或者使用各种外源性成像剂，包括小分子和纳米颗粒［8］。外源性造影剂在近红外区域具有高吸收率，可以实现分子的特异性和敏感性，因而被广泛用于PAI。与传统的金纳米球、金纳米棒相比，金纳米片尖锐的顶点和较大的比表面积，以及在近红外波长范围内的高消光系数，使其在近红外波长范围内表现出超强吸收，是良好的外源性造影剂［26］。Peng 等［27］通过在金纳米三角片的表面上涂覆薄层银来设计PEG-Au@Ag 纳米片（NPs），在近红外区域，PEG-Au@Ag NPs 表现出强烈的光吸收，证明了PEG-Au@Ag NPs 可以为PA成像提供显著的对比。

4 结语及展望

金纳米片由于独特的理化性质和结构性能，在药物递送、光热治疗、光动力治疗、声动力治疗、生物检测、CT成像、光声成像等应用中具有出色的表现，随着二维金属材料逐渐受到重视，金纳米片在肿瘤领域的研究也会更加深入。但在应用中仍有一些问题亟待解决，例如：（1）金纳米片对正常细胞和肿瘤细胞都表现出一定的杀伤作用，并且有研究发现，三角形的金纳米片对细胞的杀伤作用最强，然而这一现象的机制尚不清楚。（2）金纳米片在体内降解缓慢，存在一定的副作用，需进行长时间的毒理学评估。（3）在CT 成像中，金纳米片作为造影剂时，虽然吸收X 射线的能力强于碘，但需要大剂量的造影剂才能获得足够的对比效果，导致金价CT 造影剂商业化面临阻碍。未来有望致力于研究具有低毒性、良好体内安全性、较低成本的金纳米片，以实现临床应用转化。