李雪娜，李成

(1.延邊大學(xué)藥學(xué)院，延吉 133002；2.延邊大學(xué)附屬醫(yī)院藥學(xué)部，延吉 133002)

過去幾十年，納米科學(xué)和納米技術(shù)取得重大進(jìn)展。納米醫(yī)學(xué)作為納米技術(shù)的一個(gè)分支，利用納米顆粒改進(jìn)現(xiàn)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(dú)特的光學(xué)性質(zhì)、表面易修飾、低毒等優(yōu)點(diǎn)，是研究最為廣泛的納米載體之一[1]。然而，裸金納米不穩(wěn)定，容易聚集沉淀為金屬顆粒。因此，通過對(duì)金納米表面進(jìn)行修飾得到的功能化金納米在藥物傳遞領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)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(nèi)外功能化金納米載藥系統(tǒng)在醫(yī)藥領(lǐng)域的研究進(jìn)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(lián)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(jié)構(gòu)。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(gè)目的：第一，金納米連接配體后可以改善其膠體穩(wěn)定性、單分散性和生物相容性；第二，可以增強(qiáng)“小分子”藥物、蛋白質(zhì)和遺傳物質(zhì)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(jié)合，從而增強(qiáng)靶向性，有助于擴(kuò)大應(yīng)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(chǎn)生物理吸附[4-5]。金納米在溶液中形成膠體，而膠體穩(wěn)定性主要取決于靜電斥力。配體的解離常數(shù)(dissociation constant，pKa)值、周圍溶液的pH值以及離子強(qiáng)度會(huì)影響表面電荷的大小，從而影響金納米排斥強(qiáng)度和穩(wěn)定性。因此，在應(yīng)用過程中，可以通過適當(dāng)調(diào)節(jié)配體的pH值和離子強(qiáng)度來保證金納米的穩(wěn)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(fù)合物在24個(gè)月內(nèi)保持可耐受的穩(wěn)定性水平，并有效促進(jìn)了表皮生長因子受體結(jié)合以及誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡。

KHODASHENAS等[7]將明膠通過物理吸附方式與金納米結(jié)合形成的納米復(fù)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(fā)現(xiàn)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(wěn)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(huì)導(dǎo)致配體連接隨機(jī)。可能一些活性位點(diǎn)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(qiáng)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(jìn)行自組裝，得到穩(wěn)定的納米粒子。功能化金納米的反應(yīng)端基再與其他生物分子或藥物的共價(jià)偶聯(lián)實(shí)現(xiàn)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(fù)載甲氨蝶呤(methotrexate，MTX)治療銀屑病。結(jié)果表明Au-3MPS載藥率70%～80%，24 h內(nèi)釋放率95%。體外研究表明，與單獨(dú)使用MTX相比，使用Au-3MPS@MTX偶聯(lián)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(jié)果證明Au-3MPS@MTX偶聯(lián)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(wěn)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(diào)節(jié)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(wěn)定性。聚乙二醇(polyethylene glycol，PEG)的雙功能連接體經(jīng)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(tuán)。研究發(fā)現(xiàn)，影響金納米表面性質(zhì)的兩個(gè)關(guān)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(lián)抗腫瘤藥物的過程中發(fā)現(xiàn)配體密度低時(shí)，PEG-SH聚合物可以通過多個(gè)弱鍵與金納米結(jié)合，而配體密度高時(shí)，表面被更穩(wěn)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(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，觀察老鼠血清促炎細(xì)胞因子白細(xì)胞介素1β(IL-1β)、IL-6、腫瘤壞死因子α(TNF-α)的表達(dá)以及肝臟和腎臟組織病理學(xué)變化。結(jié)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(xì)胞因子表達(dá)。證明與空白金納米相比，PEG功能化金納米作為載藥系統(tǒng)可增強(qiáng)藥物療效。

2.3共價(jià)結(jié)合 金納米與配體進(jìn)行共價(jià)結(jié)合需要經(jīng)過兩個(gè)階段。首先，金納米通過修飾激活反應(yīng)的部分，如羧酸或氨基；然后一端形成的Au-S鍵含活性基團(tuán)的連接體以共價(jià)結(jié)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(fā)生共價(jià)結(jié)合開發(fā)了一種新的pH值響應(yīng)的納米平臺(tái)，用于控制和靶向傳遞抗癌藥物。

金納米尺寸與蛋白質(zhì)、DNA等生物分子尺寸相似。大多數(shù)多肽或蛋白質(zhì)都含有帶巰基的半胱氨酸，可以通過共價(jià)結(jié)合將生物分子固定在功能化金納米上發(fā)揮作用[13]。KALISHWARALAL等[14]研究發(fā)現(xiàn)，肽-藥物偶聯(lián)物(peptide-drug conjugates，PDCs)可靶向殺死不同類型癌細(xì)胞，但其在生理環(huán)境中易水解。研究表明，PDCs與聚乙烯包覆的金納米偶聯(lián)后可提高其穩(wěn)定性。此外還發(fā)現(xiàn)，PDCs與金納米的耦合效率可能因藥物的化學(xué)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(huán)化肽CGisoDGRG (lso1)偶聯(lián)后對(duì)小鼠IL-12的影響。結(jié)果表明，此金納米偶聯(lián)物是提高其治療指數(shù)和維持過繼性T細(xì)胞治療的有效策略。SUN等[16]研究發(fā)現(xiàn)，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(duì)革蘭陰性菌的最低抑菌濃度，并擴(kuò)大對(duì)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(shù)量。此外，Au@DAPT@BSA對(duì)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(huì)產(chǎn)生可檢測的毒性。上述研究結(jié)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(tǒng)在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1基因治療 功能化納米基因載體對(duì)外源基因如DNA、小干擾RNA(siRNA)等具有良好的吸附、富集和保護(hù)能力[17]。DNA修飾的金納米既具有金納米的光學(xué)和物理化學(xué)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(fù)合物，從而更容易被細(xì)胞吸收，保護(hù)其不被核素酶降解。因此，功能化金納米為構(gòu)建DNA傳遞載體提供了潛在的支架，現(xiàn)已被開發(fā)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(shí)癌細(xì)胞中HIC1基因表達(dá)可被有效抑制，結(jié)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(fā)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(xì)胞中而阻礙了臨床應(yīng)用[19-20]。因此，可開發(fā)金納米為載體遞送siRNA至活細(xì)胞中發(fā)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(zhuǎn)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(tǒng)來治療乳腺癌。由于帶正電的納米顆粒具有較高的細(xì)胞攝取能力，因此可以使用低濃度納米顆粒進(jìn)行高效基因轉(zhuǎn)染。轉(zhuǎn)染后，ROR1及其靶向基因CCND1下調(diào)，誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡。結(jié)果表明，HIV-1 TAT肽通過Au-S鍵與金納米結(jié)合后可用于傳遞特定基因的負(fù)電荷治療劑。SHAAT等[22]為克服siRNA快速酶促降解和低轉(zhuǎn)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(xì)胞內(nèi)遞送載體。研究表明，該復(fù)合物可增強(qiáng)細(xì)胞對(duì)siRNA的攝取，而不會(huì)產(chǎn)生明顯細(xì)胞毒性，并證實(shí)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(yōu)異的生物學(xué)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(huán)時(shí)間，降低了聚集速率，增強(qiáng)了對(duì)治療分子和靶標(biāo)試劑的附著，從而可進(jìn)一步提高穿過細(xì)胞膜的能力并降低總體細(xì)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(dòng)靶向 在主動(dòng)靶向中，納米顆粒被偶聯(lián)到配體上，即與靶細(xì)胞上過表達(dá)受體特異性結(jié)合的分子。這些受體在正常細(xì)胞中表達(dá)較差或不表達(dá)，但在靶細(xì)胞上均勻表達(dá)[24]。這種配體-受體的相互作用會(huì)誘導(dǎo)納米顆粒內(nèi)在化，并通過受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用在細(xì)胞內(nèi)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(lián)免疫吸附(ELISA)檢測結(jié)果顯示，與對(duì)照組相比，結(jié)合金納米的TGF-β1抗體可以使細(xì)胞外TGF-β1降低30%。功能化金納米可有效減少腫瘤細(xì)胞外TGF-β1水平，且葉酸和MTX可以增強(qiáng)對(duì)癌細(xì)胞的毒性。THAMBIRAJ等[27]將金納米與多西他賽以非共價(jià)鍵形式結(jié)合，并與靶向分子葉酸偶聯(lián)，評(píng)價(jià)了合成的金納米共軛物對(duì)肺癌細(xì)胞系H520的細(xì)胞毒性。結(jié)果表明以金納米為基礎(chǔ)的納米偶聯(lián)物可作為治療各種癌癥化療藥物的載體系統(tǒng)。

3.2.2被動(dòng)靶向 被動(dòng)靶向是利用腫瘤部位病理生理特征進(jìn)行藥物的靶向傳遞。直徑100～400 nm范圍內(nèi)的納米顆粒會(huì)通過腫瘤部位滯留效應(yīng)來積累藥物[28]。COELHO等[29]發(fā)現(xiàn)，PEG-金納米偶聯(lián)物與多柔比星和伐利替尼聯(lián)合后具有降低癌細(xì)胞存活率的作用，同時(shí)能降低對(duì)健康胰腺細(xì)胞的毒性。在癌癥治療中，可以進(jìn)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(yīng)。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(yōu)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(xué)靶向 物理化學(xué)靶向制劑即運(yùn)用某些物理化學(xué)方法使靶向制劑在特定部位發(fā)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(yīng)[31]。KIM等[32]開發(fā)了負(fù)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(lián)后用于磁性靶向的化學(xué)光熱治療以及類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎的體內(nèi)成像。與常規(guī)治療相比，在連續(xù)近紅外光照射和外部磁場相結(jié)合的情況下，可產(chǎn)生更好治療效果。

血漿和正常組織pH值為中性，而腫瘤細(xì)胞外環(huán)境為酸性(pH值4.5～5.5)。腫瘤部位的酸性環(huán)境可被用于pH敏感性藥物載體系統(tǒng)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(duì)靶向配體進(jìn)行可逆的屏蔽或去屏蔽的自組裝。由于血液循環(huán)時(shí)間長和細(xì)胞內(nèi)在化程度高會(huì)實(shí)現(xiàn)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(dú)特物理和化學(xué)性質(zhì)，使其成為制備各種新型生物傳感器的良好支架材料?；诮鸺{米的傳感器可以根據(jù)檢測到的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這些響應(yīng)信號(hào)通過分析方法改變某些參數(shù)(如尺寸、形狀或環(huán)境)而產(chǎn)生。基于功能化金納米的生物傳感器在臨床診斷中發(fā)揮著重要作用。SUN等[34]研究了多功能復(fù)合材料ssDNA-金納米@IGA3@SiO2并構(gòu)建了用于胰島素檢測的化學(xué)發(fā)光(chemiluminescence，CL)生物傳感器，用于重組人胰島素檢測時(shí)獲得了很好的效果。FARMANI等[35]合成了石墨烯量子點(diǎn)(graphene quantum dots，GQDs)與金納米的偶聯(lián)物，利用熒光技術(shù)研究了紅素B(erythrosine B，ErB)與GQD-金納米偶聯(lián)物的相互作用。結(jié)果表明，ErB對(duì)其熒光有明顯猝滅作用。利用這種良好的交互作用可以構(gòu)建傳感器來檢測藥品中ErB，確保含量符合標(biāo)準(zhǔn)。

3.4光熱治療 由于功能化金納米獨(dú)特的表面等離子體共振可以將光能轉(zhuǎn)化為熱能，從而導(dǎo)致高溫。因此，光熱治療可以用高溫殺死癌細(xì)胞。MAJIDI等[36]合成葉酸(folic acid，F(xiàn)A)與二氧化硅金核殼納米顆粒(FA-SiO2@金納米)結(jié)合，以改善黑色素瘤細(xì)胞的治療。結(jié)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(jìn)一步研究利用體內(nèi)模型在人類中的應(yīng)用。

4 結(jié)束語

大量研究結(jié)果證明，功能化金納米載藥系統(tǒng)在醫(yī)藥領(lǐng)域具有很多優(yōu)點(diǎn)。與大分子多肽、蛋白質(zhì)等偶聯(lián)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(duì)癌癥、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎等有良好治療效果；可以進(jìn)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(tǒng)的臨床研究和治療奠定了理論基礎(chǔ)。

目前，使用功能化金納米作為藥物遞送系統(tǒng)的載體已經(jīng)取得巨大進(jìn)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(nèi)大量蓄積后會(huì)產(chǎn)生毒性，對(duì)人體正常細(xì)胞造成損傷；②功能化金納米載藥系統(tǒng)的傳遞特性，如吸收和釋放速率尚未明確；③如何進(jìn)一步增加功能化金納米的載藥量；④大多數(shù)功能化金納米的制備工藝較復(fù)雜，為其臨床應(yīng)用和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)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(shù)的高速發(fā)展，使用功能化金納米載藥系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)一步優(yōu)化藥物在體內(nèi)的應(yīng)用。功能化金納米載藥系統(tǒng)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(qiáng)大潛力的藥物遞送系統(tǒng)。