張迎秋,周 琳,房紹龍

(山東醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校,山東 臨沂 276000)

受到海洋貽貝仿生學(xué)啟發(fā),Lee等[1]利用鄰苯二酚類衍生物多巴胺來模仿貽貝足蛋白,在多巴胺的堿性水溶液放入多種類型材料,經(jīng)過簡單浸涂在材料表面形成聚多巴胺(Polydopamine,PDA)涂層,由此PDA展現(xiàn)出很強的粘附特性?；赑DA納米材料修飾策略的研究開發(fā),PDA還表現(xiàn)出優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能和生物相容性,能賦予納米材料特殊功能,在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。本文對制備PDA的常用方法及其影響因素以及PDA基納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域方面的應(yīng)用進行綜述。

1 聚多巴胺的合成及影響因素

在電化學(xué)聚合、酶催化氧化以及溶液氧化等合成PDA方法中,溶液氧化法因制備過程簡單、聚合條件溫和而最為廣泛應(yīng)用。其合成過程:在氧氣存在下,多巴胺在堿性的溶液中發(fā)生氧化自聚,隨著反應(yīng)時間增長,溶液顏色逐漸加深,最終得到棕黑色PDA。在此過程中,溶液pH、溫度等許多條件都會影響PDA的合成。反應(yīng)溶液的酸堿度在控制PDA納米顆粒粒徑大小中起到至關(guān)重要的作用,較低的溶液pH不利于自聚的發(fā)生,會降低PDA的生長速度[2]。Ju等[3]在不使用模板的條件下,在NaOH水溶液中通過多巴胺氧化自聚合成了PDA納米顆粒。通過調(diào)節(jié)溶液pH以及溫度等,對PDA的形貌和大小進行了控制,隨著溶液中NaOH的增多,PDA納米顆粒逐漸變小。但是當(dāng)加入NaOH的量超過多巴胺時,只能得到黑色的聚合物。

溫度、反應(yīng)單體濃度同樣會影響PDA的形成。Liu等[4]通過反向微乳液法合成出PDA納米顆粒。在含有氨水的環(huán)己烷和Igepal CO-520的混合溶液中,通過調(diào)節(jié)加入多巴胺的用量以及溶液反應(yīng)溫度,制備得到較小尺寸的球狀PDA納米顆粒。當(dāng)加入多巴胺(25 wt%)的量從15 μL增加到60 μL時,相應(yīng)的PDA納米顆粒的尺寸也從25 nm增大到45 nm。對10～50℃的溶液反應(yīng)溫度進行實驗探究,發(fā)現(xiàn)與其他溫度不同,當(dāng)溶液反應(yīng)溫度達到50℃時,只能得到塊狀的PDA材料。選用的溶劑也會影響PDA的合成,不同的溶劑PDA的轉(zhuǎn)化率也不相同[5]。此外,添加的氧化劑(如高碘酸鈉、氯酸鉀)同樣可以影響PDA的聚合,氧化劑是PDA能夠發(fā)生聚合的關(guān)鍵[6]。

2 在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

2.1生物成像 生物成像是闡述生物結(jié)構(gòu)和生理功能過程的一種手段,在臨床檢查和分析中的應(yīng)用越來越受到重視。Li等[7]在制得PDA納米顆粒PDA-RGDC/DOX用于小鼠體內(nèi)光聲(PA)成像,通過實驗證實,PDA納米顆粒除了具有較高光熱轉(zhuǎn)換特性外,還可在生物體內(nèi)用于PA成像?；赑DA的粘附特性,磁性或者發(fā)光物質(zhì)可以輕易與其結(jié)合,使制得的PDA納米材料具有不同成像功能,如Liang等[8]先以谷胱甘肽為配體,合成具有NIR-Ⅱ發(fā)光的Au NCs,在其上包覆PDA,以此增強材料光學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性,隨后在裝載亞甲基藍(MB)制得Au NCs@PDA-MB,利用MB對Au NCs的NIR-Ⅱ發(fā)光猝滅調(diào)控及PDA對MB在不同pH條件下吸附能力不同,用于胃部胃酸pH成像。

Pu等[9]基于PDA的光熱與PA成像能力,構(gòu)建了具有雙模式成像的多功能Gd-PDA-Ce6 @ Gd-MOF(GPCG)核-殼結(jié)構(gòu)納米顆粒。由于GPCG納米顆粒中金屬-有機框架(MOF)結(jié)構(gòu),該納米顆粒表現(xiàn)出增強的磁共振(MR)成像能力和高弛豫率(r1=13.72 mM-1s-1和r2=216.14 mM-1s-1)。Gd離子的MR效應(yīng)與PDA的PAI效應(yīng)相結(jié)合,使GPCG納米顆粒具有雙模式成像能力。體內(nèi)外實驗發(fā)現(xiàn),隨納米材料濃度變化,PA信號強度呈線性增強,MR加權(quán)對比信號也有明顯變化。基于PA和MR的雙模式成像,為GPCG納米顆粒的腫瘤可視化治療奠定了良好基礎(chǔ)。

2.2藥物的裝載與釋放 近年來,基于PDA的納米材料在納米藥物遞送方面也展現(xiàn)出優(yōu)異成績。藥物可通過體外超聲、光照、溫度等刺激得到釋放,在腫瘤微環(huán)境下藥物亦可以受到pH、酶、氧化還原物質(zhì)等內(nèi)部刺激進行釋放。吳浩等[10]將TMZ以及Pep-1加載到PDA NPs材料,得到pH敏感的藥物輸送系統(tǒng)Pep-1@PDA-TMZ NPs。一方面,含有Pep-1的該系統(tǒng)可以與1L-13Rα2受體高度親和,起到精準(zhǔn)進入細(xì)胞核,提高抗腫瘤治療作用;另一方面,該系統(tǒng)在低pH的腫瘤環(huán)境以及光熱作用下,PDA和TMZ、Pep-1之間形成的席夫堿鍵會發(fā)生斷裂,使得TMZ藥物得到釋放。在Pep-1腫瘤靶向、pH、光照刺激藥物釋放三重作用下,該系統(tǒng)明顯降低對正常細(xì)胞毒副作用,表現(xiàn)出良好生物相容性以及腫瘤抑制效果。

Du等[11]將PDA包覆到裝載有DOX的介孔二氧化硅納米顆粒MSNs,為增加材料生物相容性以及穩(wěn)定性,最后利用Fe3+的配位作用將角蛋白包覆到材料表面,得到對pH和谷胱甘肽雙重響應(yīng)的藥物控釋MSNs-DOX@PDA@keratin納米材料。通過系列體外實驗表明,該納米材料在酸性pH和谷胱甘肽同時存在條件下比在單純中性pH條件下DOX的釋放量有明顯提高。

2.3光熱治療(PTT) PTT是一種腫瘤光學(xué)治療方法,利用近紅外光源輻照光熱試劑,通過在局部產(chǎn)生足夠熱量達到有效殺傷腫瘤細(xì)胞的目的,具有無創(chuàng)、高選擇性的特點[12]。由于PDA在近紅外區(qū)的高光熱轉(zhuǎn)換效率以及高的生物相容性等優(yōu)勢,眾多基于PDA的納米材料被研究應(yīng)用到PTT當(dāng)中。Wang等[13]利用多巴胺自聚一鍋法制得雜化納米凝膠MCP。與單一PDA納米顆粒相比,MCP具有更加優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換效率。接著在MCP上進一步修飾上功能性聚乙二醇(PEG)和巰基末端環(huán)精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)肽制得MCP-PEF-RGD納米復(fù)合顆粒。通過體外細(xì)胞實驗與小鼠活體實驗證明,MCP-PEF-RGD能夠成功抑制腫瘤增殖,并表現(xiàn)出良好的腫瘤靶向和生物相容性。

2019年,Zhang等[14]通過氫鍵將能夠在腫瘤酸性微環(huán)境下釋放H2的氨硼烷(AB)固定到PDA表面得到PDAB納米顆粒,接著使用4T1腫瘤細(xì)胞膜進行包覆以此增強同源靶向能力,最終獲得了一種氫氣增強光熱性能的mPDAB納米材料。通過系列體內(nèi)外實驗表征顯示,H2能夠緩解高溫誘導(dǎo)炎癥反應(yīng),抑制休眠腫瘤細(xì)胞復(fù)蘇,起到輔助PTT的作用。在激光照射下mPDAB實現(xiàn)氫氣和光熱協(xié)同治療,最大程度抑制和消除小鼠右腿4T1腫瘤。

Chen等[15]制備了一種Cu2+摻雜介孔聚多巴胺納米材料CuPDA,用于低溫下的PTT。一方面CuPDA中的Cu2+可以催化H2O2發(fā)生芬頓反應(yīng),消耗瘤內(nèi)谷胱甘肽,提高PDA的光熱轉(zhuǎn)換效果,另一方面CuPDA所產(chǎn)生的熱量反過來又可以加快芬頓反應(yīng)速率。為誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)H2O2累積,提高CuPDA的腫瘤靶向能力,分別在其表面加載β-拉帕酮以及透明質(zhì)酸HA,得到CuPDA-Lapa@HA。小鼠實驗過程中,808 nm激光照射(1 W/cm2,10 min)下,小鼠腫瘤部位溫度雖然未超過45℃,但CuPDA-Lapa@HA對腫瘤具有明顯抑制作用。

2.4診療一體化平臺 在腫瘤治療的過程中,研究人員為了實現(xiàn)對腫瘤的大小、形貌的評估,得到有效的治療信息反饋,將各種不同方式的成像與治療手段相結(jié)合,制備得到診療一體化平臺[16],在最近的幾十年里,診療一體化平臺得到了飛速的發(fā)展。

Wang等[17]在磁性普魯士藍納米顆粒(Fe3O4@PB)的表面分別包覆PDA、鋁酞菁(AlPc)、牛血清白蛋白(BSA)制備出一種660 nm近紅外激光誘導(dǎo)的Fe3O4@PB@PDA/AlPc/BSA納米診療平臺,用于MR/光聲/熒光成像引導(dǎo)的PTT以及光動力治療(PDT)。該平臺表現(xiàn)出優(yōu)異的生物穩(wěn)定性以及超順磁性,使得其能夠很好的在腫瘤部位積聚,這有利于增強PTT以及PDT的治療效果。在4T1荷瘤小鼠體內(nèi)注射該平臺24 h后,與心臟、腎臟和肺部相比,在腫瘤部位觀察到明顯熒光、MR和PA的信號,經(jīng)評估,與單一的治療方式相比,在660 nm激光照射下,光熱-光動力協(xié)同治療的方式具有更好的治療效果,可以明顯抑制小鼠體內(nèi)腫瘤的生長。證明了Fe3O4@PB@PDA/AlPc/BSA在多模式成像方面的突出能力。

Chen等[18]以氧化自聚得到PDA為核,利用單寧酸(TA)與Fe3+形成TA-Fe交聯(lián)殼,附在PDA表面得到納米診療平臺PDA@TA-Fe。小鼠活體實驗表明,經(jīng)尾靜脈注射24h后,荷瘤小鼠腫瘤部位的T1/ T2加權(quán)MR成像對比明顯增強,PDA@TA-Fe在808 nm和1064 nm 激光下,光熱轉(zhuǎn)化效率分別為29%和41%,在弱酸性腫瘤微環(huán)境中,TA-Fe交聯(lián)殼逐漸分解,TA將Fe3+還原為Fe2+,通過芬頓反應(yīng)生成羥基自由基,PTT產(chǎn)生的熱量將加速反應(yīng)過程,加快誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡。從而實現(xiàn)T1/ T2加權(quán)MR成像引導(dǎo)的光熱-化學(xué)協(xié)同腫瘤診療。

田耕等[19]通過液相合成法制得二硒化鐵納米粒子(FeSe2NPs),接著用PDA進行包覆,得到具有T2加權(quán)MR成像和良好光熱治療功能的FeSe2-PDA NPs。通過小鼠活體實驗發(fā)現(xiàn),該診療平臺的r2弛豫效率為129.47 mM-1s-1,在808 nm近紅外光(2 W/cm2,5 min)照射下,實驗組小鼠腫瘤部位溫度迅速升高至 56.3℃,在MR成像指導(dǎo)下能夠?qū)Π┘?xì)胞具有良好殺傷能力?；铙w實驗中對荷瘤小鼠進行光熱腫瘤消融后,腫瘤消失且14 d內(nèi)未復(fù)發(fā)。

3 結(jié)語

研究者們已經(jīng)構(gòu)建了多種多樣的PDA基納米材料,在生物成像,藥物運輸、光熱轉(zhuǎn)換等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展示出巨大前景。但仍面臨以下問題:(1)PDA聚合過程復(fù)雜,聚合機理及精確的分子結(jié)構(gòu)尚不明確,大部分PDA基納米材料是在實驗室理想條件下進行小批量的合成,要想實現(xiàn)PDA基納米材料大規(guī)模的合成,并在不同的應(yīng)用中取得最佳性能,仍需要對其制備條件以及結(jié)構(gòu)進行深入探究;(2)盡管許多報道表明PDA表現(xiàn)出優(yōu)異的生物相容性,但為了研發(fā)出更適合臨床醫(yī)學(xué)使用的PDA基納米材料,PDA的生物降解性能及毒性也需要重點關(guān)注。