納米在醫學上應用的現狀與展望

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1納米診斷技術

1.1細胞分離與染色

納米細胞分離技術的出現有助于解決生物醫學中快速獲取細胞標本的難題。將15~20nm的SiO2包覆粒子均勻分散到含有多種細胞的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶液中,利用梯度原理,通過離心技術快速分離所需要的細胞[1]。用這種方法很容易將懷孕僅8周左右的孕婦血樣中極少量的胎兒細胞分離出來,通過對其染色體的分析,判斷胎兒是否有遺傳缺陷。應用納米免疫磁珠檢測早期肺癌患者循環血液中的腫瘤細胞,可以監測肺癌的轉移情況[2]。

納米顆粒也為建立新的細胞染色技術提供了新的途徑。段箐華等[3]用聯吡啶釕配合物[Ru(Ⅱ)(bpy)3]2+、異硫氰酸羅丹明B(TRITC)、異硫氰酸熒光素等熒光分子標記SiO2納米顆粒,實現了體外對B淋巴細胞、肝癌細胞、早期凋亡乳腺癌細胞、系統性紅斑狼瘡細胞的特異性識別。異硫氰酸熒光素標記的SiO2納米顆粒表面接特異抗體,可用于免疫學檢測[4]。

1.2納米造影劑

無機納米粒子因其形狀、尺寸和組成的不同而具有獨特的物化性能,可用作新型生物造影材料,能提供良好的檢測信號對比度和生物分布度,提高診斷效率,并有望將現有的解剖學層面的造影技術推向分子水平,即“分子造影”[5-7]。納米造影劑一般需要3個組成部分:(1)無機納米粒子核,如金、氧化鐵等,用以實現造影增強效果;(2)水可分散的殼層,如聚乙二醇等,用以提高無機納米粒子核的溶液穩定性;(3)賦予靶向功能的生物活性分子,如蛋白、多肽和抗體等。

高分子修飾的氧化鐵納米粒子,如葡聚糖包裹的超順磁性氧化鐵納米粒子已被用于臨床以提高解剖學層面的磁共振造影[8],也被用于分子造影[9]。傳統的檢測方法對Ⅰ、Ⅱ期癌癥檢出率小于15%,使用高磁共振對比度的造影劑能夠提高早期癌癥的檢出率。例如,乳腺癌細胞過度表達人上皮增長因子受體2基因(HER2/neu)[10],將磁性納米粒子(MNPs)偶聯上HER2的抗體赫賽汀,就可以將SK-BR-3乳腺癌細胞檢測出來[11]。用MNPs偶聯赫賽汀探針還可以測出不同細胞的HER2表達量[12]。同樣,可以用偶聯了rch24抗體的Fe3O4靶向癌胚抗原來診斷結腸癌[13];用偶聯了HmenB1抗體的FePt-Au來靶向成神經細胞瘤細胞(CHP134)過度表達的聚唾液酸(PSA)[14]。合金MNPs,如FePt@CoS2等兼具造影和治療功能。

FeP@tCoS2納米粒子被HeLa細胞攝入以后,在癌細胞的酸性環境中釋放出的Pt+能導致癌細胞凋亡[15]。SiO2@Fe3O4@Au納米粒子可以用于磁共振造影和治療,當其與抗HER2基因抗體偶聯后有明顯的T2加權造影效果,再加上持續的光照,由金殼產生的能量能將癌細胞殺死,起到治療作用[16]。

金納米粒子因為其獨特的表面等離子共振效應被用作光學造影劑和傳感器[17-19]。利用金納米粒子的表面易于功能化的特性,El-Sayed等[20]在金納米粒子表面偶聯表皮生長因子抗體(anti-EGFR),使金納米粒子靶向富集在表皮生長因子高表達的口腔上皮癌HOC313細胞上。與普通上皮細胞HaCaT相比,經表面改性的金納米粒子在HOC313細胞中表現出了更清晰的造影效果。以殼聚糖為納米載體的復合微球成功地將包覆的金納米粒子與藥物一同送入細胞核,起到了細胞核給藥和細胞核造影的雙重功能,實現了金納米粒子的多功能化[21-22]。

半導體納米粒子(又稱量子點)已經被用作熒光探針,用于細胞標記和光學探針[23-24]。美國華盛頓大學的研究人員用蛋白將一個量子點內核包裹在一個直徑為3nm的超薄金殼中,使兩部分的光電特性不受彼此的干擾,從而首次實現了將半導體和金屬納米粒子結合在一起而仍能保留各自的功能,量子點可用于熒光成像,金球則可用于散射成像。

1.3納米傳感器和新型納米診斷技術

雖然對納米傳感器的研究時間較短,但其優點是不容置疑的。由生物大分子構成,利用化學能進行機械做功的分子馬達納米傳感器,使其尖端插入活細胞內而又不干擾細胞的正常生理過程,來獲取活細胞內多種反應的動態化學信息、電化學信息。如利用ATP酶作為分子馬達的納米傳感器能進入人體細胞,完成在人體細胞內監測和藥物釋放等任務,可以連續監測體內代謝變化,對肺部小血管內NO和CO的監測結果對于高血壓和心血管疾病的診斷和治療具有重要意義[25]。其他的分子馬達還包括RNA聚合酶、肌球蛋白和驅動蛋白等[26]。在糖尿病治療中可將納米生物傳感器置于真皮層檢測葡萄糖水平,從而指導給藥。斯坦福大學的科學家最近利用納米科技及電磁效應發明了一種生化傳感器,這種傳感器可以及早發現癌癥的早期癥狀,利于對患者及時進行治療。

隨著隧道掃描顯微鏡和原子力顯微鏡的問世,人們能夠在納米尺度上了解生物大分子的精細結構及其與功能的關系,并動態獲取生命信息[27]。利用原子力顯微鏡可以在納米水平揭示腫瘤細胞的形態特點,通過尋找特異性的納米結構改變實現對腫瘤的早期診斷,從而解決腫瘤診斷的難題[28]。

2納米藥物載體和納米藥物

納米藥物與傳統的分子藥物(molecularmedicine)的根本區別在于它是顆粒藥物(particulatemedicine)。廣義的納米藥物可分為兩類:一類是納米藥物載體,即指溶解或分散有分子藥物的各種納米顆粒,如納米球、納米囊、納米脂質體等。二是納米藥物,即指直接將原料藥物加工成的納米顆粒,或利用嶄新的納米結構或納米特性,發現基于新型納米顆粒的高效低毒的治療或診斷藥物。前者是對傳統藥物的改良,而后者強調的是把納米材料本身作為藥物[29]。

2.1納米藥物載體

實現細胞和亞細胞層次上藥物的靶向傳遞和智能控制釋放,是降低藥物毒副作用、提高治療效果的共性問題。納米粒子介導的藥物輸送是納米醫學領域的一個關鍵技術,在藥物輸送方面具有許多優越性。目前,用作藥物載體的材料有金屬納米顆粒、生物降解性高分子納米顆粒及生物活性納米顆粒等[30]。理想的納米藥物載體應具備以下性質:毒性較低或沒有毒性;具有適宜的制備及提純方法;具有合適的粒徑與形狀;具有較高的載藥量;具有較高的包封率;對藥物具有良好的釋放特性;具有良好的生物相容性,可生物降解或可被機體排出;具有較長的體內循環時間,并能在療效相關部位持久存在等。

2.1.1抗腫瘤藥物載體腫瘤的納米靶向治療以納米粒為載體,將藥物或制劑定向于腫瘤部位,可以大幅度提高藥物的生物利用率,提高療效,降低用藥量,減少毒副作用,已成為國際腫瘤藥物研制中的熱點和前沿。

惡性腫瘤周圍及其實質有大量的新生毛細血管形成,這些血管通透性高,400~600nm以下的納米顆粒可穿過血管到達腫瘤組織。Alexiou等[31]在動物模型上用磁性納米粒負載抗癌藥物進行區域動脈灌注,外加磁場定位濃集,發現納米粒子隨血液流入腫瘤部位并滲透到腫瘤組織內,提高了藥物的治療指數。Mu等[32]將生物可降解聚合物PLGA納米粒、VitaminE、TPGS和抗腫瘤藥物紫杉醇混合在一起,藥物可較容易地到達腫瘤部位而發揮靶向效應作用。楊凱等[33]在治療口腔癌頸淋巴結轉移灶時,將抗癌藥物葫蘆素BE裝載到聚乳酸納米微粒上,發現藥物可靶向到達病變部位,毒副作用和局部刺激作用顯著減小。

惡性腫瘤的納米粒磁導靶向熱療也是有效的方法,熱療本身可以破壞腫瘤細胞。將磁性納米粒子經包裹或修飾后選擇性地注射到腫瘤部位,然后施加交變磁場,納米粒子受到交變作用而產熱,可提高放療和化療的效果。口腔頜面部腫瘤位置相對表淺,是最適合作磁導靶向化療和磁導靶向熱療的部位。此外,由于納米脂質體載體具有較好的藥物、基因和成影劑包封率,在腫瘤造影成像等方面顯示出較好的優勢[34]。

2.1.2中樞神經系統(CNS)藥物載體血腦屏障對于維持CNS的相對穩定起著重要作用,但其毛細血管連接緊密,大多數藥物很難通過血腦屏障進入CNS。因此,如何使CNS藥物跨越血腦屏障從血液進入腦內且發揮藥效是藥物傳遞系統需要解決的一個難題。納米粒子作為藥物載體,為不能透過血腦屏障的CNS藥物入腦提供了新途徑。Sun等[35]以聚乳酸為基質,制備了裝載異硫氰酸熒光素-右旋糖酐的納米粒,并將納米粒用聚山梨酯-80包衣,給小鼠尾靜脈注射后發現納米粒可主動靶向腦組織。Kepan等[36]同時給小鼠注射采用聚山梨酯-80包衣的甲氨蝶呤聚氰丙稀酸丁酯納米粒子(PBCA-NP),未包衣NP及甲氨蝶呤溶液,通過檢測腦脊液及腦組織內藥物濃度顯示,采用聚山梨酯-80包衣的甲氨蝶呤PBCA-NP能顯著提高腦內甲氨蝶呤藥物濃度。Petri等[37]研究顯示,泊洛沙姆-188包衣的PBCA-NP與聚山梨酯-80包衣的PBCA-NP均能顯著提高阿霉素的抗腦腫瘤活性。

Oliver[38]發現,用聚山梨酯-80修飾的PBCA-NP通過血腦屏障的機理,部分是由于載體降解產生的毒性打開了腦血管內皮的緊密連接。Ulbrich等[39]發現,用人血清白蛋白納米粒子包裹本無跨血腦屏障能力的藥物洛哌丁胺(loperamide),并與轉鐵蛋白或轉鐵蛋白受體的單克隆抗體OX26共價結合后,能夠借助血腦屏障上轉鐵蛋白受體介導的胞吞作用進入腦組織,產生強烈的抗傷害性藥效。將神經生長因子載入表面經聚山梨酯-80修飾的PBCA-NP,注射帕金森病小鼠模型后可在21d內持續發揮抗帕金森病的療效[40]。抗菌藥物環丙沙星(ciprofloxacin)裝載入表面修飾了HIV-1反式激活蛋白(TAT)的聚乙二醇納米粒子,利用TAT能將異源蛋白導入細胞內或穿過血腦屏障的特點,通過檢測發現該抗菌藥物能被人類星型膠質細胞攝取,此法還可用于使其他抗生素跨越血腦屏障,從而治療腦部感染[41]。

2.1.3其他胰島素(insulin,INS)的降糖療效明顯,但普通制劑的INS口服給藥不易吸收,且容易被胃蛋白酶、胰蛋白酶和腸激酶等降解,因此目前臨床上INS的常規給藥途徑為注射給藥。大量的研究工作證實,口服納米囊可保護INS不被酶破壞,提高INS的生物利用度,減少用藥次數。Mesiha等[42]制備的聚氰基異丁酯丙烯酸納米粒可將藥物作用時間從6h延長至72h,生物利用度更好。Merisko等[43]制得INS納米粒,通過體外實驗證明其有良好的緩釋能力。Christiane等[44]用生物聚合物和非生物聚合物復配制得納米粒子,可將INS包裹在納米粒子的內核,對INS的包封率可達到約96%,并且實驗證明有很好的緩控釋效果。納米藥物控釋系統還被用來防治血管再狹窄[45]。

再狹窄是冠狀動脈經皮腔內成形術(PTCA)后常見而嚴重的并發癥,運用微孔球囊介入導管將納米粒子自由分散形成的乳狀懸浮液置于PTCA部位,可以達到防治再狹窄的效果。另外,載藥納米粒子進入動脈壁后,隨著可降解材料的逐漸水解,其內含的藥物便緩慢持續釋放出來,從而實現藥物在動脈內局部定位。用納米顆粒,包括納米膠束、納米脂質體等作為基因轉移載體,已引起醫學界廣泛重視。其原理是納米顆粒作為載體將DNA、RNA、PNA(肽核苷酸)、dsRNA(雙鏈RNA)等基因治療分子包裹其中,或者通過靜電引力或吸附將治療分子固定在其表面形成復合物,在胞吞作用下納米顆粒進入細胞,釋放基因治療分子,發揮治療效能[46]。

2.2納米藥物

直接以納米顆粒作為藥物的應用之一是抗菌藥物。納米抗菌藥物具有廣譜、親水、環保、遇水后殺菌力更強、不會誘導細菌耐藥性等多種性能。以這種抗菌顆粒為原料,成功地開發出了創傷貼、潰瘍貼等納米醫藥類產品。例如,納米二氧化鈦樹脂基托材料具有一定的抗變形鏈球菌和抗白色念珠菌的效果,當樹脂基托中抗菌劑的濃度達到3%時,即可達到滿意的抗菌效果[47]。郭春蘭[48]用納米銀醫用抗菌敷料對142例患者的手術切口進行護理,所有切口均無感染并Ⅰ期愈合,同常規使用普通無菌敷貼覆蓋切口的方法相比,平均每例的愈合時間提前1.69d。

無機納米顆粒作為新型的抗癌藥物為腫瘤治療提供了新的思路。Liu等[49]用Gd@C82(OH)22處理荷肝癌的小鼠,在10-7mol·kg-1的注射劑量下能有效地抑制腫瘤生長,同時對機體不產生任何毒性。其抑瘤效應不是通過納米顆粒對腫瘤的直接殺傷起作用,而是可能通過激活機體免疫來實現對腫瘤的抑制作用。納米羥基磷灰石在體外對惡性腫瘤細胞產生明顯的抑制作用,而對正常細胞作用甚微,可望通過進一步的研究獲得一種區別于傳統的化療藥物的納米無機抗癌藥物[50-51]。此外,有的物質納米化后出現新的治療作用,如二氧化鈦納米粒子可抑制癌細胞增殖[52];二氧化鈰納米顆粒可以清除眼中的電抗性分子并防治一些由于視網膜老化而帶來的疾病[53]。

3組織修復和再生醫學中的納米材料

將納米技術與組織工程技術相結合,構建具有納米拓撲結構的細胞生長支架正在形成一個嶄新的研究方向。相對于微米尺度,納米尺度的拓撲結構與機體內細胞生長的自然環境更為相似。納米拓撲結構的構建有可能從分子和細胞水平上控制生物材料與細胞間的相互作用,引發特異性細胞反應,對于組織再生與修復具有潛在的應用前景和重要意義[54]。將納米纖維水凝膠作為神經組織的支架,在其中生長的鼠神經前體細胞的生長速度明顯快于對照材料[55]。向高分子材料中加入碳納米管可以顯著改善原有聚合物的傳導性、強度、彈性、韌性和耐久性,同時還可以改進基體材料的生物相容性。研究發現,隨著復合物中碳納米管含量的增加,神經元細胞和成骨細胞在復合材料上的黏附與生長也越來越活躍,而星形細胞和成纖維細胞的活性則呈現同等程度的下降[56-57]。Freites[58]設計的人造紅細胞輸送氧的能力是同等體積天然紅細胞的236倍,可應用于貧血癥的局部治療、人工呼吸、肺功能喪失和體育運動需要的額外耗氧等。Murphy等[59]成功合成了模擬骨骼亞結構的納米物質,該物質可取代目前骨科常用的合金材料,其物理特性符合理想的骨骼替代物的模數匹配,不易骨折,且與正常骨組織連接緊密,顯示出明顯的正畸應用優勢。

納米自組裝短肽材料RADA16-I與細胞外基質具有很高相似性,RADA16-I納米支架可以作為一種臨時性的細胞培養人工支架,它能很好地支持功能型細胞在受損位置附近生長、遷移和分化,因而有利于細胞抵達傷口縫隙,使組織得以再生。有研究人員[60]利用RADA16-I納米支架修復了倉鼠腦部的急性創傷,并且恢復了倉鼠的視覺功能。RADA16-I形成的水凝膠可用作新型的簡易止血劑,用于多種組織和多種不同類型傷口的止血。

4納米中藥

“納米中藥”是運用納米技術制造的粒徑小于100nm的中藥有效成分、有效部位、原藥及其復方制劑[61]。納米中藥不是簡單地將中藥材粉碎至納米數量級,而是針對組成中藥方劑的某味藥的有效部位甚至是有效成分,進行納米技術加工處理,賦予傳統中藥以新的功能。

中藥納米化可以使細胞破壁,大大提高中藥有效成分的滲透性或溶解度,提高生物利用度;利用納米化的中藥所具有的緩釋功能和靶向給藥功能,在提高藥效的同時降低毒副作用;利用中藥的納米包覆技術能改變一些中藥制劑的親水、親油性,提高臨床療效。例如,用納米粉碎技術將中藥黃芩、黃連、黃柏、地榆超微粒化,添加納米鋅、硒等微量元素,加廣譜強效納米銀系(AT)抗菌劑、麥飯石納米粉、遠紅外二氧化鈦、電氣石在傳統中藥配方基礎上制成的納米中藥,用于燒燙傷的治療,提高了藥物療效[62]。將超臨界二氧化碳萃取技術用于中藥揮發油提取和中藥有效成分的提取,通過包覆技術把中藥揮發油和中藥有效成分制備成納米藥物。超臨界二氧化碳萃取技術已廣泛用于對菖蒲根、金絲桃葉、月桂葉、肉豆蔻、蒼術、高良姜等的有效成分進行提取和對紫蘇、香薷、防風、辛夷、蒼術、厚樸、細辛、木香等揮發油的提取[63]。

對中藥揮發油采用包合技術制備包合物,用納米尺度的分子材料(主要是環糊精類)作為載體材料,形成不到2nm的藥物超微粒,其內徑為0.7~0.8nm,可容納幾個藥物分子,這樣的包合物又稱為分子型包囊[64]。由于載體是種多羥基物質,且羥基排列于筒狀結構的外壁,極易分散于水中,筒內側可包裹水難溶性的藥物分子,從而大大提高水難溶性藥物在水中的溶出和體內的吸收,提高生物利用度,還可降低藥物的刺激性,增加藥物的穩定性。藥物脂質體制劑在納米中藥的研制中也得到了日益廣泛的關注。如納米雄黃脂質體[65]、辛夷揮發油納米脂質體[66]、馬錢子堿脂質體的研究[67];魚腥草揮發油納米脂質體的制備及其肺靶向效果[68]等。

納米中藥的研究和應用仍處于起步階段,存在許多亟待解決的問題,如納米中藥的藥效不確定性及可能的毒副作用、納米中藥的有效成分和穩定性難以控制等。但目前已經取得的一些成果表明,納米中藥的研究極大地豐富了中藥的劑型,對中藥的研究和開發產生了巨大的推動作用。這方面研究的深入能在納米中藥的制藥技術、藥效等諸方面建立更多具有自主知識產權的專利技術和創新方法,促進中藥制劑的標準化和國際化,提升中藥的市場競爭力。

5納米醫學材料的安全性

納米材料在醫學領域已應用于藥物載體、癌癥治療、基因治療、抗菌材料、組織工程、醫學診斷等方面,給人類帶來了許多好處。然而,有關納米材料毒理學的報道也很多[69-70]。由于納米材料具有小尺寸效應、表面和界面效應以及量子尺寸效應等特性,可能引發特殊的生物學效應,給人類健康和環境帶來負面影響。例如,Yeo等[71]指出具有抗菌效果的納米銀可在水生環境中蓄積,對斑馬魚胚胎發育有毒性作用。

從納米醫學材料大小與DNA、蛋白質、病毒等生物分子的尺寸相當這一事實很容易想到,即使化學組成相同,納米物質的生物毒性也可能不同于微米尺寸以上的常規物質[72]。根據常規物質研究所得到的毒理學數據庫與安全性評價結果,可能不適用于納米物質;現有的安全評價方法、技術又都不太適用于納米醫學材料對人體風險評價[73]。這些問題正是目前納米醫學材料安全性評價的困難所在。

納米材料的安全性評估是一個全球性關注的問題,美國、歐盟、日本紛紛斥巨資展開納米材料的安全性研究,我國也已將其列入國家“973”重點基礎研究規劃項目。納米技術涉及很多學科,如電子、生物、物理、化學等等。因此,對醫用納米材料安全性的評估不是單一的某個學科可以完成的,而是需要臨床醫學、基礎醫學、毒理學、物理學、分子生物學、化學和環境科學等多學科的融合,充分利用各種先進的分析技術,開展多學科的綜合研究。

6展望

雖然納米醫學剛剛問世,但其發展的巨大潛力已經展示在我們面前。21世紀是納米科技的世紀,人們將以全新的角度和視野看待生物醫學問題,在納米水平上可以更加深入地研究各種組織的結構和功能,并充分發揮其優勢。納米醫學技術的發展必將為基礎與臨床研究帶來新的機遇,為現階段尚不能解決的問題帶來新的思路和方法。

納米技術在促進醫藥、工業發展的同時,對人類健康和環境衛生也同樣構成潛在的威脅。相同化學組成的納米材料與其他材料相比具有許多不同的物理、化學和生物學特性,其潛在毒性、次級效應、生物降解能力也存在質疑。如何評價納米醫藥的安全性和毒性,如何優化納米技術使這些醫藥材料適合于人體生物系統,以及如何避免或降低可能出現的毒副反應,成為擺在人們面前的一個重要問題。但在醫學方面,尚難找到只有治療作用而沒有不良反應的物質,問題的關鍵是怎樣利用物質的性質。對于納米技術也是一樣,只要我們能夠認識到其負性效應,就能夠解決它、避免它,從而對其進行安全利用。

綜上所述,和其他前沿學科一樣,納米醫學也充滿了機遇和挑戰。但我們完全可以相信,在不遠的將來,隨著對其在生物醫學中應用研究的深入及生物安全性問題的闡明和解決,納米技術將成為醫學研究和臨床治療中的一個重要手段,為許多重大疾病患者帶來福音。