纳米在医学上应用的现状与展望

纳米在医学上应用的现状与展望

1纳米诊断技术

1.1细胞分离与染色

纳米细胞分离技术的出现有助于解决生物医学中快速获取细胞标本的难题。将15~20nm的SiO2包覆粒子均匀分散到含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶液中,利用梯度原理,通过离心技术快速分离所需要的细胞[1]。用这种方法很容易将怀孕仅8周左右的孕妇血样中极少量的胎儿细胞分离出来,通过对其染色体的分析,判断胎儿是否有遗传缺陷。应用纳米免疫磁珠检测早期肺癌患者循环血液中的肿瘤细胞,可以监测肺癌的转移情况[2]。

纳米颗粒也为建立新的细胞染色技术提供了新的途径。段箐华等[3]用联吡啶钌配合物[Ru(Ⅱ)(bpy)3]2+、异硫氰酸罗丹明B(TRITC)、异硫氰酸荧光素等荧光分子标记SiO2纳米颗粒,实现了体外对B淋巴细胞、肝癌细胞、早期凋亡乳腺癌细胞、系统性红斑狼疮细胞的特异性识别。异硫氰酸荧光素标记的SiO2纳米颗粒表面接特异抗体,可用于免疫学检测[4]。

1.2纳米造影剂

无机纳米粒子因其形状、尺寸和组成的不同而具有独特的物化性能,可用作新型生物造影材料,能提供良好的检测信号对比度和生物分布度,提高诊断效率,并有望将现有的解剖学层面的造影技术推向分子水平,即“分子造影”[5-7]。纳米造影剂一般需要3个组成部分:(1)无机纳米粒子核,如金、氧化铁等,用以实现造影增强效果;(2)水可分散的壳层,如聚乙二醇等,用以提高无机纳米粒子核的溶液稳定性;(3)赋予靶向功能的生物活性分子,如蛋白、多肽和抗体等。

高分子修饰的氧化铁纳米粒子,如葡聚糖包裹的超顺磁性氧化铁纳米粒子已被用于临床以提高解剖学层面的磁共振造影[8],也被用于分子造影[9]。传统的检测方法对Ⅰ、Ⅱ期癌症检出率小于15%,使用高磁共振对比度的造影剂能够提高早期癌症的检出率。例如,乳腺癌细胞过度表达人上皮增长因子受体2基因(HER2/neu)[10],将磁性纳米粒子(MNPs)偶联上HER2的抗体赫赛汀,就可以将SK-BR-3乳腺癌细胞检测出来[11]。用MNPs偶联赫赛汀探针还可以测出不同细胞的HER2表达量[12]。同样,可以用偶联了rch24抗体的Fe3O4靶向癌胚抗原来诊断结肠癌[13];用偶联了HmenB1抗体的FePt-Au来靶向成神经细胞瘤细胞(CHP134)过度表达的聚唾液酸(PSA)[14]。合金MNPs,如FePt@CoS2等兼具造影和治疗功能。

FeP@tCoS2纳米粒子被HeLa细胞摄入以后,在癌细胞的酸性环境中释放出的Pt+能导致癌细胞凋亡[15]。SiO2@Fe3O4@Au纳米粒子可以用于磁共振造影和治疗,当其与抗HER2基因抗体偶联后有明显的T2加权造影效果,再加上持续的光照,由金壳产生的能量能将癌细胞杀死,起到治疗作用[16]。 金纳米粒子因为其独特的表面等离子共振效应被用作光学造影剂和传感器[17-19]。利用金纳米粒子的表面易于功能化的特性,El-Sayed等[20]在金纳米粒子表面偶联表皮生长因子抗体(anti-EGFR),使金纳米粒子靶向富集在表皮生长因子高表达的口腔上皮癌HOC313细胞上。与普通上皮细胞HaCaT相比,经表面改性的金纳米粒子在HOC313细胞中表现出了更清晰的造影效果。以壳聚糖为纳米载体的复合微球成功地将包覆的金纳米粒子与药物一同送入细胞核,起到了细胞核给药和细胞核造影的双重功能,实现了金纳米粒子的多功能化[21-22]。

半导体纳米粒子(又称量子点)已经被用作荧光探针,用于细胞标记和光学探针[23-24]。美国华盛顿大学的研究人员用蛋白将一个量子点内核包裹在一个直径为3nm的超薄金壳中,使两部分的光电特性不受彼此的干扰,从而首次实现了将半导体和金属纳米粒子结合在一起而仍能保留各自的功能,量子点可用于荧光成像,金球则可用于散射成像。

1.3纳米传感器和新型纳米诊断技术

虽然对纳米传感器的研究时间较短,但其优点是不容置疑的。由生物大分子构成,利用化学能进行机械做功的分子马达纳米传感器,使其尖端插入活细胞内而又不干扰细胞的正常生理过程,来获取活细胞内多种反应的动态化学信息、电化学信息。如利用ATP酶作为分子马达的纳米传感器能进入人体细胞,完成在人体细胞内监测和药物释放等任务,可以连续监测体内代谢变化,对肺部小血管内NO和CO的监测结果对于高血压和心血管疾病的诊断和治疗具有重要意义[25]。其他的分子马达还包括RNA聚合酶、肌球蛋白和驱动蛋白等[26]。在糖尿病治疗中可将纳米生物传感器置于真皮层检测葡萄糖水平,从而指导给药。斯坦福大学的科学家最近利用纳米科技及电磁效应发明了一种生化传感器,这种传感器可以及早发现癌症的早期症状,利于对患者及时进行治疗。

随着隧道扫描显微镜和原子力显微镜的问世,人们能够在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的关系,并动态获取生命信息[27]。利用原子力显微镜可以在纳米水平揭示肿瘤细胞的形态特点,通过寻找特异性的纳米结构改变实现对肿瘤的早期诊断,从而解决肿瘤诊断的难题[28]。

2纳米药物载体和纳米药物

纳米药物与传统的分子药物(molecularmedicine)的根本区别在于它是颗粒药物(particulatemedicine)。广义的纳米药物可分为两类:一类是纳米药物载体,即指溶解或分散有分子药物的各种纳米颗粒,如纳米球、纳米囊、纳米脂质体等。二是纳米药物,即指直接将原料药物加工成的纳米颗粒,或利用崭新的纳米结构或纳米特性,发现基于新型纳米颗粒的高效低毒的治疗或诊断药物。前者是对传统药物的改良,而后者强调的是把纳米材料本身作为药物[29]。

2.1纳米药物载体 实现细胞和亚细胞层次上药物的靶向传递和智能控制释放,是降低药物毒副作用、提高治疗效果的共性问题。纳米粒子介导的药物输送是纳米医学领域的一个关键技术,在药物输送方面具有许多优越性。目前,用作药物载体的材料有金属纳米颗粒、生物降解性高分子纳米颗粒及生物活性纳米颗粒等[30]。理想的纳米药物载体应具备以下性质:毒性较低或没有毒性;具有适宜的制备及提纯方法;具有合适的粒径与形状;具有较高的载药量;具有较高的包封率;对药物具有良好的释放特性;具有良好的生物相容性,可生物降解或可被机体排出;具有较长的体内循环时间,并能在疗效相关部位持久存在等。

2.1.1抗肿瘤药物载体肿瘤的纳米靶向治疗以纳米粒为载体,将药物或制剂定向于肿瘤部位,可以大幅度提高药物的生物利用率,提高疗效,降低用药量,减少毒副作用,已成为国际肿瘤药物研制中的热点和前沿。

恶性肿瘤周围及其实质有大量的新生毛细血管形成,这些血管通透性高,400~600nm以下的纳米颗粒可穿过血管到达肿瘤组织。Alexiou等[31]在动物模型上用磁性纳米粒负载抗癌药物进行区域动脉灌注,外加磁场定位浓集,发现纳米粒子随血液流入肿瘤部位并渗透到肿瘤组织内,提高了药物的治疗指数。Mu等[32]将生物可降解聚合物PLGA纳米粒、VitaminE、TPGS和抗肿瘤药物紫杉醇混合在一起,药物可较容易地到达肿瘤部位而发挥靶向效应作用。杨凯等[33]在治疗口腔癌颈淋巴结转移灶时,将抗癌药物葫芦素BE装载到聚乳酸纳米微粒上,发现药物可靶向到达病变部位,毒副作用和局部刺激作用显著减小。

恶性肿瘤的纳米粒磁导靶向热疗也是有效的方法,热疗本身可以破坏肿瘤细胞。将磁性纳米粒子经包裹或修饰后选择性地注射到肿瘤部位,然后施加交变磁场,纳米粒子受到交变作用而产热,可提高放疗和化疗的效果。口腔颌面部肿瘤位置相对表浅,是最适合作磁导靶向化疗和磁导靶向热疗的部位。此外,由于纳米脂质体载体具有较好的药物、基因和成影剂包封率,在肿瘤造影成像等方面显示出较好的优势[34]。

2.1.2中枢神经系统(CNS)药物载体血脑屏障对于维持CNS的相对稳定起着重要作用,但其毛细血管连接紧密,大多数药物很难通过血脑屏障进入CNS。因此,如何使CNS药物跨越血脑屏障从血液进入脑内且发挥药效是药物传递系统需要解决的一个难题。纳米粒子作为药物载体,为不能透过血脑屏障的CNS药物入脑提供了新途径。Sun等[35]以聚乳酸为基质,制备了装载异硫氰酸荧光素-右旋糖酐的纳米粒,并将纳米粒用聚山梨酯-80包衣,给小鼠尾静脉注射后发现纳米粒可主动靶向脑组织。Kepan等[36]同时给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纳米粒子(PBCA-NP),未包衣NP及甲氨蝶呤溶液,通过检测脑脊液及脑组织内药物浓度显示,采用聚山梨酯-80包衣的甲氨蝶呤PBCA-NP能显著提高脑内甲氨蝶呤药物浓度。Petri等[37]研究显示,泊洛沙姆-188包衣的PBCA-NP与聚山梨酯-80包衣的PBCA-NP均能显著提高阿霉素的抗脑肿瘤活性。 Oliver[38]发现,用聚山梨酯-80修饰的PBCA-NP通过血脑屏障的机理,部分是由于载体降解产生的毒性打开了脑血管内皮的紧密连接。Ulbrich等[39]发现,用人血清白蛋白纳米粒子包裹本无跨血脑屏障能力的药物洛哌丁胺(loperamide),并与转铁蛋白或转铁蛋白受体的单克隆抗体OX26共价结合后,能够借助血脑屏障上转铁蛋白受体介导的胞吞作用进入脑组织,产生强烈的抗伤害性药效。将神经生长因子载入表面经聚山梨酯-80修饰的PBCA-NP,注射帕金森病小鼠模型后可在21d内持续发挥抗帕金森病的疗效[40]。抗菌药物环丙沙星(ciprofloxacin)装载入表面修饰了HIV-1反式激活蛋白(TAT)的聚乙二醇纳米粒子,利用TAT能将异源蛋白导入细胞内或穿过血脑屏障的特点,通过检测发现该抗菌药物能被人类星型胶质细胞摄取,此法还可用于使其他抗生素跨越血脑屏障,从而治疗脑部感染[41]。

2.1.3其他胰岛素(insulin,INS)的降糖疗效明显,但普通制剂的INS口服给药不易吸收,且容易被胃蛋白酶、胰蛋白酶和肠激酶等降解,因此目前临床上INS的常规给药途径为注射给药。大量的研究工作证实,口服纳米囊可保护INS不被酶破坏,提高INS的生物利用度,减少用药次数。Mesiha等[42]制备的聚氰基异丁酯丙烯酸纳米粒可将药物作用时间从6h延长至72h,生物利用度更好。Merisko等[43]制得INS纳米粒,通过体外实验证明其有良好的缓释能力。Christiane等[44]用生物聚合物和非生物聚合物复配制得纳米粒子,可将INS包裹在纳米粒子的内核,对INS的包封率可达到约96%,并且实验证明有很好的缓控释效果。纳米药物控释系统还被用来防治血管再狭窄[45]。

再狭窄是冠状动脉经皮腔内成形术(PTCA)后常见而严重的并发症,运用微孔球囊介入导管将纳米粒子自由分散形成的乳状悬浮液置于PTCA部位,可以达到防治再狭窄的效果。另外,载药纳米粒子进入动脉壁后,随着可降解材料的逐渐水解,其内含的药物便缓慢持续释放出来,从而实现药物在动脉内局部定位。用纳米颗粒,包括纳米胶束、纳米脂质体等作为基因转移载体,已引起医学界广泛重视。其原理是纳米颗粒作为载体将DNA、RNA、PNA(肽核苷酸)、dsRNA(双链RNA)等基因治疗分子包裹其中,或者通过静电引力或吸附将治疗分子固定在其表面形成复合物,在胞吞作用下纳米颗粒进入细胞,释放基因治疗分子,发挥治疗效能[46]。