澳大利亞昆士蘭大學余承忠Acc. Chem. Res.：用于生物醫學的二氧化硅基納米顆粒：從納米載體到生物功能調節劑

【引言】

二氧化硅基納米粒子（SNP）是生物醫學應用中一類經典材料，具有出色的生物相容性和可定制的理化特性。SNP通常被設計為納米載體，用于遞送不同藥物分子。為了提高遞送效率和療效，研究者精心設計了不同的SNP，包括調控其粒徑，形貌和介觀結構，修飾靶向配體和“守門人”以提高細胞選擇性及藥物的按需釋放。值得指出的是，純二氧化硅骨架的生物學惰性較大地限制了SNP的功能，使得常規SNP主要作為納米載體用于靶向和控釋。新一代納米藥物需要更高的功效和精度，因而深入認識SNP的理化性質與其生物學功能之間的構效關系，實現從簡單的時空控制機制向更復雜的生物化學功能和信號傳導通路的調節具有重要的科學價值。

【成果簡介】

這篇綜述重點介紹了用于生物醫學應用的SNP研究的最新進展。作者首先討論了如何通過對表面拓撲，結構對稱性和孔結構的精細調控來設計用作載體的新型納米結構。作者詳細討論了納米粒子、藥物分子及生物系統之間相互作用及結構-性質關系。隨后，作者重點討論了SNP從納米藥物載體到生物功能調節劑的概念轉變。通過將生物活性基團整合到SNP中以調節生物信號傳導，這類新型生物功能調節劑在控制癌細胞的死亡模式，樹突狀細胞熟化，巨噬細胞表型調控和腫瘤微環境調節等應用中具有優越性能。該成果以 “Silica-Based Nanoparticles for Biomedical Applications: From Nanocarriers to Biomodulators” 為題發表在Acc. Chem. Res.上。

【圖文導讀】

圖1.組成和結構可控的二氧化硅基納米顆粒用作納米藥物載體和生物功能調節劑

圖2.模擬病毒形貌的SNP

（A，B）表面光滑SNP和模擬病毒SNP的合成以及細胞遞送性能的比較

（C，D）掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示病毒模仿粗糙表面

（E）傾斜系列的零傾斜透射電子顯微鏡（TEM）投影

（F）重建單個粒子的表面渲染

（G，H）（左）1-NH2（光滑的SNP）和（右）3-NH2（模仿病毒的SNP）遞送的Cy3-oligoDNA（紅色）的共聚焦顯微鏡圖像

（I）通過凝膠阻滯分析計算的生物分子保持能力的研究

（J）Cy3-oligoDNA /納米顆粒復合物的細胞吸收效率比較

（K）通過基于平滑SNP或模仿病毒SNP的siRNA制劑處理的癌細胞的細胞生存力

圖3.二氧化硅納米花粉對細菌表現出增強的粘附力和溶菌酶遞送特性

（A）通過粘性二氧化硅納米花粉有效溶菌酶的示意圖

（B）二氧化硅納米花粉的TEM圖像

（C）粘附在大腸桿菌表面的二氧化硅納米花粉的SEM圖像

（D）游離溶菌酶和載有溶菌酶的二氧化硅納米花粉（R-MSHSs）的時間依賴性抗菌活性

（E）載有溶菌酶的二氧化硅納米花粉處理24小時的大腸桿菌的SEM圖像

（F）瓊脂平板在不同處理后顯示小腸細菌菌落

圖4.不對稱頭尾SNP顯示增強的免疫刺激活性和血液相容性

(A,C)在不同TEOS體積下制備的HTMSN的TEM和SEM圖像

(D)與不同的納米顆粒以240μg/ mL孵育后的小鼠RBC的溶血百分比

(E)在室溫下孵育2小時的RBC的SEM圖像

(F,G)巨噬細胞和樹突狀細胞上CD 86的表達水平

圖5.具有錐狀孔結構的SNP的表征，形成機理和蛋白傳遞

（A）C. Xu在塔斯馬尼亞州拍攝的大麗花照片

（B-D）低倍，高倍和MSNs-CC的ET切片的TEM圖像

（E）建議的MSNs-CC形成機制

（F）用MSNs-CC-RITC處理的N2a細胞的共聚焦顯微鏡圖像

（G-H）載有β-Gal的MSNs-CC和游離β-Gal處理后的N2a細胞的顯微圖像

圖6.摻入二硫鍵的DMONs-PEI在體內和體外上調難以轉染細胞中的mRNA轉染

A）納米化學上調mRNA翻譯的示意圖

B）與DMONs-PEI/mRNA復合物孵育48小時的RAW264.7細胞的共聚焦圖像

C）與NPs-PEI-mRNA復合物孵育48小時的RAW 264.7細胞的EGFP陽性細胞百分比的流式細胞儀分析

D-E）在BALB/c小鼠中mCherry mRNA傳遞的體內熒光圖像，熒光的定量結果

圖7.基于雜化有機硅的納米反應器同時調節癌細胞和免疫細胞功能

（A）納米反應器與免疫檢查點阻斷劑協同改善癌癥化學免疫療法的示意圖

（B-E）納米反應器的SEM，TEM，暗場掃描TEM和能量色散X射線光譜元素映射圖

（F）納米反應器誘導的樹突狀細胞成熟

（G，H）納米反應器對ICD的調節，其特征為鈣網蛋白的表面暴露

（I，J）納米反應器與阿霉素和PD-L1抗體聯合引起的全身抗腫瘤免疫

圖8.納米螯合劑同時誘導抗血管生成和腫瘤血管阻塞以抑制腫瘤

（A）納米螯合劑誘導同時抗血管生成和腫瘤血管阻塞的示意圖

（B）納米螯合劑的TEM圖像

（C）納米螯合劑對銅和磷酸鹽離子的聚集

（D）腫瘤血管阻塞的實時成像

（E）通過CD31抗體染色顯示的納米螯合劑的抗血管生成活性

（F-G）納米螯合劑在4T1和CT26異種移植腫瘤模型中的抗腫瘤活性

【小結】

在該綜述中，作者概述了通過設計SNP的納米結構和化學進而將其作為藥物納米載體和生物功能調節劑的最新研究成果。這個綜述包括兩個主要部分。在第一部分中，作者重點介紹了常規的納米載體概念，并對納米結構的設計原理提出了新的見解。作者提供了一些實例來闡述如何通過調控納米顆粒的孔結構，表面拓撲結構和不對稱性來提高藥物，基因和蛋白質的遞送效率，特別強調了SNP表面粗糙度對改善細胞攝取效率，粘附特性和DNA轉染能力的貢獻。在第二部分中，作者討論了作為生物功能調節劑的新型SNP的設計，并闡述了通過調節細胞內微環境和細胞信號傳導，例如氧化應激和谷胱甘肽水平，從而改善抗癌藥物的治療效果及在特定細胞系中mRNA的轉染效率。作者討論了納米顆粒，生物系統和藥物之間的相互作用，并進一步闡述了如何設計SNP的成分來調節體內金屬離子平衡以實現固有的抗癌活性。作者列出了兩個典型的例子，包括調節銅信號傳導用于腫瘤血管靶向治療和控制鐵信號傳導用于基于巨噬細胞極化的免疫治療，特別強調了SNP作為納米藥物與傳統分子藥物相比的獨特優勢。此外，利用這兩個例子，作者展示了如何設計具有固有藥物活性的SNP用于間接抑制腫瘤的生長、但不引起明顯的細胞毒性，從而提高納米藥物的生物安全性。最后，作者討論了對SNP作為納米載體這一傳統概念以及它們向生物功能調節劑這一新概念過渡的前景，機遇和挑戰，同時提出了可能的未來研究方向。

文獻鏈接：Silica-Based Nanoparticles for Biomedical Applications: From Nanocarriers to Biomodulators. Acc. Chem. Res., 2020, DOI: 10.1021/acs.accounts.0c00280

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