頂刊動態 | Nature子刊/AM/JACS/ACS Nano等生物材料最新學術進展匯總【第16期】

1、ACS Nano：表面增強拉曼散射傳感器利用呼出的氣體來檢測胃癌并且分辨早期和晚期胃癌

圖1 傳感器的制備過程以及其檢測胃癌的方法

胃癌是世界上第四常見的癌癥，中國占了患病總數的42%。胃癌致死通常是由于診斷被延誤或者對腫瘤所處的階段判定錯誤引起的。

最近，上海交通大學的崔大祥（通訊作者） 等人制備了一個可以僅通過呼出的氣體就能診斷胃癌的傳感器，這種傳感器不僅能夠診斷出有沒有胃癌，還能夠知道胃癌是處于早期還是晚期。這種傳感器是在還原氧化石墨烯上原位生成金納米顆粒得到的，可以吸附與胃癌有關的生物標記物，并且通過金納米顆粒的表面增強拉曼散射效應來分辨這些生物標記物。

文獻鏈接：Breath Analysis Based on Surface-Enhanced Raman Scattering Sensors Distinguishes Early and Advanced Gastric Cancer Patients from Healthy Persons（ACS Nano, 2016, DOI：10.1021/acsnano.6b01441）

2、JACS：“錳抽出”策略使得無機納米顆粒具有對腫瘤敏感的生物降解和治療

圖2 Mn-HMSNs的作用機理

無機納米顆粒是生物醫學中常用的納米顆粒，但是它們一般很難被生物降解，這妨礙了它們的臨床轉換。

最近，上海硅酸鹽研究所的施劍林（通訊作者）、陳雨（通訊作者）和陳航榕 （通訊作者）等人用錳摻雜介孔硅納米顆粒（MSNs），使得MSNs能夠在弱酸或者還原性GSH存在時加速降解。它們將MSNs放在含有MnSO4· H2O的溶液中進行水熱處理，得到空心的表面摻雜錳的MSNs（Mn-HMSNs）。弱酸或者GSH能夠破壞Mn-HMSNs中的Mn-O鍵，Mn-O鍵的破壞能夠加速Si?O?Si鍵的降解從而加速藥物的釋放速率，另外降解時釋放出的錳離子還能進行核磁共振成像。

文獻鏈接：“Manganese Extraction” Strategy Enables Tumor-Sensitive Biodegradability and Theranostics of Nanoparticles（JACS, 2016, DOI: 10.1021/jacs.6b04299）

3、Nat. Nanotech.：用加載納巴霉素的納米顆粒來提高藥物的效率和安全性

圖3 加載納巴霉素的納米顆粒與藥物（抗原）

藥物的使用經常會產生抗藥抗體（ADAs），ADAs會中和藥物的活性、改變藥物動力學和藥物在體內的分布，不僅降低了藥物的效率和安全性，還會產生嚴重的過敏反應。

最近，美國Takashi K. Kishimoto（通訊作者）等人發現將納巴霉素加載在納米顆粒中，然后將這種納米顆粒與藥物一起注射可以增加藥物的耐免疫性，只需第一次注射時使用納米顆粒（后面注射時只需單獨注射藥物），就能持續的抑制ADAs的產生，從而保證藥物的效率和安全性。這種納米顆粒只能與藥物同時注射才有效，如果單獨注射或者不同時注射則沒有效果，這為阻礙ADAs的形成提供了新的思路。

文獻鏈接：Improving the efficacy and safety of biologic drugs with tolerogenic nanoparticles（Nat. Nanotech., 2016, DOI: 10.1038/nnano.2016.135）

4、Adv. Mater.：多重響應的化療-光熱治療金納米海綿遞藥系統

圖4 金納米海綿合成示意圖(a)及(b)金納米粒(c)Au@Cu2O核殼納米粒(d)Au-Cu合金(e)金納米海綿的TEM結果

相較于單一的化療或光熱治療，化療-光熱治療相結合的策略能進一步增強化療藥物的細胞毒作用并通過設計進行藥物控釋。在眾多的納米粒制劑中，中空金納米球以其高載藥和高度可調的近紅外等離子體共振特性，尤為適合作為化療-光熱治療的載體材料。

最近，南京大學的朱俊杰（通訊作者）與南卡羅來納大學Hui Wang（通訊作者）等人合作，在Advanced Materials上發表了一種多功能“金納米海綿”，通過多孔金納米結構包載化療藥物阿霉素，表面包覆混有p(NIPAM-MAA-ODA)材料的脂質體，實現pH和溫度雙敏感藥物釋放。金納米海綿表面進一步修飾腫瘤特異性靶向適配體EpDT3，實現腫瘤主動靶向。該制劑同時具備高載藥、腫瘤特異性靶向、多重響應藥物釋放和光熱治療的優勢，可實現對乳腺癌的化療-光熱治療一體化。

文獻鏈接：Gold-Nanosponge-Based Multistimuli-Responsive Drug Vehicles for Targeted Chemo-Photothermal Therapy（Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201602486）

5、ACS Nano：PET/熒光共顯像含二氫卟酚e6的光熱治療納米膠束

圖5 含Ce6多功能納米粒示意圖，TEM結果，體內PET/熒光結果及光動力治療效果圖

結合診斷和治療為一體的多功能納米粒具有良好的應用前景，光動力治療以其高效無創得到關注。

最近，蘇州大學、美國威斯康辛大學麥迪遜分校的程亮（通訊作者、第一作者）和美國威斯康辛大學麥迪遜分校的Weibo Cai（通訊作者）等設計了一種結合光動力治療（PDT）和正電子發射成像（PET）診斷為一體的含Ce6的納米膠束。作者通過化學合成將光動力治療材料Ce6共價連接到兩親性聚合物膠束的PEG外層，制備含Ce6的光動力治療納米膠束。由于Ce6具有特殊化學結構，可鰲合64Cu，且其自身具有熒光，作者進一步將含Ce6的納米膠束表面鰲合64Cu，形成用于PET/熒光共成像的診斷治療一體化納米膠束。體內外實驗均證明該納米膠束具有良好體內顯影能力及腫瘤治療效果。

文獻鏈接：Dual-Modality Positron Emission Tomography/Optical Image-Guided Photodynamic Cancer Therapy with Chlorin e6-Containing Nanomicelles （ACS Nano, 2016, DOI: 10.1021/acsnano.6b03074）

6、Adv. Mater.：用于癌癥診療的金納米顆粒的結構設計原理

圖6 GNPs的結構-性質-應用的關系概要

對于癌癥的個性化診療（personalized theranostics）如今日益為人們所關注。利用多功能納米材料的獨特性能可以加速實現這個醫學目標。金納米顆粒（GNPs）由于其簡單易行的制備改性方法、可控的結構和物理化學性質以及生物相容性（biocompatibility）等特點一直以來是治癌的熱點工具。然而直到目前，對GNPs的結構、性質及其應用之間的關系并沒有非常系統的討論和綜述。

深圳大學的何前軍（通訊作者）教授課題組日前發表研究進展報告，挖掘了金納米顆粒結構-性質-功能之間的內在聯系，提出了一系列針對癌癥診療的結構-工程基本原理。文章詳細闡述了GNPs結構調整（包括尺寸、形貌、表面修飾以及復合結構）與性質之間的關系，以及針對不同生物醫學應用（成像、治療、診療一體化以及生物相容性）的結構工程設計原理。研究人員表示，通過對GNPs的全面研究和概述可以對設計個性化癌癥治療方案產生指導和啟發作用。

文獻鏈接：Structural-Engineering Rationales of Gold Nanoparticles for Cancer Theranostics（Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201602080）

7、Adv. Mater.：氨基葡聚糖基生物雜化水凝膠：多功能生物材料的明智選擇

圖7 GAGs作為ECM的重要組成部分參與管理組織的形成、動態平衡以及再生過程

氨基葡聚糖（GAGs）是無支鏈的高分子量多糖。在活性組織（living tissues）內，對細胞外基質（ECM）的重要功能特性的形成有著舉足輕重的作用。鑒于GAGs在活性組織內扮演著多種細胞指導性角色，GAGs基材料如今在生物材料領域正吸引著越來越多的目光。

德累斯頓萊布尼茨聚合物研究所的Uwe Freudenberg（通訊作者）、特拉華大學和特拉華州生物技術研究所的Kristi L. Kiick（通訊作者）、德累斯頓萊布尼茨聚合物研究所和德累斯頓工業大學的Carsten Werner（通訊作者）等發表綜述，詳細介紹了近年來GAGs相關研究工作，特別是關于利用共價或者非共價結合的模塊化可調生物雜化水凝膠的研究進展，包括在生物流體或活性組織內含有GAGs的聚合物骨架具有細胞相容性的原位凝膠化過程。這些研究工作在很大程度上對包括再生醫學在內的新興領域所面臨的挑戰有著深刻的啟發意義。

文獻鏈接：Glycosaminoglycan-Based Biohybrid Hydrogels: A Sweet and Smart Choice for Multifunctional Biomaterials（Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma. 201601908）

8、Nat. Commun.：碳納米管的去卷積肝處理過程

圖8 fCNTs在鼠科動物肝臟內皮細胞的選擇性沉積表征

單壁碳納米管（SWCNTs）雖然在藥物傳遞上有著獨特的潛在應用價值，但是至今仍然沒有發展到臨床研究階段。眾所周知，具有復雜結構的肝臟管理著一系列人體新陳代謝，也因此是藥物處理和累積的主要器官。目前已有研究報道，在動物模型中觀察到功能化碳納米管（fCNTs）經歷肝累積（hepatic accunulation）及隨后的肝清除（hepatobiliary elimination）過程。

斯隆-凱瑟琳癌癥研究中心和威爾康乃爾醫學院的Michael R. McDevitt（通訊作者）團隊報道了碳納米管在肝處理過程中一些最新發現的細節，包括接收器介導（receptor-mediated）的細胞內吞作用、胞內交換（cellular trafficking）以及膽汁清除（biliary elimination）。研究人員發現，有孔的肝竇內皮細胞是水溶性氨基功能化纖維狀納米碳更傾向于停留的區域而非肝細胞或巨噬細胞；其次，名為Stabilin的受體介導著納米管的胞吞清除（endocytic clearance）。此外，研究人員首次用非人靈長類動物作為納米管評估模型，為該平臺的臨床應用打下了堅實的基礎。

文獻鏈接：Deconvoluting hepatic processing of carbon nanotubes（Nat. Commun., 2016, DOI: 10.1038/ncomms12343）

9、Adv. Funct. Mater.：將攜葉酸的納米金剛石基納米團簇用于光熱腫瘤治療

圖9 ?FA-ND納米團簇的合成過程

光熱治療被認為是腫瘤學中侵害性最小的治療方法。在光熱治療中通常使用的是近紅外激光（ 700–1100 nm)，目前，已經有實驗人員將碳納米管和炭黑應用在光熱治療中，但是由于上述材料的毒性以及生物相容性的限制，光熱治療在安全和效率方面還亟待發展。

近日，來自韓國加圖立大學的Sung-Wook Choi（通訊作者）等使用乙二胺將納米金剛石胺化，然后通過碳化二亞胺將其與葉酸共軛合成攜葉酸的納米金剛石基納米團簇。該團隊將其分成1，5，10μg mL-1三種不同濃度的樣本。在激光下，10μg mL-1的經5分鐘從室溫加熱了45℃，10μg mL-1只用了2分鐘。而這個溫度足以使腫瘤細胞脫落。該團隊同樣也對細胞的攝取量以及體內光熱治療做了試驗，證明這是用于光熱治療的理想材料。

文獻鏈接：Selective Photothermal Tumor Therapy Using Nanodiamond-Based Nanoclusters with Folic Acid（Adv. Funct. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adfm.201601207）

10、Chemical Reviews：來源于木質的材料在綠色電子生物裝置以及能源方面的應用

圖10 木材的組成及應用

近年來，隨著氣候變暖和能源短缺，環保材料越來越引起人們的關注。木材作為可循環利用的材料，為我們提供氧氣、裝飾房子、做成藝術品等各種各樣的用途。木材具有層次分明的結構，由纖維素、半纖維素和木質素組成。經過放大發現，纖維的細胞壁在相似的角度由成千上萬的纖維組成，這些納米纖維可以通過物理化學以及酶的作用下釋放出來，獲得的納米纖維素具有獨特的光、物理、化學性能。

近日，來自馬里蘭大學帕克分校、美國東北大學的Hongli Zhu（通訊作者）和馬里蘭大學帕克分校的Liangbing Hu（通訊作者）等人對木材在綠色電子、生物裝置和能源儲存方面的應用進行了綜述。在綠色電子方面可以用于制作柔性晶體管、有機發光二極管、高性能喇叭、手寫觸摸屏；在生物方面可以用于表面增強拉曼光譜、等離子生物傳感器、診斷用微流體裝置、具有生物活性的紙；在能源方面可以用于生物燃料、高性能太陽能電池等。

文獻鏈接：Wood-Derived Materials for Green Electronics, Biological Devices, and Energy Applications（Chemical Reviews, 2016, DOI: 10.1021/acs.chemrev.6b00225）

11、ACS Nano：肽雙親分子納米結構的氟磁共振成像信號受其形態強烈影響

圖11 磁共振信號打開和關閉時兩種不同的形態

磁共振成像是臨床和研究中非常有價值的三維成像技術。磁共振探頭可以檢測指定的生物活動（PH的變化、酶的活動等），現有的磁共振探頭收到水中氫信號的影響，技術面臨著巨大的挑戰。

近日，來自于美國西北大學的Samuel I. Stupp（通訊作者）和Thomas J. Meade（通訊作者）等人發現氟磁共振探頭可以在沒有背景信號的情況下成像。在PH由4.5升到8時，分子的聚集形態由圓柱形變為類似帶狀，類似帶狀的納米結構減少了磁共振信號，相反圓柱形結構有很強的信號。研究發現這種不同是由于氟化的尾部在抗水的圓柱形納米結構中機動性高，而在類似帶狀的聚集中機動性低。以此啟發研究者設計用在磁共振成像的超分子自聚集結構，來測繪形態變化和PH變化的關系。通過形態的變化影響被氟化部分的機動性對于設計超分子氟磁共振影像造影劑是一種很好的方法。

文獻鏈接：19F Magnetic Resonance Imaging Signals from Peptide Amphiphile Nanostructures Are Strongly Affected by Their Shape（ACS Nano, 2016, DOI: 10.1021/acsnano.6b00267）

本文由材料人生物材料學習小組CZM供稿，材料牛編輯整理。

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