凌代舜AM最新綜述: 動態納米顆粒組裝體在生物醫學中的應用

【引言】

表面配體引導的納米顆粒組裝能夠創造很多對刺激做出程序化響應的材料，這些組裝體能夠對外源性刺激（磁場、溫度、超聲、光、電脈沖）或內源性刺激（pH、酶活性、氧化還原梯度）等做出響應，在生物成像、生物傳感、藥物遞送等方面有重要應用。最近，來自浙江大學的凌代舜（通訊作者）等人在頂級期刊Advanced Materials上發表了一篇題目為“Dynamic Nanoparticle Assemblies for Biomedical Applications”的綜述，詳細總結了刺激-響應納米顆粒組裝體的進展和挑戰。

1. 簡介

大自然為我們提供了很多極其復雜但是又高度有序的自組裝結構：候鳥的喙有很多的磁性納米顆粒組裝體，這對它們的導航能力有很大影響；壁虎的腳掌有很多高度有序的納米纖維，這些纖維能夠可逆地附著在任何表面上，使得壁虎能夠在光滑的墻壁上爬行，等等。這些事實啟發著材料學家在實驗室中產生這種納米尺度的組裝體，然而它們的質量還是要比自然界中的低。

綜述概覽圖

事實上，納米顆粒組裝體有著與單個納米顆粒和體團聚不同的物理和化學性質，更重要的是這些組裝體能夠對刺激做出程序化的響應，這種刺激包括外源性刺激（如磁場、溫度、超聲、光、電脈沖等）和內源性刺激（如pH、酶活性、氧化還原梯度）。動態納米顆粒組裝體（dynamic nanoparticle assemblies）能夠構建高精度的材料，它們擁有優異的功能（如刺激響應性），能夠滿足現代醫療中對某些診斷和治療技術只有到達靶向位點后才被激活的要求。

在這篇綜述中總結了刺激-響應的動態納米顆粒組裝體在生物醫學應用中的最新進展，這里的納米顆粒主要是無機納米顆粒（如磁性納米顆粒、量子點、貴金屬納米顆粒）。文章的內容有：（1）用于生物醫學的動態納米顆粒組裝體的設計制備；（2）用于刺激納米顆粒組裝體的幾種刺激；（3）評論和展望。

圖1 刺激-響應的納米顆粒組裝體在生物醫學中的應用示意圖

2. 用于生物醫學的動態納米顆粒組裝體的設計制備

如果配體使用得當，幾乎所有的納米顆粒都能夠形成響應性的組裝體。除了扮演基底和載體的角色外，某些納米顆粒還有另外的用途，如磁性納米顆粒能夠用來進行磁場引導的靶向、量子點能夠進行生物標記和成像、Pt納米顆粒能夠釋放Pt²⁺用于腫瘤治療、金納米顆粒能夠用于光熱法治療腫瘤。納米顆粒的可控組裝和解體在生物醫學中有重要的應用，如磁性納米顆粒的核磁共振性能取決于它們的聚集狀態而被用于靶向診斷、Pt納米顆粒在pH的作用下發生自組裝而加速Pt²⁺的釋放從而克服耐藥性、金納米顆粒的組裝能夠引起色度的變化而被用于生物傳感。

很多配體都能夠引導納米顆粒的組裝，如小分子、聚合物和生物大分子。然而在生物醫學的研究中小分子引導的組裝不是很常用，原因有以下兩點：1、它們不滿足生物相容性和穩定性的要求；2、它們很難同時具有刺激響應性和引導納米顆粒組裝的能力。因此本小節主要集中在聚合物和生物大分子配體上。

2.1. 聚合物輔助響應性組裝

聚合物不僅能夠實現納米顆粒的自組裝，還能在隨后的醫療中發揮重要作用。與小分子相比，聚合物的循環周期更長，此外，聚合物還能通過修飾來實現藥物的靶向運輸和可控釋放。在刺激響應性的聚合物中，pH和溫度響應的聚合物是最廣泛使用的，其它的重要配體包括光、活性氧簇響應性聚合物。

雖然有很多因素能夠影響納米顆粒的組裝和組裝體的性質，但是在生物醫療中主要考慮由聚合物之間的疏水相互作用引起的自組裝（圖2）。

圖2 疏水相互作用引起納米顆粒的組裝或者解體

在大部分的生命體中，生理環境的pH值取決于其位置和健康狀態，很多病變區域（如腫瘤和感染）的pH值都低于正常組織，這些特征被廣泛用來進行位點特異的疾病治療。一些功能性的基團（如叔胺和咪唑）在pH>7時是疏水性的，使納米顆粒發生團聚，但pH<7時這些基團變成親水性的，納米顆粒被釋放到溶液中。將含有這些功能基團的聚合物涂覆在納米顆粒上就能實現pH敏感的組裝。

作者的課題組制備了由氧化鐵納米顆粒和pH響應的聚合物組成的磁性‘手榴彈’（PMNs），這些聚合物中含有二氫卟吩e6和咪唑基團，當遇到酸性環境時，咪唑會發生質子化，納米顆粒的組裝體會發生解體（圖3）。PMNs的解體使其核磁共振和熒光圖像的襯度降低，因而能用來進行腫瘤的早期診斷。另外PMNs在內涵體中的光活性增加，對治療異質性耐藥腫瘤有很高的效率。

圖3 pH響應的組裝和解體的示意圖

（A）pH響應的小氧化鐵納米顆粒的組裝示意圖；（B）腫瘤pH引發的組裝解體

溫度敏感的聚合物在某個溫度會發生構型的變化。聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）是一種被研究最多的溫度敏感聚合物，它的低臨界溶解溫度非常接近生理溫度（32℃），因此非常適合用在生物醫學中（它的相變溫度能夠通過改變分子量或與其它單體共聚而調整）。溫度升高使它的分子鏈伸長，溫度下降則使分子鏈縮短。Ding等人用PNIPAM涂覆金納米顆粒，使它們的距離能通過溫度調整。PNIPAM的溫度敏感性很好，但是它的單體具有潛在的毒性和致癌性，因此限制了它在生物醫學中的應用。因而要尋找生物相容性更好的溫度響應聚合物。De 等人將牛血清白蛋白與經改性的NIPAM連接，這種聚合物-蛋白質共軛物具有優異的生物相容性，同時保留了溫度響應的特性。Park等人將PS共軛到羥基丙基纖維素（HPC）的溫度響應主鏈上，這種聚合物在40-50℃之間發生構型轉變，但是對細胞沒有明顯的毒性。

另外的刺激源包括光和活性氧簇（ROS），光致變色的分子（如偶氮苯）是常用的光響應聚合物，光使它們的構型發生轉變而改變了它們的親水性，從而發生光響應組裝。Das等人合成了一種包含偶氮苯和兒茶酚的聚合物來組裝氧化鐵納米顆粒（圖4），納米顆粒能在紫外光照射下發生組裝，在可見光照射下又發生解體。

圖4 可見/紫外或熱使偶氮苯發生可逆的異構化

（A）包含偶氮苯的聚合物結構；（B）光或熱處理使構型發生改變；（C）動態響應組裝的TEM圖

2.2. 生物大分子

用于引發自組裝的生物大分子包括多糖、肽、蛋白質和核酸。盡管多糖被廣泛用于納米顆粒的表面改性，但由于它們自身不能對刺激做出響應，因此不予考慮。

a. 蛋白質

某些蛋白質能通過以納米顆粒為交聯劑而形成共軛物，或者通過彼此之間的共組裝形成共軛物。某些蛋白質能夠識別并且結合到特定的底物上，比如酶能識別某些底物并與它們結合，而抗體則與抗原結合。將蛋白質和底物分別修飾到不同的納米顆粒中能夠實現納米顆粒的組裝。氨基酸是蛋白質的基本單元，它們的側鏈包含很多功能基團（如-NH₂、-COOH、-SH），這些基團經常被用于將蛋白質吸附到納米顆粒的表面。

用蛋白質來構建納米顆粒組裝體有兩種常用的方法。第一種是用底物修飾納米顆粒的表面（圖5A），而用包含多個結合位點的蛋白質來使納米顆粒發生組裝，也可以反過來，即將蛋白質修飾到納米顆粒的表面，而用底物來引發自組裝。鏈酶親和素是最常用的交聯劑，因為它有四個能與生物素結合的位點。但是很難將鏈酶親和素-生物素共軛體分開，因為它們之間的結合非常牢固。

這種方法被用來定性檢測血凝素，Otsuka等人先用聚合物修飾金納米顆粒的表面，加入血凝素使金納米顆粒發生團聚，從而使其顏色發生改變。再加入特定的低聚糖可以使團聚發生解體，溶液的顏色復原。團聚的程度取決于血凝素的濃度，因此通過顏色的改變可以檢測到血凝素的濃度。

第二種方法是將底物和蛋白質分別修飾到不同的納米顆粒上（圖5B），當蛋白質和底物只有一個結合位點時需要使用這種方法。通過改變環境使底物變質或者加入其它的蛋白質可以使這種組裝體解體。

圖5 蛋白質引導納米顆粒組裝的示意圖

b. 核酸

單鏈DNA由A、T、G、C四種堿基對組成，單鏈DNA通過A-T、G-C配對與互補單鏈DNA形成雙螺旋的雙鏈DNA。分別將單鏈DNA和互補單鏈DNA修飾到不同的納米顆粒表面，就能實現納米顆粒的組裝。DNA雙鏈的穩定程度不僅與GC堿基對的含量有關（A-T以雙氫鍵結合，G-C以三氫鍵結合），還與長度、堿基序列、溫度、鹽濃度和pH值等有關，適當改變這些因素可以引起DNA雙鏈的解體。同時也能通過鏈替換來引起納米顆粒的構型改變，即用含有更多互補堿基的單鏈來置換部分互補的鏈。

3. 刺激-響應納米顆粒組裝體及其生物醫學應用

3.1. 體外刺激響應

a. 溫度

溫度響應系統是生物醫學領域被研究最多的系統，在這種系統中，熱敏感的片段隨著溫度改變而發生構型的改變。比如用于藥物遞送的系統在37℃以下保持穩定，在這個溫度以上則會釋放治療藥物。

Zhu等人首先報道了用溫度敏感的配體修飾納米顆粒，他們合成了以硫醇結束的聚（N-異丙基丙烯酰胺）并且將其連接到金納米顆粒的表面，這種納米顆粒在25-30℃溫度內會發生可逆的透明/不透明轉變。

b. 光

光響應納米顆粒組裝體已經被廣泛用于生物醫學研究，與其它刺激響應系統相比，光響應系統不僅是非侵入式的并且還能對其進行時間和空間上的精準控制。通過改變光響應系統的幾個參數可以使其被用于不同的領域，如靶向藥物遞送、生物成像、治療和診斷。

生物醫學的應用中比較喜歡的是近紅外光，因為它的穿透深度高以及對細胞的損傷少。金納米顆粒能夠吸收近紅外光并且發熱，某些抗癌藥（如阿霉素）很容易與特定的雙鏈DNA結合，當DNA發生變性后，抗癌藥就會被釋放。

c. 磁場

磁性納米顆粒在生物醫學的很多方面都有潛在應用，包括生物傳感器、診斷和高溫治療。將這些磁性納米顆粒組裝成有序的結構能夠更精確的控制它們的性質，加上磁場的穿透深度深，使它們在生物醫學上的應用有很強的潛力。磁性納米顆粒一般只能控制組裝體的解體，即通過外部的交變磁場使磁性納米顆粒發熱，使聚合物發生解體。

d. 電場

懸浮液中納米顆粒之間的相互作用主要包括范德華力和靜電力，當距離比較遠時，主要是吸引力，當距離比較近時主要是排斥力。當納米顆粒能夠克服排斥力的能壘時，它們便發生團聚。因此通過外電場控制納米顆粒之間的偶極子-偶極子相互作用能實現納米顆粒的組裝。

Cho等人包含神經生長因子的介孔二氧化硅（MSN）嵌入電活性的聚吡咯（Ppy）中，MSN和Ppy通過電價鍵（離子鍵）連接，在電場的刺激下Ppy被還原，神經生長因子被釋放出來，Ppy被氧化時發生可逆的過程。

e. 超聲

超聲波被廣泛用來控制藥物的釋放，因為它能通過發熱或者機械效應（空化）使納米顆粒體系坍塌。比如Jing等人制備了一個集熒光成像、磁引導藥物遞送、超聲控制藥物釋放于一身的平臺。這個系統由多孔TiO₂包裹疏水性藥物、Fe₃O₄、量子點組成，在超聲的作用下TiO₂被破壞從而釋放里面的東西（圖6）。

圖6 超聲控制藥物的釋放

3.2. 內源性刺激

a. 酶活性

很多疾病的酶表達和活性都是異常的，因此可以用與特定疾病相關的酶來控制藥物的遞送。Long等人報道了一項有趣的工作：在四氧化三鐵的表面修飾一種酶活性的多肽，在特定酶的作用下，納米顆粒便發生自組裝（圖7）。

圖7 磁性納米顆粒在酶的作用下發生組裝的示意圖

b. pH

在眾多的生理刺激中，pH是最重要的一個，因為在不同的器官、組織和細胞內區域中pH值有很大的差別。比如實體腫瘤的細胞外pH值比正常組織的低，而內吞溶酶體的pH值還會更低。

Xia等人將超細的Pt簇包裹在pH敏感的聚合物和肝癌細胞（HCC）靶向的配體中，這種納米顆粒能夠靶向HCC，在酸性環境中釋放Pt離子，造成DNA的損傷。

c. 氧化還原

使用氧化還原響應材料作為藥物載體主要是因為在細胞外和細胞內存在氧化還原電勢梯度，谷胱甘肽（GSH）的含量在癌細胞中比在正常細胞中高，在細胞內比在細胞外高，它可以很快劈裂二硫鍵，因此可以用GSH來觸發藥物釋放。

3.3. 其它的刺激-響應

其它的刺激包括重金屬離子、小分子和DNA鏈等。

3.4. 二元刺激響應

a. pH/溫度二元響應的納米顆粒組裝

將pH敏感的組分加入熱敏感的聚合物中可以制備pH和溫度敏感的聚合物，這時候的熱可以通過金納米顆粒或磁性納米顆粒產生。

Liz-Marzan 等人將牛血清白蛋白和熱敏感的聚合物包裹在金納米顆粒的表面，這種納米顆粒只有在低的pH值時才對溫度敏感，有望用來診斷胃腸道疾病。

b. pH/磁響應納米顆粒組裝

磁性納米顆粒能夠將磁引導靶向和成像與pH響應藥物釋放結合起來。Pellegrino等人發展了磁場pH響應的納米膠作為微干擾RNA的運輸載體，pH能控制藥物的釋放，而磁性納米顆粒則可以促進細胞的攝取和研究釋放機制。

3.5. 多刺激

處于不同研究階段的多重刺激響應納米顆粒組裝體已經增強了很多應用的性能，尤其在生物醫學領域。通過將多種刺激集成到一個系統中，能夠實現精確的可控成像和治療。

Rittikulsittichai等人制備了多刺激響應的復合物，他們用二氧化硅覆蓋磁性納米顆粒的表面，外面再包一層熱敏感的水凝膠，水凝膠外面再用金納米棒修飾。這種系統能對溫度、pH、近紅外光和磁場做出響應，當溫度高于水凝膠的低會溶溫度時，水凝膠發生塌縮，縮短了金納米棒之間的距離，因此使金納米棒之間的耦合增強。當納米棒之間的距離比較大時水凝膠是帶負電的，可以吸引帶正電的金納米棒，在酸性環境下，它們之間的靜電吸引力下降，使金納米棒被釋放出來。

【總結與展望】

納米材料與生物客體（如蛋白質、膜、細胞、DNA、細胞器）發生的相互作用建立起一系列的納米-生物界面。納米顆粒組裝體與與生物環境的作用能夠人為調節，使得它們在生物醫學領域有巨大的潛在應用。

這篇綜述的目標是建立起納米組裝體的化學設計和生物醫學應用之間的聯系。這種應用驅動的設計策略依賴于配體研究的進展，因為能夠實現納米顆粒組裝的配體種類多樣。然而納米顆粒組裝體的幾種應用還處在概念證明的階段，將它們應用到臨床試驗還需要幾年。

在合成方面，納米顆粒組裝體的形成機制還不清楚，研究人員還是依靠化學直覺和運氣來合成均勻的納米組裝體；在應用方面，雖然最近幾項基于納米材料的技術使納米顆粒組裝體多了幾種新的應用，但是目前大多數可用的系統都只是在實驗室中得到了證明，比如很多的納米顆粒組裝體需要長時間（通常是幾個小時）的刺激才能解體，這種效率在活體環境中是很低的；在安全性方面，我們對納米顆粒組裝體對體內的影響了解很少，它們的系統毒性還有待評估。與單個納米顆粒相比，納米顆粒組裝體要復雜的多，它們包含了無機納米顆粒、表面配體和大分子，然而現在對它們的評估的方法還是依靠納米顆粒的評估方法。

未來，通過與多個學科的專家（化學、材料、生物、制藥、臨床醫學）的合作，更多關于納米顆粒組裝體的問題將會得到解決，更智能的納米顆粒組裝體將會得到發展。

文獻鏈接：Dynamic Nanoparticle Assemblies for Biomedical Applications（Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201605897）

本文由材料人生物材料組陳昭銘供稿，材料牛編輯整理。

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