澳大利亚昆士兰大学余承忠Acc. Chem. Res.：用于生物医学的二氧化硅基纳米颗粒：从纳米载体到生物功能调节剂

【引言】

二氧化硅基纳米粒子（SNP）是生物医学应用中一类经典材料，具有出色的生物相容性和可定制的理化特性。SNP通常被设计为纳米载体，用于递送不同药物分子。为了提高递送效率和疗效，研究者精心设计了不同的SNP，包括调控其粒径，形貌和介观结构，修饰靶向配体和“守门人”以提高细胞选择性及药物的按需释放。值得指出的是，纯二氧化硅骨架的生物学惰性较大地限制了SNP的功能，使得常规SNP主要作为纳米载体用于靶向和控释。新一代纳米药物需要更高的功效和精度，因而深入认识SNP的理化性质与其生物学功能之间的构效关系，实现从简单的时空控制机制向更复杂的生物化学功能和信号传导通路的调节具有重要的科学价值。

【成果简介】

这篇综述重点介绍了用于生物医学应用的SNP研究的最新进展。作者首先讨论了如何通过对表面拓扑，结构对称性和孔结构的精细调控来设计用作载体的新型纳米结构。作者详细讨论了纳米粒子、药物分子及生物系统之间相互作用及结构-性质关系。随后，作者重点讨论了SNP从纳米药物载体到生物功能调节剂的概念转变。通过将生物活性基团整合到SNP中以调节生物信号传导，这类新型生物功能调节剂在控制癌细胞的死亡模式，树突状细胞熟化，巨噬细胞表型调控和肿瘤微环境调节等应用中具有优越性能。该成果以 “Silica-Based Nanoparticles for Biomedical Applications: From Nanocarriers to Biomodulators” 为题发表在Acc. Chem. Res.上。

【图文导读】

图1.组成和结构可控的二氧化硅基纳米颗粒用作纳米药物载体和生物功能调节剂

图2.模拟病毒形貌的SNP

（A，B）表面光滑SNP和模拟病毒SNP的合成以及细胞递送性能的比较

（C，D）扫描电子显微镜（SEM）图像显示病毒模仿粗糙表面

（E）倾斜系列的零倾斜透射电子显微镜（TEM）投影

（F）重建单个粒子的表面渲染

（G，H）（左）1-NH2（光滑的SNP）和（右）3-NH2（模仿病毒的SNP）递送的Cy3-oligoDNA（红色）的共聚焦显微镜图像

（I）通过凝胶阻滞分析计算的生物分子保持能力的研究

（J）Cy3-oligoDNA /纳米颗粒复合物的细胞吸收效率比较

（K）通过基于平滑SNP或模仿病毒SNP的siRNA制剂处理的癌细胞的细胞生存力

图3.二氧化硅纳米花粉对细菌表现出增强的粘附力和溶菌酶递送特性

（A）通过粘性二氧化硅纳米花粉有效溶菌酶的示意图

（B）二氧化硅纳米花粉的TEM图像

（C）粘附在大肠杆菌表面的二氧化硅纳米花粉的SEM图像

（D）游离溶菌酶和载有溶菌酶的二氧化硅纳米花粉（R-MSHSs）的时间依赖性抗菌活性

（E）载有溶菌酶的二氧化硅纳米花粉处理24小时的大肠杆菌的SEM图像

（F）琼脂平板在不同处理后显示小肠细菌菌落

图4.不对称头尾SNP显示增强的免疫刺激活性和血液相容性

(A,C)在不同TEOS体积下制备的HTMSN的TEM和SEM图像

(D)与不同的纳米颗粒以240μg/ mL孵育后的小鼠RBC的溶血百分比

(E)在室温下孵育2小时的RBC的SEM图像

(F,G)巨噬细胞和树突状细胞上CD 86的表达水平

图5.具有锥状孔结构的SNP的表征，形成机理和蛋白传递

（A）C. Xu在塔斯马尼亚州拍摄的大丽花照片

（B-D）低倍，高倍和MSNs-CC的ET切片的TEM图像

（E）建议的MSNs-CC形成机制

（F）用MSNs-CC-RITC处理的N2a细胞的共聚焦显微镜图像

（G-H）载有β-Gal的MSNs-CC和游离β-Gal处理后的N2a细胞的显微图像

图6.掺入二硫键的DMONs-PEI在体内和体外上调难以转染细胞中的mRNA转染

A）纳米化学上调mRNA翻译的示意图

B）与DMONs-PEI/mRNA复合物孵育48小时的RAW264.7细胞的共聚焦图像

C）与NPs-PEI-mRNA复合物孵育48小时的RAW 264.7细胞的EGFP阳性细胞百分比的流式细胞仪分析

D-E）在BALB/c小鼠中mCherry mRNA传递的体内荧光图像，荧光的定量结果

图7.基于杂化有机硅的纳米反应器同时调节癌细胞和免疫细胞功能

（A）纳米反应器与免疫检查点阻断剂协同改善癌症化学免疫疗法的示意图

（B-E）纳米反应器的SEM，TEM，暗场扫描TEM和能量色散X射线光谱元素映射图

（F）纳米反应器诱导的树突状细胞成熟

（G，H）纳米反应器对ICD的调节，其特征为钙网蛋白的表面暴露

（I，J）纳米反应器与阿霉素和PD-L1抗体联合引起的全身抗肿瘤免疫

图8.纳米螯合剂同时诱导抗血管生成和肿瘤血管阻塞以抑制肿瘤

（A）纳米螯合剂诱导同时抗血管生成和肿瘤血管阻塞的示意图

（B）纳米螯合剂的TEM图像

（C）纳米螯合剂对铜和磷酸盐离子的聚集

（D）肿瘤血管阻塞的实时成像

（E）通过CD31抗体染色显示的纳米螯合剂的抗血管生成活性

（F-G）纳米螯合剂在4T1和CT26异种移植肿瘤模型中的抗肿瘤活性

【小结】

在该综述中，作者概述了通过设计SNP的纳米结构和化学进而将其作为药物纳米载体和生物功能调节剂的最新研究成果。这个综述包括两个主要部分。在第一部分中，作者重点介绍了常规的纳米载体概念，并对纳米结构的设计原理提出了新的见解。作者提供了一些实例来阐述如何通过调控纳米颗粒的孔结构，表面拓扑结构和不对称性来提高药物，基因和蛋白质的递送效率，特别强调了SNP表面粗糙度对改善细胞摄取效率，粘附特性和DNA转染能力的贡献。在第二部分中，作者讨论了作为生物功能调节剂的新型SNP的设计，并阐述了通过调节细胞内微环境和细胞信号传导，例如氧化应激和谷胱甘肽水平，从而改善抗癌药物的治疗效果及在特定细胞系中mRNA的转染效率。作者讨论了纳米颗粒，生物系统和药物之间的相互作用，并进一步阐述了如何设计SNP的成分来调节体内金属离子平衡以实现固有的抗癌活性。作者列出了两个典型的例子，包括调节铜信号传导用于肿瘤血管靶向治疗和控制铁信号传导用于基于巨噬细胞极化的免疫治疗，特别强调了SNP作为纳米药物与传统分子药物相比的独特优势。此外，利用这两个例子，作者展示了如何设计具有固有药物活性的SNP用于间接抑制肿瘤的生长、但不引起明显的细胞毒性，从而提高纳米药物的生物安全性。最后，作者讨论了对SNP作为纳米载体这一传统概念以及它们向生物功能调节剂这一新概念过渡的前景，机遇和挑战，同时提出了可能的未来研究方向。

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

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