凌代舜AM最新综述: 动态纳米颗粒组装体在生物医学中的应用

【引言】

表面配体引导的纳米颗粒组装能够创造很多对刺激做出程序化响应的材料，这些组装体能够对外源性刺激（磁场、温度、超声、光、电脉冲）或内源性刺激（pH、酶活性、氧化还原梯度）等做出响应，在生物成像、生物传感、药物递送等方面有重要应用。最近，来自浙江大学的凌代舜（通讯作者）等人在顶级期刊Advanced Materials上发表了一篇题目为“Dynamic Nanoparticle Assemblies for Biomedical Applications”的综述，详细总结了刺激-响应纳米颗粒组装体的进展和挑战。

1. 简介

大自然为我们提供了很多极其复杂但是又高度有序的自组装结构：候鸟的喙有很多的磁性纳米颗粒组装体，这对它们的导航能力有很大影响；壁虎的脚掌有很多高度有序的纳米纤维，这些纤维能够可逆地附着在任何表面上，使得壁虎能够在光滑的墙壁上爬行，等等。这些事实启发着材料学家在实验室中产生这种纳米尺度的组装体，然而它们的质量还是要比自然界中的低。

综述概览图

事实上，纳米颗粒组装体有着与单个纳米颗粒和体团聚不同的物理和化学性质，更重要的是这些组装体能够对刺激做出程序化的响应，这种刺激包括外源性刺激（如磁场、温度、超声、光、电脉冲等）和内源性刺激（如pH、酶活性、氧化还原梯度）。动态纳米颗粒组装体（dynamic nanoparticle assemblies）能够构建高精度的材料，它们拥有优异的功能（如刺激响应性），能够满足现代医疗中对某些诊断和治疗技术只有到达靶向位点后才被激活的要求。

在这篇综述中总结了刺激-响应的动态纳米颗粒组装体在生物医学应用中的最新进展，这里的纳米颗粒主要是无机纳米颗粒（如磁性纳米颗粒、量子点、贵金属纳米颗粒）。文章的内容有：（1）用于生物医学的动态纳米颗粒组装体的设计制备；（2）用于刺激纳米颗粒组装体的几种刺激；（3）评论和展望。

图1 刺激-响应的纳米颗粒组装体在生物医学中的应用示意图

2. 用于生物医学的动态纳米颗粒组装体的设计制备

如果配体使用得当，几乎所有的纳米颗粒都能够形成响应性的组装体。除了扮演基底和载体的角色外，某些纳米颗粒还有另外的用途，如磁性纳米颗粒能够用来进行磁场引导的靶向、量子点能够进行生物标记和成像、Pt纳米颗粒能够释放Pt²⁺用于肿瘤治疗、金纳米颗粒能够用于光热法治疗肿瘤。纳米颗粒的可控组装和解体在生物医学中有重要的应用，如磁性纳米颗粒的核磁共振性能取决于它们的聚集状态而被用于靶向诊断、Pt纳米颗粒在pH的作用下发生自组装而加速Pt²⁺的释放从而克服耐药性、金纳米颗粒的组装能够引起色度的变化而被用于生物传感。

很多配体都能够引导纳米颗粒的组装，如小分子、聚合物和生物大分子。然而在生物医学的研究中小分子引导的组装不是很常用，原因有以下两点：1、它们不满足生物相容性和稳定性的要求；2、它们很难同时具有刺激响应性和引导纳米颗粒组装的能力。因此本小节主要集中在聚合物和生物大分子配体上。

2.1. 聚合物辅助响应性组装

聚合物不仅能够实现纳米颗粒的自组装，还能在随后的医疗中发挥重要作用。与小分子相比，聚合物的循环周期更长，此外，聚合物还能通过修饰来实现药物的靶向运输和可控释放。在刺激响应性的聚合物中，pH和温度响应的聚合物是最广泛使用的，其它的重要配体包括光、活性氧簇响应性聚合物。

虽然有很多因素能够影响纳米颗粒的组装和组装体的性质，但是在生物医疗中主要考虑由聚合物之间的疏水相互作用引起的自组装（图2）。

图2 疏水相互作用引起纳米颗粒的组装或者解体

在大部分的生命体中，生理环境的pH值取决于其位置和健康状态，很多病变区域（如肿瘤和感染）的pH值都低于正常组织，这些特征被广泛用来进行位点特异的疾病治疗。一些功能性的基团（如叔胺和咪唑）在pH>7时是疏水性的，使纳米颗粒发生团聚，但pH<7时这些基团变成亲水性的，纳米颗粒被释放到溶液中。将含有这些功能基团的聚合物涂覆在纳米颗粒上就能实现pH敏感的组装。

作者的课题组制备了由氧化铁纳米颗粒和pH响应的聚合物组成的磁性‘手榴弹’（PMNs），这些聚合物中含有二氢卟吩e6和咪唑基团，当遇到酸性环境时，咪唑会发生质子化，纳米颗粒的组装体会发生解体（图3）。PMNs的解体使其核磁共振和荧光图像的衬度降低，因而能用来进行肿瘤的早期诊断。另外PMNs在内涵体中的光活性增加，对治疗异质性耐药肿瘤有很高的效率。

图3 pH响应的组装和解体的示意图

（A）pH响应的小氧化铁纳米颗粒的组装示意图；（B）肿瘤pH引发的组装解体

温度敏感的聚合物在某个温度会发生构型的变化。聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）是一种被研究最多的温度敏感聚合物，它的低临界溶解温度非常接近生理温度（32℃），因此非常适合用在生物医学中（它的相变温度能够通过改变分子量或与其它单体共聚而调整）。温度升高使它的分子链伸长，温度下降则使分子链缩短。Ding等人用PNIPAM涂覆金纳米颗粒，使它们的距离能通过温度调整。PNIPAM的温度敏感性很好，但是它的单体具有潜在的毒性和致癌性，因此限制了它在生物医学中的应用。因而要寻找生物相容性更好的温度响应聚合物。De 等人将牛血清白蛋白与经改性的NIPAM连接，这种聚合物-蛋白质共轭物具有优异的生物相容性，同时保留了温度响应的特性。Park等人将PS共轭到羟基丙基纤维素（HPC）的温度响应主链上，这种聚合物在40-50℃之间发生构型转变，但是对细胞没有明显的毒性。

另外的刺激源包括光和活性氧簇（ROS），光致变色的分子（如偶氮苯）是常用的光响应聚合物，光使它们的构型发生转变而改变了它们的亲水性，从而发生光响应组装。Das等人合成了一种包含偶氮苯和儿茶酚的聚合物来组装氧化铁纳米颗粒（图4），纳米颗粒能在紫外光照射下发生组装，在可见光照射下又发生解体。

图4 可见/紫外或热使偶氮苯发生可逆的异构化

（A）包含偶氮苯的聚合物结构；（B）光或热处理使构型发生改变；（C）动态响应组装的TEM图

2.2. 生物大分子

用于引发自组装的生物大分子包括多糖、肽、蛋白质和核酸。尽管多糖被广泛用于纳米颗粒的表面改性，但由于它们自身不能对刺激做出响应，因此不予考虑。

a. 蛋白质

某些蛋白质能通过以纳米颗粒为交联剂而形成共轭物，或者通过彼此之间的共组装形成共轭物。某些蛋白质能够识别并且结合到特定的底物上，比如酶能识别某些底物并与它们结合，而抗体则与抗原结合。将蛋白质和底物分别修饰到不同的纳米颗粒中能够实现纳米颗粒的组装。氨基酸是蛋白质的基本单元，它们的侧链包含很多功能基团（如-NH₂、-COOH、-SH），这些基团经常被用于将蛋白质吸附到纳米颗粒的表面。

用蛋白质来构建纳米颗粒组装体有两种常用的方法。第一种是用底物修饰纳米颗粒的表面（图5A），而用包含多个结合位点的蛋白质来使纳米颗粒发生组装，也可以反过来，即将蛋白质修饰到纳米颗粒的表面，而用底物来引发自组装。链酶亲和素是最常用的交联剂，因为它有四个能与生物素结合的位点。但是很难将链酶亲和素-生物素共轭体分开，因为它们之间的结合非常牢固。

这种方法被用来定性检测血凝素，Otsuka等人先用聚合物修饰金纳米颗粒的表面，加入血凝素使金纳米颗粒发生团聚，从而使其颜色发生改变。再加入特定的低聚糖可以使团聚发生解体，溶液的颜色复原。团聚的程度取决于血凝素的浓度，因此通过颜色的改变可以检测到血凝素的浓度。

第二种方法是将底物和蛋白质分别修饰到不同的纳米颗粒上（图5B），当蛋白质和底物只有一个结合位点时需要使用这种方法。通过改变环境使底物变质或者加入其它的蛋白质可以使这种组装体解体。

图5 蛋白质引导纳米颗粒组装的示意图

b. 核酸

单链DNA由A、T、G、C四种碱基对组成，单链DNA通过A-T、G-C配对与互补单链DNA形成双螺旋的双链DNA。分别将单链DNA和互补单链DNA修饰到不同的纳米颗粒表面，就能实现纳米颗粒的组装。DNA双链的稳定程度不仅与GC碱基对的含量有关（A-T以双氢键结合，G-C以三氢键结合），还与长度、碱基序列、温度、盐浓度和pH值等有关，适当改变这些因素可以引起DNA双链的解体。同时也能通过链替换来引起纳米颗粒的构型改变，即用含有更多互补碱基的单链来置换部分互补的链。

3. 刺激-响应纳米颗粒组装体及其生物医学应用

3.1. 体外刺激响应

a. 温度

温度响应系统是生物医学领域被研究最多的系统，在这种系统中，热敏感的片段随着温度改变而发生构型的改变。比如用于药物递送的系统在37℃以下保持稳定，在这个温度以上则会释放治疗药物。

Zhu等人首先报道了用温度敏感的配体修饰纳米颗粒，他们合成了以硫醇结束的聚（N-异丙基丙烯酰胺）并且将其连接到金纳米颗粒的表面，这种纳米颗粒在25-30℃温度内会发生可逆的透明/不透明转变。

b. 光

光响应纳米颗粒组装体已经被广泛用于生物医学研究，与其它刺激响应系统相比，光响应系统不仅是非侵入式的并且还能对其进行时间和空间上的精准控制。通过改变光响应系统的几个参数可以使其被用于不同的领域，如靶向药物递送、生物成像、治疗和诊断。

生物医学的应用中比较喜欢的是近红外光，因为它的穿透深度高以及对细胞的损伤少。金纳米颗粒能够吸收近红外光并且发热，某些抗癌药（如阿霉素）很容易与特定的双链DNA结合，当DNA发生变性后，抗癌药就会被释放。

c. 磁场

磁性纳米颗粒在生物医学的很多方面都有潜在应用，包括生物传感器、诊断和高温治疗。将这些磁性纳米颗粒组装成有序的结构能够更精确的控制它们的性质，加上磁场的穿透深度深，使它们在生物医学上的应用有很强的潜力。磁性纳米颗粒一般只能控制组装体的解体，即通过外部的交变磁场使磁性纳米颗粒发热，使聚合物发生解体。

d. 电场

悬浮液中纳米颗粒之间的相互作用主要包括范德华力和静电力，当距离比较远时，主要是吸引力，当距离比较近时主要是排斥力。当纳米颗粒能够克服排斥力的能垒时，它们便发生团聚。因此通过外电场控制纳米颗粒之间的偶极子-偶极子相互作用能实现纳米颗粒的组装。

Cho等人包含神经生长因子的介孔二氧化硅（MSN）嵌入电活性的聚吡咯（Ppy）中，MSN和Ppy通过电价键（离子键）连接，在电场的刺激下Ppy被还原，神经生长因子被释放出来，Ppy被氧化时发生可逆的过程。

e. 超声

超声波被广泛用来控制药物的释放，因为它能通过发热或者机械效应（空化）使纳米颗粒体系坍塌。比如Jing等人制备了一个集荧光成像、磁引导药物递送、超声控制药物释放于一身的平台。这个系统由多孔TiO₂包裹疏水性药物、Fe₃O₄、量子点组成，在超声的作用下TiO₂被破坏从而释放里面的东西（图6）。

图6 超声控制药物的释放

3.2. 内源性刺激

a. 酶活性

很多疾病的酶表达和活性都是异常的，因此可以用与特定疾病相关的酶来控制药物的递送。Long等人报道了一项有趣的工作：在四氧化三铁的表面修饰一种酶活性的多肽，在特定酶的作用下，纳米颗粒便发生自组装（图7）。

图7 磁性纳米颗粒在酶的作用下发生组装的示意图

b. pH

在众多的生理刺激中，pH是最重要的一个，因为在不同的器官、组织和细胞内区域中pH值有很大的差别。比如实体肿瘤的细胞外pH值比正常组织的低，而内吞溶酶体的pH值还会更低。

Xia等人将超细的Pt簇包裹在pH敏感的聚合物和肝癌细胞（HCC）靶向的配体中，这种纳米颗粒能够靶向HCC，在酸性环境中释放Pt离子，造成DNA的损伤。

c. 氧化还原

使用氧化还原响应材料作为药物载体主要是因为在细胞外和细胞内存在氧化还原电势梯度，谷胱甘肽（GSH）的含量在癌细胞中比在正常细胞中高，在细胞内比在细胞外高，它可以很快劈裂二硫键，因此可以用GSH来触发药物释放。

3.3. 其它的刺激-响应

其它的刺激包括重金属离子、小分子和DNA链等。

3.4. 二元刺激响应

a. pH/温度二元响应的纳米颗粒组装

将pH敏感的组分加入热敏感的聚合物中可以制备pH和温度敏感的聚合物，这时候的热可以通过金纳米颗粒或磁性纳米颗粒产生。

Liz-Marzan 等人将牛血清白蛋白和热敏感的聚合物包裹在金纳米颗粒的表面，这种纳米颗粒只有在低的pH值时才对温度敏感，有望用来诊断胃肠道疾病。

b. pH/磁响应纳米颗粒组装

磁性纳米颗粒能够将磁引导靶向和成像与pH响应药物释放结合起来。Pellegrino等人发展了磁场pH响应的纳米胶作为微干扰RNA的运输载体，pH能控制药物的释放，而磁性纳米颗粒则可以促进细胞的摄取和研究释放机制。

3.5. 多刺激

处于不同研究阶段的多重刺激响应纳米颗粒组装体已经增强了很多应用的性能，尤其在生物医学领域。通过将多种刺激集成到一个系统中，能够实现精确的可控成像和治疗。

Rittikulsittichai等人制备了多刺激响应的复合物，他们用二氧化硅覆盖磁性纳米颗粒的表面，外面再包一层热敏感的水凝胶，水凝胶外面再用金纳米棒修饰。这种系统能对温度、pH、近红外光和磁场做出响应，当温度高于水凝胶的低会溶温度时，水凝胶发生塌缩，缩短了金纳米棒之间的距离，因此使金纳米棒之间的耦合增强。当纳米棒之间的距离比较大时水凝胶是带负电的，可以吸引带正电的金纳米棒，在酸性环境下，它们之间的静电吸引力下降，使金纳米棒被释放出来。

【总结与展望】

纳米材料与生物客体（如蛋白质、膜、细胞、DNA、细胞器）发生的相互作用建立起一系列的纳米-生物界面。纳米颗粒组装体与与生物环境的作用能够人为调节，使得它们在生物医学领域有巨大的潜在应用。

这篇综述的目标是建立起纳米组装体的化学设计和生物医学应用之间的联系。这种应用驱动的设计策略依赖于配体研究的进展，因为能够实现纳米颗粒组装的配体种类多样。然而纳米颗粒组装体的几种应用还处在概念证明的阶段，将它们应用到临床试验还需要几年。

在合成方面，纳米颗粒组装体的形成机制还不清楚，研究人员还是依靠化学直觉和运气来合成均匀的纳米组装体；在应用方面，虽然最近几项基于纳米材料的技术使纳米颗粒组装体多了几种新的应用，但是目前大多数可用的系统都只是在实验室中得到了证明，比如很多的纳米颗粒组装体需要长时间（通常是几个小时）的刺激才能解体，这种效率在活体环境中是很低的；在安全性方面，我们对纳米颗粒组装体对体内的影响了解很少，它们的系统毒性还有待评估。与单个纳米颗粒相比，纳米颗粒组装体要复杂的多，它们包含了无机纳米颗粒、表面配体和大分子，然而现在对它们的评估的方法还是依靠纳米颗粒的评估方法。

未来，通过与多个学科的专家（化学、材料、生物、制药、临床医学）的合作，更多关于纳米颗粒组装体的问题将会得到解决，更智能的纳米颗粒组装体将会得到发展。

文献链接：Dynamic Nanoparticle Assemblies for Biomedical Applications（Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201605897）

本文由材料人生物材料组陈昭铭供稿，材料牛编辑整理。

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