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纳米金在肿瘤诊治中的应用

纳米金在肿瘤诊疗中的应用

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摘要：

纳米金由于具有独特的物理、化学性能受到学术界的高度关注，并广泛地应用于催化、光电、生物医药等领域。

本文主要介绍了纳米金粒子在肿瘤诊断学领域中的应用及研究进展

关键词：

纳米金粒子；肿瘤；诊疗剂；细胞毒性

引言

近年来，纳米材料和纳米技术越来越多地进入到临床应用阶段。

这些纳米颗粒通常指的是数十纳米至数百纳米大小的量级金纳米颗粒具有非常独特的物理、化学性质，主要表现在以下3个方面：

（1）金纳米相对安全，易于制备，稳定性非常好；

（2）具有纳米颗粒所特有的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应和介电效应等；（3）具有独特的电学效应、光学效应、磁学效应、催化效应和生物亲和效应。

[1]因此，金纳米颗粒得以在生物医学中有广泛的应用[2]。

在肿瘤的治疗中，金纳米颗粒相对于传统药物具有更好的穿透能力，在治疗和诊断中应用的风险相对于传统药物更低。

[3-4]纳米颗粒的功能化是目前的研究热点，多功能的金纳米颗粒正被开发用于肿瘤诊断和治疗中。

本文总结了近几年纳米金在肿瘤诊断中的应用研究情况，并进行了简单的评述。

1、纳米金概述

1.1金纳米粒子的形状与性质。

金纳米粒子因其不同的形状和大小表现出独特的物理和化学性质。

第一，金核基本上是惰性的和无毒的。

第二，金纳米的合成相对容易，且直径围可控，常为1～150nm。

第三，不同性质、尺寸的金纳米可以控制药物在不同部位的释放，成为良好的药物载体。

目前已经开发出各种形状的金纳米颗粒以应对不同的治疗需求。

金纳米球（AuNPs）是由氯金酸还原产生的金纳米颗粒，直径围在1到大于100nm，主要用于成像和放射增敏。

金纳米壳（AuNSs）是球形结构，其结构包括二氧化硅的核心和薄层金外壳，直径围在50—150nm。

AuNSs可以通过改变核心直径和壳壁厚度来调整其光学性质。

金纳米棒（AuNRs）通常是利用十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）作为稳定剂，通过氯金酸在金种子上反应合成[5]。

AuNRs的吸收波长具有两个峰，取决于光在其纵向和横向上的等离子体共振。

AuNRs的大小通常在25—200nm，可以通过改变这些粒子的长度与直径的比（即纵横比），从而改变它们的吸收峰波长。

另外还有一些其他形式的金纳米颗粒，如金纳米笼（Nanocage）和空心的金纳米球（hollowgoldnanospheres）等[6-7]。

目前，金纳米颗粒已经被用于肿瘤脉管系统成像，可以对潜在肿瘤的诊断提供依据。

此外，也有研究表明利用纳米材料的可修饰特性设计与肿瘤特殊蛋白分子特定结合的药物，增强药物靶向性和疗效，减少毒副作用。

金纳米颗粒在肿瘤的治疗上有潜在的巨大优势。

1.2金纳米粒子的形状与等离子共振现象

研究表明，金纳米粒子在一定情况下会产生表面等离子共振（SPR）现象[8]，且该现象强烈依赖于金纳米材料的形状．由于球形纳米金粒子（AuNPs）结构上的对称性，SPR表现为等方向性，在紫外可见光谱上出现520～530nm处的单一吸收峰。

但是，随着形状的改变，SPR也体现一定的差异性，例如：

小粒径AuNPs在分散状态下吸收带比较窄，处于520nm附近，呈现红色；对于纳米金棒（AuNRs）而言，电子既可以沿着棒的宽端（即横向）SPR吸收峰，也可以沿着棒的长端（即纵向）SPR吸收峰振动，因此，可以观察到2个主要的随着径长比可调的等离子吸收峰，即：

AuNRs的横向SPR吸收峰基本保持不变，而纵向SPR峰位置则取决于它的径长比，且随着径长比的增加，纵向吸收峰逐渐红移，其最大波长可在600～1600nm之间调节，AuNRs溶液的颜色也相应呈现为红色、蓝色、绿色或褐色等。

AuNPs聚集或沉淀后，SPR吸收带从520nm红移至574nm，呈现紫色或绿色。

AuNRs有2个吸收峰：

1个位于可见光520nm区域，另1个位于800nm近红外区域，恰好生物组织以及体液对这一波段光的吸收和散射最少，光透性最高，呈现相对透明的特征，近红外光不仅能够穿透并能进入深部组织达10cm，为AuNRs吸收近红外光应用于肿瘤诊疗提供了理论依据[9]。

2、纳米金在肿瘤诊治领域中的应用

不同形貌纳米金如：

AuNRs[10-12]、核／壳型纳米金球（AuNCSs）[13]、金纳米笼（AuNCs）[14-15]星型纳米金（AuNslars）[16-17]金纳水管（AuNTTs）[18-19]等，这些是最有可能应用于生物医学的AuNPs，主要是因为：

①纳米金有较长的体循环时间：

②通过特定的表面改性，使纳米金可以选择性积聚在特定靶点；③纳米金具有很大的吸收作用在用于光热治疗的近红外窗口④易于进行简单功能化（如用PFC修饰）和结构特点使得其作为纳米载体．运载药物、DNA或RNA等。

2.1纳米金在肿瘤诊断中的应用

2.1.1比色测定法

肿瘤细胞和正常组织细胞的区别之一是细胞代谢活动的不同。

例如，在肝癌细胞、乳腺癌细胞或黑色素瘤细胞中，蛋白激酶（ProteinkinaseC．PKCa）不是过量表达，就是具有异常活性。

该酶能使特异性底物肽发生磷酸化作用．导致底物肽携带的净电荷发生变化。

当底物肽和纳米金混合时，纳米金胶体的稳定性受到底物肽磷酸化前后所含净电荷的影响，纳米金表面电荷层被底物肽的大量净电荷破坏，将导致胶体聚集变蓝，通过纳米金是否聚集可间接判定蛋白激酶的活性或表达量，从而可以区分肿瘤细胞和正常组织细胞。

基于此原理研究的比色测定方法可区别人正常乳腺细胞和乳腺癌细胞。

结果表明，所有的正常细胞由于所含PKCn活性低，都未能使底物肽磷酸化从而引起纳米金聚集发生变色；肿瘤细胞样品中，PKC活性高的都能使底物肽磷酸化导致净电荷减少，磷酸化的底物肽和纳米金混合后，可以很好地稳定纳米金溶胶，因而通过比色测定法可以简单快速地别肿瘤和正常细胞[20]。

在实际应用于乳腺癌细胞测定中，由于其PKCa的活性具有很宽的围，该研究从18份阳性样品中仅检出l2份，结果的准确度还有待提高，而对于其他实体瘤的检测还需要有更多的研究。

Mishra[21-22]等初步研究了用金硅复合纳米粒子分辨肿瘤细胞和正常卵巢细胞，但这种探索方法的准确度同样有待提高。

可见，比色测定方法虽然简单易行，但应用于肿瘤诊断的研究才刚刚开始，如何发挥该方法简单、快速、成本低的优势，仍需要进行更多的研究。

2.1.2体外成像测定法

纳米金粒子体外显影肿瘤细胞，一方面可以证明纳米金在检测肿瘤细胞及对肿瘤细胞成像或杀死肿瘤细胞方面的能力，另一方面可以研究纳米金和肿瘤细胞作用的机制，为体诊断肿瘤做出前期探索。

利用纳米金粒子在可见光谱区成像或治疗癌症只能应用于皮肤或表面型的癌症。

如对大部分的体实体瘤光学成像，需要在近红外光谱区（780～2526nm，尤其是近红外短波780～1100nm）进行，在此波长下，光对血红素和水有最大的透射比，光能穿透组织几厘米深[23]）。

改变金纳米粒子的尺寸、形状、组成或进行表面修饰，可使纳米粒子在近红外光谱区具有很高的表面等离子体共振吸收和散射能力，将金纳米粒子连接特异性的生物靶向分子，金纳米粒子就可以成为肿瘤成像的一种非常有效的显影剂[24]。

10nm球形纳米金颗粒在520nm波长处有一最大吸收峰，当增加纳米金颗粒到70nm左右，最大吸收峰值仅迁移到约650nm处，表明调节纳米金颗粒尺寸来改变其表面等离子体共振波长非常限，如改变纳米金颗粒的形状和组成，则可以很好地控制纳米金的最大吸收峰[25-26]。

如合成棒形纳米金颗粒，改变棒状纳米金的纵横比，可使其表面等离子体共振峰从600nm移至1100nm[27]，而合成金硅复合纳米粒子，改变外层纳米金壳的厚度，也可调节最大吸收峰波长[28]。

Huang[29]研究了表面修饰有抗体的棒状纳米金对人口腔鳞癌细胞和正常细胞成像和对癌细胞的杀伤作用，在暗场显微镜下观察，能清晰地分辨细胞。

Chen等[30]也证明用多层带电聚合物包裹的棒状纳米金是一种很好的肿瘤成像造影剂。

这些都表明棒状纳米金是非常有前途的光学造影剂。

其他形状的纳米金颗粒对肿瘤细胞的成像也有诸多报道，如空心纳米金球对乳腺癌细胞MCF7细胞系的成像[31]金纳米笼对乳腺癌细胞的显影[32]、金纳米立方体对人肝癌细胞成像[33]、复合纳米金粒子对膀胱癌MBT-2的成像[34]，这些研究说明不同形状或组成的纳米金颗粒也都可以用来成像诊断，但成像效果和对特定癌症细胞的特异性识别等还需要更多的研究

2.1.3体成像测定法

体外研究表明纳米金粒子能够很好地对癌症细胞成像，对于体光学成像和光谱测定，面临的主要挑战是动物组织对光的吸收和散射致使光穿透深度有限，难以进行部组织的显影成像。

因而迄今的研究主要集中在近红外光谱区对荷瘤小鼠体的肿瘤进行诊断和治疗。

Qian等[35]报道了以表面增强拉曼散射（Surface—en—hancedRamanscattering，SERS）的方法靶向定位和测定小鼠荷人头颈部肿瘤，表明PEG化的纳米金粒子具有很高的稳定性，增强分子的拉曼散射信号的效率达1015倍左右，最终能够探测小鼠体很小型的肿瘤（0.03cm3。

）。

体显影肿瘤关键是定位肿瘤并保持肿瘤部位显影的信号强度。

研究发现，PEG化的纳米金颗粒、纳米金笼和纳米金棒都具有很好的稳定性、生物相容性和生物分散性，而且能通过增强的渗透保留效应，在肿瘤部位大量累积。

在近红外光谱区，这些金纳米结构都具有合适的局域表面等离子体共振峰，因而能够清晰地显影肿瘤组织。

[35-37]

2.2金纳米颗粒在肿瘤治疗中的应用

2.2.1金纳米作为药物载体

金纳米作为药物载体可提高药物的药代动力学，从而减少非特异性的副作用并实现更高剂量的靶向给药。

该有效载荷可以是小分子药物或大生物分子如蛋白质、DNA或RNA_l。

金纳米偶联西妥昔单抗和吉西他滨，在EGFR高表达的胰腺癌细胞中已被证实具有较高的靶向性。

Jiang等利用柠檬酸还原法制备了直径2～100nm的金纳米颗粒并偶联曲妥珠单抗，研究结果提示，在HER-2阳性的SK—BR一3乳腺癌细胞中表现出了良好的靶向性，且细胞对于40～50nm直径的金纳米颗粒胞吞作用较明显，而小直径的金纳米颗粒则倾向于从细胞膜分离。

2.2.2金纳米在热疗中的应用

热疗治疗机制涉及细胞在42～47℃的热应激反应，造成细胞活化和（或）细胞外降解机制的启动。

热疗对于细胞和细胞外的影响包括：

蛋白质的错误折叠和聚集，信号转导的改变，诱导细胞凋亡，pH的变化，减少了灌注和肿瘤氧合等。

金纳米颗粒如AuNRs或AuNSs对于近红外光（波长650～900am）16]的吸收和散射有明显的优势。

当暴露于电磁辐射时，特别是近红外光，金纳米可以通过表面等离子体共振效应产生热量。

由于金纳米颗粒的吸收波峰值在可见光围（450～600nm），故正常组织对近红外光的吸收量极少。

利用近红外激光照射刺激金纳米粒子可以诱导热疗，而且几乎不会损伤正常组织。

因此，金纳米介导的光热疗法与传统的肿瘤治疗方法相比具有特异性强和创伤小的优势。

3.结语

金纳米结构具有独特的理化特性，一直是肿瘤诊治研究中的热点，尤其是在检测各种肿瘤标志物和作为显影剂对肿瘤进行显影成像的研究中，更是研究人员关注的焦点。

对于探索更加简洁、快速、大规模化的方法制备合适形状的纳米金，还需进行更加深入的研究。

各向异性AuNPs的具有优越的光学和催化性能，但是困扰各向异性AuNPs广泛应用的重要因素是其制备效能、重现性、靶向性和毒性。

目前常用有毒的CTAB稳定剂实现一维结构的控制生长，因此，寻找可替代性，无毒稳定剂，实现纳米结构可控是一个富有挑战性的课题。

纳米金在体的代谢情况以及纳米金对正常细胞活动的影响，尤其是对基因表达或调控的影响也有待更多的研究。

同时，由于肿瘤部高度的各向异性以及持续的变化性、不同肿瘤表达水平的不同、原发肿瘤与转移肿瘤的区别以及肿瘤自身生长变化及给药后肿瘤的变化等原因，需要对纳米金颗粒的尺寸大小在肿瘤微环境中的行为影响有更细致的研究。

以后研究思路可能是针对每一个特定肿瘤筛选出对其治疗效果最佳的纳米颗粒。

在筛选过程中需要充分利用肿瘤微环境的生化性质，如低pH值，外部的力量包括电刺激、磁场、超声、热和光，同时也应该考察修饰的配体带来的纳米金尺寸及细胞摄取效率的变化。

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