纳米医学诊断与治疗技术新进展

[摘 要]本文介绍对近期在纳米科学与技术与医学的交叉研究和所发展的用于疾病诊断和医疗新型纳米材料等新进展.利用纳米技术将生物分子的识别功能与纳米粒子的光、电、磁功能结合在一起,在造影成像技术、新型诊断方法和快速诊断等方面已取得了重要进展.将纳米技术应用于靶向和环境响应性纳米药物输送体系已成为近年来治疗领域的热点和重点.治疗一体化的纳米材料体系是一个有望满足医疗需求的纳米医学新方向.

[关 键 词]纳米诊断材料；纳米医药；纳米靶向药物传输；环境响应性纳米给药体系

[中图分类号]R446[文献标识码]A[文章编号]1673-7210（2013）02（c）-0025-04

作为医学领域中的新兴分支学科,纳米医学主要研究纳米尺度的生命现象,从纳米尺度来进行原来不可能达到的医疗和防治.这是因为当材料的结构基元尺寸小到纳米量级的时候,其性能会有意想不到的变化；同时纳米量级与生命物质的结构单元尺度相匹配,能更加有效的与生物体进行物质和能量交换,从而提高治疗效果.纳米医学可分为两大类：一是传统分子医学的延伸,即在分子水平上进行医学研究,基因药物和基因疗法等就是代表性实例；二是把化学和材料领域的纳米研究新成果引入医学领域,如发展新型纳米材料并用于疾病诊断和医疗等.很多纳米材料都展现出诱人的医学应用前景.这些新方法极大地促进了纳米医学概念的形成,吸引了众多基础研究和临床实验兴趣.经过近二十年的大发展,纳米材料用于诊断的方法学已日趋完善,国际上研究重点正逐渐转移到使用纳米材料进行疾病治疗.国际上纳米医学发展标志性事件包括于2004和2005年分别新出版的专业期刊Nanomedicine、Nanomedicine：NBMNanotechnology,BiologyandMedicine和IntJNanomedicine等.前些年曾有国内学者分别归纳过该领域进展,如纳米技术在癌症早期诊断和治疗中的部分研究进展[1],叶成红等[2]归纳了纳米技术在止血材料、骨科移植材料、血管支架材料等领域的研究进展.鉴于该领域发展很快,本文将纳米医学诊断与治疗技术研究最新进展进行综述.

1纳米诊断材料

癌症早期精准检测诊断对其治疗具有重要的意义,目前,许多癌症患者因种种原因未能在早期检出,因而延误了病情.以肠癌为例,我国早期临床诊断率低于20%,超过80%患者确诊时已发展至中晚期.如能发展更为方便灵敏的早期检测方法,早治疗,术后5年生存率可达90%以上.肿瘤发生是多种基因参与的结果,肿瘤的浸润与转移表达能够用一套分子标志物来预测与表征[3].肿瘤标志物的传统检测方法存在敏感性与特异性方面的问题.对于早期诊断来说,诊断灵敏度是其中至关重要的因素.利用纳米粒子的独特的光、电、热、磁和力学性能,可以显著增强检测的灵敏度与特异性,纳米技术推动了疾病诊断技术的快速发展.

目前,基于纳米粒子的肿瘤疾病诊断技术主要包括早期肿瘤标志物检测技术、活体动态多模式影像诊断技术等.例如,将能够识别肿瘤细胞表面受体的特异性配体与纳米粒子结合,待纳米粒子与肿瘤细胞特异性结合后,利用物理方法如测试传感器中的磁讯号、光讯号等,通过成像系统显影,能够对体内是否存在恶性肿瘤进行早期诊断.除了诊断功能外,利用纳米诊断材料与肿瘤细胞结合的特性,进行肿瘤细胞示踪与捕获杀灭,实现诊断-治疗一体化是肿瘤纳米诊断治疗技术的重要目标,也是本领域的研究热点[4-5].

量子点又称半导体纳米微晶体,直径1～100nm,是半径小于或接近于激子玻尔半径的一类半导体纳米粒子.量子点具有一般纳米微粒的基本性质如表面效应、体积效应和量子尺寸效应,在激发光的诱导下会产生荧光,具有宽的激发光谱、窄的发射光谱、可精确调谐的发射波长、可忽略的光漂白等优越的荧光特性,是一类应用于光学分子影像的纳米材料,可以同时使用多种颜色的探针而不会发生波谱重叠现象.量子点被用作荧光探针用于细胞的标记和光学探针,特别适合于活体细胞成像和多组分同时检测.为某些肿瘤的早期诊断提供一种新型分子诊断手段.同时,量子点又可以作为一种新型的光敏化试剂用于某些肿瘤光动力学治疗.化合物半导体量子点尚存在毒性问题,最近发展的碳量子点具有生物相容性优异的特点,有望真正获得临床应用.

金纳米粒子因为其独特的表面等离子共振效应被用作光学造影剂和传感器[6],其具有良好的生物相容性和稳定性,尤其是具有较高的电子密度和X射线吸收系数,在100KeV下,金的吸收系数是碘造影剂的2～3倍,可用于肿瘤的诊断等.利用金纳米颗粒结合杂交DN段,能够很容易地穿透细胞膜进入细胞核与核内染色体结合,并具有较高的特异作用.碳量子点是2004年发现的一种新型碳材料[7],与传统量子点和有机染料相比,不仅拥有发光范围可调,双光子吸收截面大,光稳定性好,无光闪烁,而且碳材料毒性小,生物相容性好的优点,易于规模制备和功能化,价廉,是一种临床应用前景很好的新型成像检测纳米材料.

2药物及基因纳米传递体系

近年来药物控制释放技术的发展使给药具有定时、定向、定位、速效、高效、长效等特点.为了实现这些靶向给药、智能释药的要求,药物控制释放系统逐渐向小尺寸发展,这意味着生物医用材料与纳米技术的结合是这一领域必然的发展方向.目前大部分抗癌药物是疏水性的,很容易被人体内的一系列排斥反应排出体外,如癌细胞的多药耐药和酶降解作用等.这大大限制了癌症等疾病治疗的有效性.而两亲性高分子形成的纳米粒子可以作为药物载体,把药物包埋在疏水核内,表面由纳米粒子的亲水层保护,这样药物便可被输送到肿瘤部位等,从而起到有效治疗癌症的作用.目前临床上使用的大多数抗癌药物,由于缺乏靶向性和特异性杀死癌细胞的能力,导致在治疗癌症的同时对机体正常组织产生严重的毒副作用,已成为癌症治疗面临的棘手问题和最大障碍之一.

通过将药物纳米化,可以显著增加药物的溶解度,提高药物的生物利用度,保护药物或减少药物被降解或清除,延长药物发挥作用的时间,增加药物对肿瘤组织的靶向性等.纳米颗粒被动靶向肿瘤组织的能力基于肿瘤组织中发育不完善的多孔性脉管系统,后者为循环纳米颗粒藉超通透和蓄积效应进入其中奠定了重要的结构基础.目前只有Abraxane（paclitaxel-albuminbound）、Myocet（doxorubicinliposomes）、Doxil（doxorubicinliposomo-PEG）等几种纳米药物进入临床应用于患者癌症治疗[8].纳米药物的形状对纳米给药系统在血液中循环时间与稳定性存在显著影响[9-10].对比蠕虫状和球型胶束的血浆清除研究发现其形态对药物的输送过程及疗效均有影响,肝脾对蠕虫状胶束的摄取能力非常低,因而其血液循环时间非常长,但蠕虫状胶束穿过肿瘤毛细血管的能力较差.一般纳米药物载体主要有两部分：起载体作用形成囊泡的惰性组分和生物活性靶向基团.载药量低是通常遇到的问题,如脂质体载药量只有10%,为了实现增加载药量,可将药物分子直接作为载药组分,这样不仅可增加载药量、减少了惰性组分所占比例,而且降低了给药时的暴释,如利用喜树碱（camptothecin,CPT）疏水性,将其接上亲水聚乙二醇（PEG）短链,形成双亲类磷酯大分子,该体系形成囊泡后,CPT载药量可高达58%且无暴释,其空腔中还可载入亲水性抗癌药阿霉素（Doxorubicin,DOX）,这样可高载药量实现两种抗癌药同时负载,实现联合化疗,尽可能最大化杀灭癌细胞,减少复发和产生耐药性机会,协同杀死癌细胞[11].与此类似,还可将姜黄素（curcumin）接上PEG链,大大增加载药量[12].3靶向纳米控释给药

克服耐药性的方法主要有两种：其一是多种药物联合化疗,其二是使用多药耐药抑制剂逆转肿瘤细胞的耐药性,配合抗癌药杀死癌细胞,这两种方法都需要控制药物在肿瘤细胞上定点、定量的精确作用,因此采用纳米给药并靶向传输是理想选择,如何使药物能够高效地到达体内的靶部位一直是药物控制释放的一个关键问题.通过药物传递系统可以将药物运送到与疾病相关的特定的器官、组织或细胞.例如靶向到肿瘤、大脑、肝细胞、巨噬细胞等,可以提高靶部位的药理作用强度并降低全身的不良反应,提高药品安全性、有效性,是治疗癌症等疑难疾病的重要方法.

药物的靶向释放分为被动靶向和主动靶向.一定尺寸范围的微米级、纳米级药物传递系统通常具有被动靶向性,被动靶向给药系统对靶细胞并无识别能力,但可经尺寸效应到达靶部位进行释药.由于疏水性粒子在进入体循环时易被快速清除,如网状内皮系统的巨噬细胞吞噬,从而影响药物到达靶区,通过表面亲水性PEG修饰等方法可以延长其在体内的循环时间.制备体内稳定性好的药物传递系统是实现靶向给药的关键点之一.主动靶向给药系统则具有识别靶组织或靶细胞的能力.通过引入靶向基团可使纳米药物传递系统具有主动靶向能力,可以将药物运送到特定的器官、组织或细胞,是治疗癌症等疑难疾病的重要方法.常见的靶向基团包括多肽、蛋白质类,如抗体及抗体片段、转铁蛋白等,维生素类如叶酸、生物素等,碳水化合物类如半乳糖等[13].

叶酸是细胞所必需的维生素,参与多种代谢途径的一碳转移反应.叶酸的细胞转运通过两种跨膜蛋白,即低亲和力的还原性叶酸载体和高亲和力的叶酸受体来完成.叶酸具有与叶酸受体的高亲和力、低免疫原性、易于修饰、体积小、高度化学稳定性和生物学稳定性、高的肿瘤渗透性、以及低成本等优点,因此叶酸介导肿瘤靶向的研究得到迅速发展[14].与单靶向体系相比,在纳米粒子的表面同时引入不同的两种靶向基团可明显提高靶向效果[15].

具有细胞靶向作用的多肽称为靶向肽.研究最多的是对肿瘤具有识别能力的多肽[16].例如酪氨酸-异亮氨酸-甘氨酸-丝氨酸-精氨酸五肽YIGSR似的活性有效部分,可与癌细胞表面大量的层粘连蛋白受体识别,具有肿瘤细胞靶向性,另一方面,它通过竞争与肿瘤细胞的相应黏附因子结合,封闭了肿瘤细胞与体内正常细胞的细胞外基质和基底膜上层粘连蛋白结合的可能,抑制肿瘤的转移[17].

特罗凯（盐酸厄洛替尼片）是2007年罗氏医学部在中国上市的新型高效的靶向治疗药物,用于晚期非小细胞肺癌在既往化疗失败后的三线治疗.这一药物适用于所有非小细胞肺癌患者,是目前世界上唯一被证明能够显著延长非小细胞肺癌患者生命的靶向抗癌药物,分别于2004年11月和2005年9月在美国和欧洲通过审批,用于化疗失败后的非小细胞肺癌的二或三线治疗,在全球超过75个国家批准上市.Zhou等[18]对比特罗凯单药与化疗用于表皮生长因子受体EGFR突变肺癌患者一线治疗的研究最优化方案,最终证实了接受靶向治疗的有效率高达83%,患者中位无进展生存达13.7个月；而普通化疗有效率仅为36%,患者中位无进展生存为4.6个月.

利用生物体内蛋白纳米微结构作为药物载体形成纳米医药是很有意义的方向,有望得到理想的药物传输系统.穹隆体存在于哺乳动物细胞的细胞质中,最大的穹隆体是核糖核蛋白复合物,其大小在100nm以下.内部中空的穹隆体一般为桶形结构,可以封装各种蛋白.由于自身是天然蛋白质,所以不会产生免疫应答.穹隆体可以定位细胞表面受体,并可通过微孔缓慢释放药物.利用穹隆体递送药物的难点在于如何将药物封装在穹窿体内.采用了纳米小碟技术[19],利用可与穹隆体结合的脂蛋白形成纳米小碟的双层脂膜,然后用不溶性的全反式维甲酸封装穹隆体,进而解决了这一难题.这样就把载有药物的纳米小碟装入了穹隆体,从而屏蔽外部介质.由于穹隆体可以容纳很多纳米小碟,大大提高了局部药物浓度.

4环境响应性给药纳米体系

可以利用癌症细胞和正常细胞组织微小的环境差异,例如癌症细胞内外pH在5.0～6.8或温度稍微高于体温,改变聚合物分子链之间或者聚合物分子链与溶剂之间的相互作用,从而使其本身发生结构、形状或者性能上的改变,来实现药物对癌症细胞的释放而达到仅杀死癌症细胞的目的.近年来,作为一种非常有效的抗癌药物,硼替佐米（Bortezomib,万珂）已经被批准应用于多发性骨髓瘤的临床治疗,且在治疗初治或难治多发性骨髓瘤以及非霍奇金淋巴瘤（NHL）等其他血液系统恶性肿瘤,因其拥有显著的疗效而受到越来越广泛地关注[20].由于硼替佐米分子上硼酸基团的存在,其可以与含有1,2或者1,3-二羟基的分子或者聚合物在中性或者碱性条件下实现络合,并在酸性条件下可实现解络合.这样的pH依赖性的相互作用,已经利用并报道了含有苯邻二酚基团的PEG对硼替佐米在pH等于7.4或者碱性下的有效负载和在pH等于5时的可控释放[21].含有双硫键的给药系统因二硫键对还原物质敏感,在药物释放领域具有重要意义,例如,当包载药物的含二硫键给药体系进入细胞时,二硫键会被细胞内谷胱甘肽酶还原而迅速降解[22],释放出药物.含二硒长链药物载体具有比含二硫基团的体系具有更为灵敏的氧化还原响应性,在很温和的氧化（0.01%双氧水）或还原条件下（0.01%谷胱甘肽）就可实现疏水二硒链段断裂,使纳米微胶囊解离并释放包载的药物,同时,很低剂量的伽马射线（5Gy）就能使二硒键断裂,为获得的化疗与低损害放疗联合治疗肿瘤提供了一种新途径[23].

5结语

纳米技术在预防与控制癌症等疾病方面将大有作为,在纳米医学领域,待解决的问题主要包括以下几点：一是如何拓展在药物治疗方面的用途,目前直接用于治疗的纳米微粒只有有限几种,且集中在对癌细胞的杀灭研究,大多数纳米材料的优良性能还没有得到有效利用；二是开发方便耐用的医用材料和药物,用特定的纳米复合结构和材料实现药物的广谱、速效治疗；三是把纳米技术和基因疗法相结合,降低因基因载体选择不当造成的排异反应.目前具有挑战性的问题是如何提高体内灵敏度,以及消除潜在毒性.此外,纳米材料与人体相互作用的长期后果还不清楚,纳米医学材料生物安全性越来越被人们重视,在设计材料的同时,其生物安全性成为研究工作首要考虑的因素[3,24].随着今后纳米医药领域深入系统的研究,有望为许多疾病治疗和诊疗进步提供新技术.[参考文献]

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（收稿日期：2012-10-15本文编辑：郝明明）