納米材料的醫(yī)學(xué)運(yùn)用
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1生物熒光標(biāo)記
熒光分析法由于其較高的檢測(cè)靈敏度而成為生命科學(xué)研究領(lǐng)域重要的研究方法之一，其檢測(cè)靈敏度在很大程度上依賴(lài)于熒光標(biāo)記物的熒光強(qiáng)度和光學(xué)穩(wěn)定性。目前使用的傳統(tǒng)有機(jī)熒光材料由于吸收波長(zhǎng)范圍較窄，使用時(shí)僅能在較窄的波長(zhǎng)范圍內(nèi)選擇特定波長(zhǎng)的光對(duì)其進(jìn)行激發(fā)，而且其發(fā)射光譜較寬，不同熒光材料的發(fā)射光譜有可能互相重疊，從而降低了同時(shí)使用不同熒光材料對(duì)不同分子進(jìn)行熒光標(biāo)記和分析的可能性。此外，傳統(tǒng)有機(jī)熒光材料的發(fā)射光譜一般不具有對(duì)稱(chēng)性，信噪比和穩(wěn)定性相對(duì)較低，在光照幾分鐘后即發(fā)生褪色現(xiàn)象。這些缺陷極大限制了其在生命科學(xué)領(lǐng)域更為深入廣泛的應(yīng)用。量子點(diǎn)一般是指尺寸小于激子玻爾半徑的Ⅱ-VIA或Ⅲ-VA元素化合物所形成的納米晶體。當(dāng)可見(jiàn)光的光子照射到量子點(diǎn)上時(shí)，量子點(diǎn)的某些電子會(huì)被激發(fā)至較高能級(jí)，當(dāng)這些電子從較高能級(jí)回到其基態(tài)時(shí)，量子點(diǎn)就會(huì)以熒光的形式發(fā)出特征頻率的光子［3］。
與傳統(tǒng)的有機(jī)熒光材料相比，量子點(diǎn)具有較大的吸收范圍，因而能夠在較寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)被激發(fā)從而發(fā)出熒光，利用這一性質(zhì)，可以在單一的激發(fā)波長(zhǎng)下使用多種量子點(diǎn)進(jìn)行熒光標(biāo)記［4，5］。而且，量子點(diǎn)的發(fā)射光譜較窄且具有對(duì)稱(chēng)性，因而不同量子點(diǎn)的發(fā)射光譜之間基本不存在相互重疊()。此外，可以通過(guò)對(duì)量子點(diǎn)的粒徑、組成和表面性質(zhì)進(jìn)行修飾從而對(duì)量子點(diǎn)的發(fā)射波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)控，使得量子點(diǎn)可以在從紫外到紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)的特定頻率下發(fā)射熒光，利用這一特點(diǎn)，可以通過(guò)合成方法設(shè)計(jì)制備出大量發(fā)射波長(zhǎng)不同的量子點(diǎn)［6，7］。此外，與有機(jī)熒光材料相比，量子點(diǎn)具有較高的穩(wěn)定性，可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)經(jīng)歷多次激發(fā)和熒光發(fā)射的循環(huán)過(guò)程，而且其熒光具有較高的亮度和褪色閾值。量子點(diǎn)的上述幾個(gè)特性使得其非常適合于進(jìn)行復(fù)合熒光標(biāo)記，進(jìn)行標(biāo)記時(shí)可以根據(jù)不同量子點(diǎn)所具有的不同顏色和強(qiáng)度的熒光對(duì)不同的靶向分子進(jìn)行標(biāo)記。在利用量子點(diǎn)進(jìn)行生物熒光標(biāo)記的研究初期，由于一些技術(shù)性原因，尤其是量子點(diǎn)表面包覆問(wèn)題，在標(biāo)記時(shí)存在熒光強(qiáng)度、選擇性和分辨率較低等問(wèn)題。作為量子點(diǎn)生物熒光標(biāo)記的早期研究者之一，Bruchez等［6］將CdSe-CdS量子點(diǎn)表面包覆細(xì)胞生物素，并首次成功利用其對(duì)小鼠3T3成纖細(xì)胞進(jìn)行熒光標(biāo)記，但標(biāo)記后的熒光信號(hào)強(qiáng)度較低，且絕大部分量子點(diǎn)非特異性地分布在核膜上。
與此同時(shí)，Nie等［7］利用轉(zhuǎn)鐵蛋白對(duì)CdSe-ZnS量子點(diǎn)進(jìn)行包覆，并經(jīng)過(guò)受體介導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)吞作用進(jìn)入HeLa細(xì)胞對(duì)其進(jìn)行體外熒光標(biāo)記，以識(shí)別IgG免疫抗原，并利用IgG修飾的CdSe-ZnS量子點(diǎn)對(duì)免疫抗體進(jìn)行熒光標(biāo)記，但其特異性仍然較低，且未進(jìn)行體內(nèi)標(biāo)記測(cè)試。盡管利用量子點(diǎn)進(jìn)行生物熒光標(biāo)記的初期研究存在上述問(wèn)題，但仍然引起了研究人員極大的興趣，在材料學(xué)及生物科學(xué)領(lǐng)域引發(fā)了廣泛的研究熱潮。隨著材料表面科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)的深入研究，利用量子點(diǎn)進(jìn)行生物熒光標(biāo)記在熒光強(qiáng)度、特異性及靈敏度等方面得到了極大的發(fā)展。Wu等［8］利用免疫抗原IgG和鏈酶親和素對(duì)CdSe-ZnS量子點(diǎn)進(jìn)行修飾，然后利用其對(duì)人體乳腺癌細(xì)胞SK-BR-3進(jìn)行體外及體內(nèi)熒光標(biāo)記，以檢測(cè)細(xì)胞表面的腫瘤標(biāo)記物Her2(人類(lèi)表皮生長(zhǎng)因子受體2)。測(cè)試結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的有機(jī)熒光標(biāo)記方法相比，該方法具有極高的特異性，且顯示出優(yōu)異的熒光強(qiáng)度和熒光穩(wěn)定性。更為重要的是，該研究顯示利用兩種發(fā)射波長(zhǎng)不同的量子點(diǎn)即免疫抗原IgG修飾的量子點(diǎn)和鏈酶親和素修飾的量子點(diǎn)，可以在同一激發(fā)波長(zhǎng)下同時(shí)對(duì)小鼠3T3成纖細(xì)胞2種不同的細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)分子肌動(dòng)蛋白和微管蛋白進(jìn)行熒光標(biāo)記，表明與傳統(tǒng)的有機(jī)熒光材料相比，量子點(diǎn)可以更為有效的同時(shí)對(duì)多種細(xì)胞內(nèi)分子進(jìn)行熒光標(biāo)記。2004年，Nie等［9］使用兩親三嵌段共聚物對(duì)TOPO包覆的CdSe-ZnS量子點(diǎn)進(jìn)行修飾，并在其外表面連接各種腫瘤特異性配體，利用其對(duì)裸鼠體內(nèi)的人體前列腺腫瘤細(xì)胞進(jìn)行標(biāo)記。
結(jié)果表明，通過(guò)量子點(diǎn)表面連接的腫瘤特異性抗體，量子點(diǎn)可以有效定位于腫瘤細(xì)胞并與細(xì)胞表面的腫瘤特異性生物標(biāo)記物相結(jié)合，通過(guò)波長(zhǎng)分辨成像技術(shù)，成功對(duì)成活裸鼠體內(nèi)的腫瘤細(xì)胞進(jìn)行高靈敏度多色熒光標(biāo)記()。隨著研究的不斷深入和拓展，量子點(diǎn)在體外生物熒光標(biāo)記方面的應(yīng)用目前已進(jìn)入較為成熟的階段。Xie等［10］利用生物素與鏈酶親和素之間的特異性相互作用，將小鼠肝癌細(xì)胞MEAR中的DNA適配體(TLS9a)生物素化，將其連接于鏈酶親和素修飾的量子點(diǎn)上，制備出生物熒光探針。利用該探針對(duì)不同腫瘤細(xì)胞及正常細(xì)胞進(jìn)行熒光標(biāo)記。結(jié)果表明，該探針能夠特異性識(shí)別MEAR小鼠肝癌細(xì)胞，且該探針具有良好的生物相容性，在對(duì)MEAR細(xì)胞識(shí)別后未對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)和細(xì)胞存活產(chǎn)生毒副作用()。Dong等［11］將水溶性CdTe量子點(diǎn)與大鼠抗小鼠CD4抗體相連接，并利用其對(duì)大鼠脾臟進(jìn)行熒光檢測(cè)。結(jié)果表明，該熒光探針可以有效對(duì)大鼠脾臟進(jìn)行直接熒光標(biāo)記，而且與常用的有機(jī)熒光材料異硫氰酸熒光素(FITC)相比，該熒光探針顯示出優(yōu)異的熒光檢測(cè)強(qiáng)度及良好的熒光穩(wěn)定性。
2靶向藥物輸送
在藥物研發(fā)和藥物治療領(lǐng)域，藥物輸送是一個(gè)必須考慮的重要因素。藥物的靶向輸送對(duì)于多種疾病如癌癥和神經(jīng)性疾病的治療至關(guān)重要。因而，目前對(duì)藥物的靶向輸送研究已成為藥物研發(fā)和藥物治療的核心問(wèn)題之一。對(duì)于一個(gè)藥物輸送體系而言，其尺度大小對(duì)于有效將相關(guān)藥物輸送至細(xì)胞內(nèi)部至為關(guān)鍵。由于血管自身孔徑的限制，僅允許直徑小于50nm的藥物自由進(jìn)出，而對(duì)于細(xì)胞，僅有直徑小于100nm的藥物可穿透細(xì)胞膜進(jìn)入其內(nèi)部發(fā)揮療效。目前，僅有人工合成的納米輸送系統(tǒng)能夠較好的滿足這一要求。此外，藥物的溶解性是影響藥物療效的重要因素之一，而目前近半數(shù)的化學(xué)合成藥物在水中是不溶的或溶解性較差，嚴(yán)重影響了藥物充分發(fā)揮其療效，因而已成為目前藥物藥物治療領(lǐng)域的一個(gè)主要問(wèn)題。
納米顆粒由于其特有的性質(zhì)，使其在藥物輸送方面具有廣闊的應(yīng)用前景。由于其較小的尺寸，使得納米顆粒能夠較為有效地進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部。納米顆粒較大的比表面積使其能夠有效結(jié)合、吸附及輸送其它化合物如小分子藥物、多肽、蛋白質(zhì)及核酸分子，而且其較大的比表面積賦予納米顆粒所負(fù)載的藥物分子良好的藥物動(dòng)力學(xué)特性及其在靶向組織器官中優(yōu)異的生物分散性，進(jìn)而可以有效的提高藥物療效［12，13］。納米顆粒具有優(yōu)先聚集于靶向位點(diǎn)的特性，這一特性使其所負(fù)載的藥物在健康的組織器官部位的濃度較低，從而可以最大程度地降低納米顆粒及藥物本身的毒副作用［14］。而且，納米顆粒可以有效提高疏水藥物在含水介質(zhì)中的溶解性，使疏水藥物能夠適合于進(jìn)行非腸道給藥治療。納米顆粒還可以有效提高多種藥物如疏水藥物分子、多肽及寡聚核苷酸的穩(wěn)定性［15，16］。此外，生物可降解的納米輸送體系可以大幅度提高藥物的生物相容性，并可在最大程度上降低藥物本身的超敏反應(yīng)，如呼吸困難、皮疹、胸痛、心跳過(guò)速、水腫及外周神經(jīng)炎癥［17，18］。Bahadur等［19］首先利用氨基硅烷對(duì)Fe3O4納米顆粒進(jìn)行包覆以實(shí)現(xiàn)其氨基官能化，然后通過(guò)Michael加成反應(yīng)將丙烯酸甲酯和精氨酸接枝于納米顆粒表面，形成平均粒徑在10nm左右的樹(shù)枝狀磁性納米顆粒藥物載體。細(xì)胞生物學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，該樹(shù)枝狀磁性納米顆粒本身對(duì)Hela細(xì)胞無(wú)細(xì)胞毒性，顯示出良好的生物相容性。
通過(guò)靜電相互作用將抗癌藥物鏈霉菌成功結(jié)合于該磁性納米顆粒表面，測(cè)試結(jié)果表明，在最佳酸度條件下，藥物分子可以有效得以釋放，且在外加磁場(chǎng)作用下，其藥物釋放效率可以得到極大提高()。Wheate等［20］利用含氨基的磺基化聚乙二醇對(duì)直徑為30nm左右的金納米顆粒進(jìn)行修飾，以提高其水溶性及有效載藥量，然后將抗癌藥物草酸鉑連接于該納米顆粒表面。電子探針顯微分析結(jié)果顯示，與超支化聚合物及樹(shù)枝狀聚合物相比，其有效載藥量可大幅度提高。細(xì)胞生物學(xué)測(cè)試表明，與純的草酸鉑相比，該官能化金納米顆粒可將腫瘤細(xì)胞內(nèi)的藥物濃度提高1倍。此外，在負(fù)載草酸鉑之前，官能化的金納米顆粒對(duì)腫瘤細(xì)胞未顯示明顯的抑制作用。而在負(fù)載草酸鉑之后，與純的草酸鉑相比，其對(duì)腫瘤細(xì)胞的抑制率可有效提高5～6倍。Hanessian等［21］利用端基分化疊氮二羧酸將抗腫瘤藥物喜樹(shù)堿共價(jià)連接于聚乙烯胺分子上，然后將其負(fù)載于超順磁氧化鐵納米顆粒上。將該生物連接體作用于人體黑素瘤細(xì)胞并進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，熒光發(fā)射光譜及透射電子顯微鏡測(cè)試結(jié)果表明，該生物連接體可有效進(jìn)入腫瘤細(xì)胞內(nèi)并定位于脂類(lèi)囊泡中。細(xì)胞生物學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，在外加磁場(chǎng)作用下，通過(guò)該生物連接體的酯水解作用，其所負(fù)載的喜樹(shù)堿可自脂類(lèi)囊泡中有效釋放并進(jìn)入細(xì)胞核中，從而明顯提高了藥物療效()。
3生物分子檢測(cè)
在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，DNA和蛋白質(zhì)的檢測(cè)對(duì)于疾病的診斷、遺傳性疾病的治療以及傳染性病原體的檢測(cè)極為重要。目前，對(duì)于DNA分子的分析一般先通過(guò)聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)增，然后利用有機(jī)熒光染色劑對(duì)其標(biāo)記從而加以檢測(cè)，該方法對(duì)于DNA的檢測(cè)下限為pmol。然而，該分析方法存在本質(zhì)上的缺陷，比如，有機(jī)熒光染色劑過(guò)寬的吸收峰和發(fā)射峰及其熒光猝滅的不均勻性均會(huì)明顯降低該方法的檢測(cè)靈敏度，而且PCR過(guò)程中的選擇性及非線性擴(kuò)增現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致DNA表達(dá)的失真。對(duì)于蛋白質(zhì)，目前均通過(guò)免疫染色的方法對(duì)其進(jìn)行分析檢測(cè)，酶聯(lián)免疫吸附檢測(cè)(ELISA)依然是蛋白質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)手段，該方法的檢測(cè)下限同樣為pmol。對(duì)于多種疾病而言，在發(fā)病初期或緩解期，其相應(yīng)的生物標(biāo)志物如特異性蛋白質(zhì)分子僅以fmol的極低濃度存在于患者體內(nèi)，ELISA對(duì)于如此低濃度的蛋白質(zhì)分子的檢測(cè)無(wú)能為力。當(dāng)這些特異性蛋白質(zhì)分子濃度提高至ELISA的臨界檢測(cè)濃度時(shí)，一般疾病已發(fā)展至晚期。因而，尋找具有更高靈敏度的生物分子檢測(cè)手段對(duì)于疾病的早期診斷至關(guān)重要。納米顆粒由于其較小的尺寸、較高的反應(yīng)活性、優(yōu)異的物理性質(zhì)以及這些性質(zhì)的可調(diào)控性，使其在制備用于蛋白質(zhì)、核酸分子檢測(cè)的生物親和性傳感器方面受到廣泛關(guān)注，可以利用其建立新的檢測(cè)方法以改善目前的檢測(cè)方法所存在的缺陷，因而具有良好的應(yīng)用前景。
Jia等［22］將人癌胚抗原(CEA)的檢測(cè)抗體和單鏈DNA(ssDNA)連接于直徑為13nm左右的金納米顆粒表面，再將辣根過(guò)氧化物酶(HRP)標(biāo)記的鏈霉親和素連接于ssDNA上，制成酶標(biāo)記金納米探針。然后，通過(guò)碳二亞胺活化的共價(jià)偶合作用，將抗CEA捕捉抗體連接于羧基官能化的磁性微粒上，以制備磁性探針。在利用酶標(biāo)記金納米探針和磁性探針對(duì)相應(yīng)抗原進(jìn)行免疫檢測(cè)時(shí)，磁性探針首先通過(guò)其連接的捕捉抗體與抗原相結(jié)合，而該抗原又同時(shí)與酶標(biāo)記金納米探針上的檢測(cè)抗體相結(jié)合，然后在外加磁場(chǎng)作用下對(duì)其進(jìn)行分離，最終利用酶標(biāo)儀對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果顯示，該檢測(cè)方法可以顯著提高對(duì)CEA抗原的檢測(cè)靈敏度，比常規(guī)ELISA的檢測(cè)靈敏度提高130倍左右，而對(duì)于非特異性蛋白如p53則僅顯示出較弱的響應(yīng)()。Rusling等［23］以谷胱甘肽為修飾劑，制備出粒徑為5nm左右的可溶性金納米顆粒，并通過(guò)層層組裝的方式將聚(二甲基二烯丙基氯化銨)(PDDA)和谷胱甘肽-金納米顆粒組裝于熱解石墨上以形成納米金電極，利用EDC［1-(3-(二甲氨基)-丙基)-3-乙基碳化二亞胺鹽酸鹽］—NHSS(N-羥基硫代琥珀酰亞胺)偶聯(lián)技術(shù)使連接于PSA(前列腺特異性抗原)上的一抗與電極上金納米顆粒層中的谷胱甘肽羧酸根通過(guò)共價(jià)鍵的方式相結(jié)合，從而將PSA固定于納米金電極上以組成檢測(cè)電極。
利用該檢測(cè)電極對(duì)PSA進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，首先將抗PSA抗體(二抗)和HRP連接于磁球上，制成二抗-磁球-HRP生物復(fù)合物，并將檢測(cè)電極浸入該生物復(fù)合物中，然后將H2O2注入檢測(cè)體系中，測(cè)定HRP中的Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ)氧化-還原電流。由于H2O2可將HRP轉(zhuǎn)變?yōu)榭芍苯颖浑姌O還原的亞鐵氧(ferryloxy)態(tài)，因而造成循環(huán)伏安檢測(cè)結(jié)果中的氧化峰消失，而還原峰有所增大。通過(guò)對(duì)體系的電流檢測(cè)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，即可以得出體系中PSA的濃度。與常規(guī)的ELISA方法相比，該方法可以將PSA的檢測(cè)靈敏度提高2000倍左右，并成功檢測(cè)出前列腺腫瘤患者血漿樣品中的PSA()。
4細(xì)胞及生物分子的分離純化
細(xì)胞及生物分子如蛋白質(zhì)等的分離技術(shù)是細(xì)胞生物學(xué)、免疫學(xué)、干細(xì)胞研究及臨床醫(yī)學(xué)研究中的一種重要研究工具。細(xì)胞的分離、純化及表征已經(jīng)成為生命科學(xué)及臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中必不可少的手段之一。例如，自體骨髓移植就要求對(duì)腫瘤細(xì)胞進(jìn)行高效去除，在腫瘤的早期臨床診斷中要求對(duì)患者血液中的少量腫瘤細(xì)胞進(jìn)行分離富集;另外，分離T淋巴細(xì)胞并對(duì)其功能性進(jìn)行診斷在確定人類(lèi)免疫缺陷病毒(HIV)感染、艾滋病和自身免疫性疾病的發(fā)展進(jìn)程中至關(guān)重要［24，25］。基于細(xì)胞分離技術(shù)在上述領(lǐng)域的重要性，目前對(duì)于細(xì)胞分離技術(shù)的研究著重于發(fā)展出可明顯提高稀有細(xì)胞(如干細(xì)胞、抗原特異性B細(xì)胞和T細(xì)胞及稀有性外周血循環(huán)腫瘤細(xì)胞)的分離純度和分離效率的有效方法。由于大多數(shù)靶細(xì)胞的存在濃度極低，使得目前對(duì)于這些細(xì)胞的高純度分離仍然較為困難［26］。目前常用的細(xì)胞分離方法可以分為兩大類(lèi)，第一類(lèi)是基于細(xì)胞的物理性質(zhì)如尺寸、形貌和密度差異，通過(guò)過(guò)濾和離心的方法對(duì)細(xì)胞加以分離;第二類(lèi)則是利用細(xì)胞表面的生化特性和生物物理性質(zhì)對(duì)細(xì)胞加以分離，如固體親和基質(zhì)分離法和熒光活化細(xì)胞分揀法。一種理想的細(xì)胞分離方法應(yīng)該是能在不影響細(xì)胞功能的前提下于短時(shí)間內(nèi)分離出大量高純度靶細(xì)胞。
目前的這些分離方法仍然存在較多不足之處，過(guò)濾和離心的方法對(duì)細(xì)胞存活率有較為顯示的副作用，選擇性較差且不易大規(guī)模進(jìn)行;熒光活化細(xì)胞分揀法盡管具有較高的選擇性，但其效率較低，且具有較高的技術(shù)要求。因而，尋找出一種產(chǎn)量、純度和收率均較高的細(xì)胞分離方法迫在眉睫。近年來(lái)新出現(xiàn)的磁性分離方法已經(jīng)成為生物學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)上一種重要的對(duì)細(xì)胞和蛋白質(zhì)進(jìn)行選擇性分離的技術(shù)，它可以對(duì)細(xì)胞進(jìn)行大批量分離，且獲得的靶細(xì)胞純度較高［27，28］。Gu等［28］將氨基三乙酸連接于粒徑為8～10nm的磁性納米顆粒表面，由于納米顆粒的高比表面積、快速的移動(dòng)性及良好的分散性，使得其與組氨酸標(biāo)記的蛋白質(zhì)分子之間具有較高的結(jié)合效率，而且磁性納米顆粒的使用使得在對(duì)蛋白質(zhì)分子進(jìn)行分離時(shí)無(wú)需對(duì)細(xì)胞裂解液進(jìn)行預(yù)處理。在外加磁場(chǎng)的作用下，對(duì)組氨酸標(biāo)記的蛋白質(zhì)進(jìn)行分離，并利用十二烷基磺酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDA-PAGE)對(duì)其產(chǎn)物純度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明，分離產(chǎn)物中僅含有組氨酸標(biāo)記的蛋白質(zhì)，其分離特異性顯著優(yōu)于商業(yè)化磁性微球。該功能化磁性納米顆粒對(duì)靶蛋白分子的結(jié)合力為商業(yè)化磁性微球的200倍，且利用緩沖溶液對(duì)該功能化磁性納米顆粒進(jìn)行重生后，其對(duì)靶蛋白的親和能力、選擇性和分離效率可以完全恢復(fù)并進(jìn)行重復(fù)利用。Earhart等［29］通過(guò)將生物樣品特異性抗體連接于磁性納米顆粒表面以實(shí)現(xiàn)其功能化，然后在外加磁場(chǎng)的作用下將待分離樣品通過(guò)含有功能化磁性納米顆粒的分離篩，分離篩狹縫周?chē)拇判约{米顆粒被外加磁場(chǎng)磁化，從而產(chǎn)生較高的局部磁場(chǎng)梯度，并在狹縫處產(chǎn)生邊緣磁場(chǎng)。由于局部磁場(chǎng)梯度的作用，磁性納米顆粒及其所捕獲的靶細(xì)胞被富集于狹縫處，其它成分則可自由通過(guò)分離篩。去除外加磁場(chǎng)并利用合適的緩沖溶液沖洗分離篩，即可對(duì)靶細(xì)胞進(jìn)行釋放富集。利用該方法對(duì)靶細(xì)胞的捕獲效率可以達(dá)到37%，而且捕獲到的靶細(xì)胞可以實(shí)現(xiàn)完全富集()。
5磁共振成像(MRI)增強(qiáng)
MRI技術(shù)作為一種臨床診斷技術(shù)，廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)及基礎(chǔ)研究中以提供高質(zhì)量的人體解剖圖像。在臨床診斷中，基于解剖學(xué)差異，作為一種無(wú)損技術(shù)的MRI可利用強(qiáng)磁場(chǎng)和射頻范圍內(nèi)的非電離輻射對(duì)正常組織和病變組織(如腫瘤)加以區(qū)分［30］。MRI信號(hào)依賴(lài)于徑向和橫向質(zhì)子的弛豫時(shí)間，正是二者之間的差異造成了不同組織在MRI圖像中的對(duì)比度有所不同。機(jī)體組織中水分的內(nèi)在弛豫時(shí)間與其生理環(huán)境有關(guān)，因而其在病變組織中會(huì)有所改變，盡管這種變化的特異性較小，但在病變晚期，該特異性會(huì)明顯增強(qiáng)。因此，MRI非常適合于對(duì)病變進(jìn)行特異性診斷。利用MRI造影劑可以對(duì)組織的弛豫時(shí)間加以調(diào)控，從而提高圖像的信號(hào)強(qiáng)度和對(duì)比度。目前MRI技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越依賴(lài)于造影劑，MRI技術(shù)和造影劑的聯(lián)合使用可以極大地提高對(duì)血管系統(tǒng)［31］、炎癥組織［32］、腫瘤血管形成［33，34］、動(dòng)脈粥樣硬化斑塊［35，36］以及血腦屏障損傷［37］的成像效率。在新出現(xiàn)的細(xì)胞和分子磁共振成像技術(shù)中，造影劑已成為該技術(shù)中的關(guān)鍵因素。該技術(shù)力圖在分子和細(xì)胞水平上將疾病特異性生物標(biāo)志物可視化，其中納米顆粒被廣泛用作造影劑，基于納米顆粒的細(xì)胞攝取，這一新穎的磁共振成像技術(shù)可以追蹤組織器官內(nèi)由磁性納米顆粒標(biāo)記的細(xì)胞在時(shí)間和空間上的移動(dòng)。
Harisinghani等［38］使用低分子量葡聚糖對(duì)粒徑為2～3nm的超順磁氧化鐵納米顆粒進(jìn)行包覆，以形成親淋巴細(xì)胞納米顆粒，葡聚糖的引入可以明顯延長(zhǎng)納米顆粒的循環(huán)時(shí)間并有效抑制其團(tuán)聚現(xiàn)象。通過(guò)靜脈注射使該納米顆粒進(jìn)入患者循環(huán)系統(tǒng)，利用其作為造影劑，對(duì)患者進(jìn)行MRI診斷。成像結(jié)果顯示，在惡性腫瘤部分不存在或僅存在少量納米顆粒，故不顯示黑色或僅在邊緣部分顯示黑色，而在良性腫瘤部位存在大量納米顆粒，顯示較深的黑色，在腫瘤從良性發(fā)展為惡性的過(guò)程中，其黑色會(huì)逐漸變淺。以上結(jié)果表明，該方法可以有效區(qū)分良性腫瘤和惡性腫瘤，并可根據(jù)圖像中的顏色深淺對(duì)腫瘤的發(fā)展階段加以判斷。Zhang等［39］以PVP為穩(wěn)定劑和修飾劑，通過(guò)共沉淀法合成出粒徑分別為2nm和7nm的氧化鐵納米顆粒。通過(guò)尾靜脈注射的方式將該功能化納米顆粒注入實(shí)驗(yàn)小鼠體內(nèi)，并將實(shí)驗(yàn)小鼠置于外加磁場(chǎng)30min后對(duì)其進(jìn)行MRI檢測(cè)，結(jié)果顯示，與對(duì)照組相比，由于外加磁場(chǎng)的作用，納米顆粒主要集中于靶向區(qū)域，而且注射功能化納米顆粒的小鼠在肺、肝和腎等部位的陰性對(duì)比度明顯增強(qiáng)。這表明，該功能化氧化鐵納米顆粒可以在外加磁場(chǎng)作用下定位于特定的靶向組織，并作為MRI診斷的陰性造影劑使用()。
6腫瘤治療
目前，癌癥是世界上主要的致命性疾病之一，而且近年來(lái)全球范圍內(nèi)的癌癥發(fā)病率不斷提高，嚴(yán)重威脅著人類(lèi)的生命安全。根據(jù)美國(guó)癌癥學(xué)會(huì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)字，2009年全美有近250萬(wàn)新增癌癥患者，有超過(guò)56萬(wàn)的患者死于各種癌癥，相當(dāng)于每天超過(guò)1500名患者死于癌癥［40］。目前針對(duì)癌癥的治療方法僅限于藥物療法、放射療法和臨床手術(shù)療法，這些常規(guī)治療方法存在著抗癌藥物在患者體內(nèi)的非特異性分布、腫瘤部位有效藥物濃度過(guò)低、對(duì)于治療效果的監(jiān)測(cè)手段有限以及藥物向靶向部位輸送效率較差等問(wèn)題，因而，建立新的癌癥治療手段已經(jīng)迫在眉睫。由于納米顆粒具有較小的粒徑，使其能夠較為順利的通過(guò)癌細(xì)胞的細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，而且其較大的比表面積使其具有較高的活性，因而近年來(lái)在癌癥治療領(lǐng)域受到廣泛的關(guān)注。Yang等［41］以牛血清白蛋白(BSA)為修飾劑，通過(guò)溶液合成法，分別合成出粒徑為65nm的Ag2S納米顆粒和直徑為40nm、長(zhǎng)度為220nm的Ag2S納米棒，通過(guò)氧化鋁模板法合成出直徑為50nm、長(zhǎng)度超過(guò)1μm的Ag2S納米線，紅外和染色測(cè)試結(jié)果顯示，BSA被成功包覆于3種Ag2S樣品表面。
將上述3種Ag2S納米樣品作用于神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞，細(xì)胞生物學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，與對(duì)照組相比，3種樣品均能明顯抑制腫瘤細(xì)胞的增殖，顯示出其在治療腫瘤方面的潛在應(yīng)用。此外，他們［42］在無(wú)外加修飾劑的作用下，通過(guò)調(diào)控反應(yīng)條件，利用溶液合成法，分別合成出粒徑為50nm的CuS無(wú)定形納米顆粒和粒徑為60nm的CuS納米晶體。將2種樣品作用于HL-60白血病細(xì)胞、HepG2肝癌細(xì)胞及V79-4倉(cāng)鼠正常細(xì)胞并進(jìn)行相關(guān)細(xì)胞生物學(xué)測(cè)試。流式細(xì)胞、熒光染色及MTT檢測(cè)結(jié)果顯示，與體相晶體相比，2種CuS納米樣品均能顯著誘導(dǎo)2種腫瘤細(xì)胞發(fā)生凋亡，從而顯著抑制腫瘤細(xì)胞的增殖，而2種樣品對(duì)正常細(xì)胞則均未顯示出誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡和抑制細(xì)胞增殖的作用，這表明2種CuS納米樣品可以通過(guò)特異性誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞發(fā)生凋亡從而抑制其增殖。更為重要的是，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示，2種樣品對(duì)于腫瘤細(xì)胞的誘導(dǎo)凋亡及抑制增殖活性具有顯著性差異，CuS無(wú)定形納米顆粒的上述2種活性均明顯強(qiáng)于CuS納米晶體，表明其抗腫瘤活性具有明顯的晶型相關(guān)性(0)。
7其它應(yīng)用
除了在上述領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用外，納米材料在其它一些領(lǐng)域如組織工程學(xué)、細(xì)胞及生物分子調(diào)控、細(xì)胞吞噬動(dòng)力學(xué)研究等方面也受到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注。比如，Shen等［43］利用原位沉淀法制備出殼聚糖-聚乳酸/羥基磷灰石復(fù)合納米材料，殼聚糖和聚乳酸的加入可以大幅度提高羥基磷灰石的彈性模量和耐壓強(qiáng)度等機(jī)械性能，顯示其可以作為潛在的骨骼修復(fù)材料。
8結(jié)語(yǔ)
納米材料由于其較小的尺寸、較大的比表面積、優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)及催化性能、較高的反應(yīng)活性以及這些性質(zhì)的可調(diào)控性，使其在多個(gè)生物學(xué)及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如生物熒光標(biāo)記、藥物和基因傳輸、病原體和蛋白質(zhì)等生物分子的檢測(cè)、DNA結(jié)構(gòu)的研究、組織工程學(xué)、腫瘤治療、細(xì)胞和生物分子的分離純化、磁共振成像(MRI)增強(qiáng)、組織工程學(xué)、細(xì)胞及生物分子調(diào)控等方面，具有廣泛的應(yīng)用前景。將材料技術(shù)、生物學(xué)及醫(yī)學(xué)相結(jié)合，必將使3個(gè)學(xué)科得到極大發(fā)展。利用化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)及醫(yī)學(xué)相關(guān)技術(shù)，可以使同一納米顆粒同時(shí)具有多種功能，并賦予其良好的生物相容性、生物穩(wěn)定性及生物分散性，這無(wú)疑使納米顆粒在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有更為廣闊的應(yīng)用前景。然而，由于將納米顆粒應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域時(shí)，一般要通過(guò)直接注射的方式使其進(jìn)入生物體內(nèi)，因而在臨床應(yīng)用之前，需要深入研究其對(duì)于人體健康的影響。目前納米顆粒對(duì)人體健康的影響方面的研究仍相當(dāng)有限，研究人員必須采取合理的表征方法和研究手段對(duì)每一種納米顆粒的吸附、分布、代謝、排泄、物理化學(xué)及毒理學(xué)等方面的行為進(jìn)行體外和體內(nèi)研究，并將這些研究結(jié)果與其生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用相結(jié)合，以保證其在人體內(nèi)的安全性。
