李 燕，耿 雪，閻雪瑩（黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，哈爾濱 150040）

介孔二氧化硅納米粒的形貌對其與細(xì)胞相互作用及在生物體內(nèi)行為的影響

李 燕＊，耿 雪，閻雪瑩#（黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，哈爾濱 150040）

目的：探討介孔二氧化硅納米粒（MSNs）的形貌對細(xì)胞及其體內(nèi)行為的影響。方法：以“介孔二氧化硅納米?！薄靶蚊病薄绑w內(nèi)行為”“Mesoporous silica nanoparticles”“Shape”“in vivo behavior”等為關(guān)鍵詞，檢索2010年1月－2016年4月在中國知網(wǎng)、維普、萬方、PubMed、Web of Science、Elsevier、Springer Link等數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)文獻(xiàn)及其參考文獻(xiàn)，就MSNs不同形貌對其與細(xì)胞相互作用及在生物體內(nèi)行為的影響進(jìn)行綜述。結(jié)果與結(jié)論：共檢索到相關(guān)文獻(xiàn)68篇，其中有效文獻(xiàn)32篇。MSNs具有球狀、棒狀和一些特殊形貌（如內(nèi)部完全中空或內(nèi)部有部分空穴等）。MSNs與細(xì)胞之間的相互作用依賴于形貌，即隨著縱橫比的降低，MSNs在肝臟中的分布顯著降低，在小腸和其他器官的吸收程度逐漸增加；棒狀磁-MSNs的細(xì)胞內(nèi)吞比傳統(tǒng)球狀磁-MSNs具有優(yōu)勢；隨著縱橫比的升高，MSNs被細(xì)胞攝取的數(shù)量越多；空心結(jié)構(gòu)的MSNs內(nèi)部空腔可以在裝載更多藥物的同時發(fā)揮緩釋作用。未來研究應(yīng)將粒徑、縱橫比、中空情況等形貌特征與化學(xué)組成、表面電荷等結(jié)構(gòu)參數(shù)相結(jié)合，以設(shè)計出高載藥量、高抑瘤率、高細(xì)胞攝取率、低毒性的MSNs。關(guān)鍵詞 介孔二氧化硅；納米粒；形貌；體內(nèi)行為

介孔二氧化硅具有無毒、比表面積和總孔容大、孔徑可調(diào)、表面易被修飾且載藥量高等諸多特點［1-5］。在過去的10年中，以二氧化硅為基礎(chǔ)的介孔材料成為研究熱點，如可通過對作為藥物載體的介孔二氧化硅進(jìn)行表面功能化修飾以實現(xiàn)不同藥物的裝載和緩釋［6-7］。介孔二氧化硅納米粒（MSNs）的制備方法多種多樣，如堿性介質(zhì)合成法［8］、酸性介質(zhì)合成法［9］和中性介質(zhì)合成法［10］等，其中氫氧化鈉（NaOH）堿性介質(zhì)合成法較為經(jīng)典［11］。MSNs的載藥方法多種多樣，常用的是吸附平衡法［12］。研究表明，顆粒與細(xì)胞之間的相互作用受顆粒的粒徑、形貌、化學(xué)組成和表面電荷的影響［13-15］。有關(guān)粒徑、化學(xué)組成和表面電荷的影響已得到充分的研究證實，但形貌對其影響的報道尚不多見。因此，筆者以“介孔二氧化硅納米?！薄靶蚊病薄绑w內(nèi)行為”“Mesoporous silica nanoparticles”“Shape”“in vivo behavior”等為關(guān)鍵詞，檢索了2010年1月－2016年4月中國知網(wǎng)、維普、萬方、PubMed、Web of Science、Elsevier、Springer Link等數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)文獻(xiàn)及其參考文獻(xiàn)，就MSNs的形貌對其與細(xì)胞相互作用及在生物體內(nèi)行為的影響進(jìn)行綜述。共查閱到相關(guān)文獻(xiàn)68篇，其中有效文獻(xiàn)32篇，現(xiàn)報道如下。

1 一般形貌對MSNs在生物體內(nèi)行為的影響

1.1 長棒狀與短棒狀的比較

Huang X等［16］通過改變反應(yīng)試劑的濃度設(shè)計出一系列具有相同粒徑、化學(xué)組成和表面電荷，但具有不同形貌的MSNs。該試驗主要研究2種具有規(guī)則的六邊形孔排列的納米粒，即短棒MSNs-異硫氰酸熒光素［NSRs-FITC，縱橫比（AR）約為1.5，長度為（185±22）nm］和長棒MSNs-異硫氰酸熒光素［NLRs-FITC，AR約為5，長度為（720±65）nm］。為了量化顆粒在小鼠體內(nèi)的分布，Huang X等［16］通過靜脈注射不同形貌的MSNs，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES）測定小鼠血液和器官中的硅含量，結(jié)果表明NSRs主要分布在肝臟中，而NLRs主要分布在脾臟中。注射2、24 h和7 d后各器官中的硅含量隨時間的推移均明顯下降，表明MSNs可在肝臟、脾臟、肺臟和腎臟中發(fā)生生物降解或清除作用，且NLRs的清除速率高于NSRs。在給藥的不同時間點檢測血液中的硅含量以測定NLRs和NSRs的濃度，結(jié)果NLRs的血液循環(huán)時間長于NSRs，表明隨著AR的增加，MSNs在血液中循環(huán)的時間也越長。從代謝籠中收集尿液和糞便樣品，發(fā)現(xiàn)MSNs可通過尿液和糞便排出體外，且NSRs在這2種路線中的清除速率均快于NLRs，表明隨著AR的增加，MSNs在這2種途徑中的清除速率越低。綜上所述，隨著AR的降低，MSNs在肝臟中的分布顯著降低，即不同形貌的MSNs的器官分布不同。這一發(fā)現(xiàn)不僅闡明了MSNs的體內(nèi)行為，也提示不同形貌的MSNs對不同器官具有靶向性，可將其用于靶向治療。

1.2 長棒狀、短棒狀與球狀的比較

Li L等［17］研究了不同形貌對MSNs在小鼠體內(nèi)的分布、排泄和毒性的影響，分別采用球型顆粒（NSs，AR約為1）、NSRs （AR約為1.75）和NLRs（AR約為5），檢測方法同Huang X等［16］的研究?？诜o藥后發(fā)現(xiàn)3種形貌的MSNs在肝臟、肺、脾、腎、腸道中的分布情況均不相同，隨后通過檢測尿液和糞便中的硅含量，發(fā)現(xiàn)3種形貌的MSNs主要從尿液和糞便排出體外，且排出速率的變化表現(xiàn)出不同的趨勢，即隨著AR的降低，尿液的排出速率降低。在進(jìn)一步研究MSNs的超微結(jié)構(gòu)定位后發(fā)現(xiàn)，NSs存在于十二指腸、回腸和空腸的固有層中，而在這些部位并未發(fā)現(xiàn)非球型顆粒NSRs和NLRs。研究MSNs的生物降解時發(fā)現(xiàn)，降解速率由快到慢依次為NSs＞NSRs＞NLRs。同時，不同的形貌也可以導(dǎo)致不同程度的腎損傷，其中NSs導(dǎo)致的腎損傷最嚴(yán)重，包括出血和腎小管壞死；而NLRs導(dǎo)致的損傷最輕，只有輕微的出血現(xiàn)象。結(jié)果表明，隨著AR的降低，小腸和其他器官對MSNs的吸收程度逐漸增加。因此，MSNs的形貌改變時，清除速率和毒性也發(fā)生了不可忽略的變化，由此可見，MSNs的形貌對其在生物體內(nèi)的行為具有重要的作用。

2 形貌對MSNs與細(xì)胞之間的相互作用的影響

2.1 形貌對磁-MSNs細(xì)胞內(nèi)吞的影響

肖軒昂［18］利用非控核生長法成功合成出3種不同形貌的磁-MSNs，分別為核殼磁-MSNs（M-MANP0）、短棒磁-MSNs （M-MANP1）和長棒磁-MSNs（M-MANP2），并利用熒光共定位分析、流式細(xì)胞術(shù)和普魯士藍(lán)染色法比較了被熒光標(biāo)記的3種不同形貌的磁-MSNs在正常細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞中的內(nèi)吞作用。結(jié)果顯示M-MANP2和M-MANP1的細(xì)胞內(nèi)吞優(yōu)于MMANP0，且M-MANP2的細(xì)胞內(nèi)吞優(yōu)于M-MANP1，表明棒狀磁-MSNs的細(xì)胞內(nèi)吞比傳統(tǒng)核殼球狀磁-MSNs具有優(yōu)勢。

2.2 MSNs的形貌對人黑色素瘤A375細(xì)胞功能的影響

Huang X等［19］研究了不同形貌的MSNs對人黑色素瘤A375細(xì)胞功能的影響，3種MSNs分別為NSs（AR約為1）、NSRs（AR約為2）和NLRs（AR約為4）；并采用FITC和異硫氰酸羅丹明B（RITC）對MSNs進(jìn)行功能化（功能化的MSNs可用于成像和MSNs細(xì)胞攝取的定量研究）；隨后比較不同形貌的MSNs被轉(zhuǎn)運(yùn)至A375細(xì)胞內(nèi)的能力，并研究不同形貌的MSNs對細(xì)胞骨架形成、黏附、遷移、凋亡和增殖的影響。結(jié)果表明，NLRs與NSRs、NSs相比更容易被轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞內(nèi)，且經(jīng)轉(zhuǎn)運(yùn)的NLRs的數(shù)量是NSRs的2倍，細(xì)胞攝取速率快于NSs。研究不同形貌的MSNs對細(xì)胞骨架的影響時發(fā)現(xiàn)，NSs和NSRs不會對細(xì)胞骨架產(chǎn)生標(biāo)志性改變，而NLRs會導(dǎo)致細(xì)胞骨架的破壞和紊亂?？疾觳煌蚊驳腗SNs對細(xì)胞黏附的影響時發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞附著在細(xì)胞板上的數(shù)量隨著顆粒AR的降低而逐漸增加。研究不同形貌的MSNs對細(xì)胞遷移的影響時發(fā)現(xiàn)，NSs在加快細(xì)胞遷移速度方面強(qiáng)于NSRs和NLRs。觀察不同形貌的MSNs對細(xì)胞活力的改變時發(fā)現(xiàn)，NSs的細(xì)胞毒性低于NSRs狀，而NSRs稍低于NLRs。綜上所述，NLRs更容易被細(xì)胞攝取，即當(dāng)其他條件相同時，AR越大，MSNs被細(xì)胞攝取的數(shù)量越多，這對提高顆粒的細(xì)胞攝取具有重要意義；同時，AR大的MSNs對細(xì)胞骨架與遷移也可產(chǎn)生顯著的影響。因此，納米粒不應(yīng)僅僅視為簡單的生物醫(yī)藥載體，而可為設(shè)計出有效的藥物傳遞納米載體、治療體系和深入了解納米毒理學(xué)提供理論依據(jù)。

3 特殊形貌的介孔二氧化硅藥物傳遞系統(tǒng)

空心結(jié)構(gòu)的MSNs近期成為了研究熱門，如內(nèi)部完全中空型（Hollow）、內(nèi)部有部分空穴的搖鈴型（Rattle type）或蛋黃-蛋殼型（Yolk-shell type）的MSNs等［20-23］。自2010年以來，盡管MSNs在藥物傳遞方面的應(yīng)用已被深入研究，但如何提高其載藥量和體內(nèi)靶向效率，同時減少對正常組織的副作用仍是一個巨大的挑戰(zhàn)［24］。與傳統(tǒng)的MSNs相比，空心結(jié)構(gòu)的MSNs內(nèi)部具有空穴結(jié)構(gòu)，還有密度低、比表面積大的優(yōu)點，內(nèi)部空腔可以在裝載更多藥物的同時發(fā)揮緩釋的作用［25-26］。

3.1 多層結(jié)構(gòu)MSNs

Huang CC等［27］利用聚（苯乙烯-苯乙烯磺酸鈉）納米核（PS），通過“內(nèi)保護(hù)外鈍化”的策略制備了多層結(jié)構(gòu)MSNs，且可通過改變核大小及刻蝕時間等來調(diào)控殼與殼之間的距離［27］。該多層結(jié)構(gòu)可用作成像探針、載藥及多種藥物的共同傳遞，豐富了多功能納米載藥體系。

3.2 蛋黃-蛋殼型MSNs

Dong C等［28］通過結(jié)構(gòu)選擇性刻蝕技術(shù)制備了以四氧化三鐵或金納米粒子為核、介孔二氧化硅為外殼的蛋黃-蛋殼型MSNs。該復(fù)合納米材料的透射電子顯微鏡（TEM）圖見圖1［29］。該復(fù)合納米材料不僅可以用于診斷和治療多種疾病，還可以實現(xiàn)藥物的靶向和控制釋放。

3.3 搖鈴型MSNs

Li L等人［30］制備了搖鈴型MSNs（SN），并將其作為疏水性抗腫瘤藥物多烯紫杉醇（Docetaxel）的載體。該SN的藥物傳遞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。該系統(tǒng)可用于動物體內(nèi)肝癌治療的評估，研究表明，使用該載體的腫瘤抑制率（72%）顯著高于單獨應(yīng)用多烯紫杉醇注射劑（57%）。

3.4 介孔二氧化硅納米管

Yang YJ等［31］選用針狀碳酸鈣納米粒為無機(jī)模板，借助溶膠-凝膠法制備介孔二氧化硅納米管（MSNTs）、氨基化介孔二氧化硅納米管（NH2-MSNTs）及量子點修飾的氨基化介孔二氧化硅納米管（CdS-NH2-MSNTs），通過對布洛芬的裝載與釋放發(fā)現(xiàn)，3種納米管的載藥量相當(dāng)，而CdS-NH2-MSNTs是具有pH和離子響應(yīng)的藥物載體，更加有利于藥物傳遞的控制和疾病的治療。3種納米管的電子顯微鏡圖見圖3［31］。

圖1 TEM圖

圖2 SN的藥物傳遞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 電子顯微鏡圖

3.5 特殊形貌的MSNs的體內(nèi)行為

目前，關(guān)于特殊形貌的MSNs的體內(nèi)行為的研究較少。Huang CC等［27］證明了多層結(jié)構(gòu)的介孔二氧化硅對細(xì)胞沒有明顯的毒性。Liu T等［32］連續(xù)14 d給小鼠靜脈注射中空介孔二氧化硅納米粒（MHSN）后發(fā)現(xiàn)，MHSN具有低毒性；且借助ICPOES和TEM觀察到MHSN主要分布在肝臟和脾臟的單核巨噬細(xì)胞中；此外，發(fā)現(xiàn)這些顆粒從身體中全部排泄至少需要4周的時間。

4 結(jié)語

以上研究均可證實，形貌對介孔二氧化硅的體內(nèi)行為是有影響的。介孔二氧化硅不再是單一的球型，而可被改造成棒狀、內(nèi)部完全中空或內(nèi)部有部分空穴等其他一些特殊的形貌，從而具有高載藥量、高抑瘤率、高細(xì)胞攝取率等優(yōu)點。這一發(fā)現(xiàn)也給其他材料的研究提供了啟發(fā)。介孔二氧化硅與細(xì)胞之間的相互作用受顆粒的粒徑、形貌、化學(xué)組成和表面電荷的影響，針對以上問題，建議未來的研究重點應(yīng)是將這些結(jié)構(gòu)參數(shù)相結(jié)合，以設(shè)計出更適用于臨床診斷和治療的介孔二氧化硅。因此，只有充分認(rèn)識介孔二氧化硅的性質(zhì)和特點等，結(jié)合某些藥物靶向性差、毒性大、消除速率快等自身特點，對其進(jìn)行正確的改造才能使其在藥學(xué)、臨床上發(fā)揮更大的作用。

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A

1001-0408（2016）25-3582-04

10.6039/j.issn.1001-0408.2016.25.38

2016-04-09

2016-07-14）

（編輯：劉明偉）

＊碩士研究生。研究方向：緩控釋制劑、中藥體內(nèi)代謝、中藥新藥研發(fā)。E-mail：3092904188@qq.com

教授，博士。研究方向：緩控釋制劑、中藥體內(nèi)代謝、中藥新藥研發(fā)。電話：0451-87266988。E-mail：15159267@qq.com