彭怡琛 姜玉倩 房晨婕首都醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，北京00069；首都醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院，北京00069

0 引 言

隨著工程納米粒子的高速發(fā)展，金屬納米粒子如金納米粒子被廣泛而高效地應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)方面。通過現(xiàn)有的金納米技術(shù)不僅可制備出不同形貌的金納米顆粒，還能根據(jù)不同需求對納米顆粒的形貌加以修整，更在其中發(fā)現(xiàn)了一些特殊的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和物理性質(zhì)[1]。目前研究最為廣泛、最具應(yīng)用潛力的是金納米棒，可在制備過程中實(shí)現(xiàn)對其長徑比的精確調(diào)控[2]。更為重要的是，金納米棒有著獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，即棒狀粒子具有橫向和縱向表面等離子體共振（surface plasmon resonance，SPR）峰[3]，且SPR峰位取決于棒狀粒子的長徑比。金納米棒在生物醫(yī)學(xué)的不同領(lǐng)域均受到了極大重視，例如利用金納米棒進(jìn)行靶向藥物輸送、生物成像，還可應(yīng)用其光熱性質(zhì)配合臨床抗癌藥物進(jìn)行聯(lián)合治療以達(dá)到更為顯著的治療效果[4]。

1 光學(xué)性質(zhì)

1.1 Mie理論

金納米顆粒具有非常特殊的光學(xué)性質(zhì)。這種特殊性質(zhì)來源于入射光的波長與自由電子振動頻率發(fā)生共振耦合時會產(chǎn)生局域表面等離子體共振（localized surface plasmon resonance，LSPR），在紫外可見光譜上顯示強(qiáng)吸收峰[3]。1908年，Mie[5]提出了Mie理論，對均勻介質(zhì)中單色光被一均勻球的衍射現(xiàn)象做出了嚴(yán)格解釋。Mie理論解釋了金屬納米顆粒對光的吸收和散射，從而定性解釋了金納米顆粒的顏色現(xiàn)象[6]。由于金納米球只有一個位于520 nm附近的共振峰，因此金納米球的溶液大多呈現(xiàn)明顯的紅色或紫紅色。LSPR峰的位置主要由納米粒子的大小、形狀、表面電荷、周邊介質(zhì)條件等因素決定[7]。由于金納米球的介電常數(shù)會隨著納米顆粒的大小而發(fā)生改變，根據(jù)Mie理論，其LSPR峰會隨著納米顆粒大小而發(fā)生藍(lán)移或紅移，因而金納米球膠體的顏色可從紫色到紅色變化[8]。

1.2 Gans理論

Mie理論是分析球形顆粒LSPR現(xiàn)象最簡單的理論模型。1915年，Gans[9]將Mie理論擴(kuò)展至扁圓或長圓形的納米顆粒。Gans理論是用來研究納米橢球和納米棒光學(xué)性質(zhì)的主要工具，對于尺寸較小的細(xì)長或扁平的橢球體研究效果明顯。該理論認(rèn)為，棒狀金屬粒子的LSPR峰分為兩種形式，分別表現(xiàn)出橫向和縱向SPR[10]，且隨著橢球體長徑比的改變，這兩個吸收峰會發(fā)生位移。當(dāng)長徑比增加，縱向SPR峰紅移，而橫向SPR峰稍微藍(lán)移[7]。例如金納米棒的橫向SPR峰位于520 nm附近，縱向SPR峰則位于更長波長處，若長徑比增加，其吸收波長甚至可到近紅外區(qū)。若固定金納米棒的長徑比，則其縱向SPR峰會隨其周圍介質(zhì)介電常數(shù)的增加而增加；若其他變量固定，金納米棒的縱向SPR峰會隨長徑比增加而紅移，溶液顏色可從藍(lán)色變?yōu)樽厣虺燃t色[11]。

1.3 光聲成像

在疾病診療中，往往利用各種醫(yī)學(xué)影像手段進(jìn)行輔助判斷，如CT、正電子發(fā)射斷層掃描技術(shù)、MRI、超聲成像、熒光成像等均各具特色。但每種成像技術(shù)均不能對生物組織做出完整描述，一般需多種成像技術(shù)共同判斷，以獲得更加準(zhǔn)確的結(jié)果。光聲成像是能提供組織成分和功能信息的新成像技術(shù)[12]，不僅靈敏度高，還能對較深層的組織進(jìn)行實(shí)時、快速、安全的成像[13]。

光聲成像的原理在于深處組織能將吸收光轉(zhuǎn)變成聲波。當(dāng)寬束短脈沖激光輻照生物組織時，由于組織吸收脈沖光能量，升溫膨脹，形成脈沖熱彈源，并向外輻射脈沖光聲信號產(chǎn)生超聲波。這些超聲波被探測器件接收，并依據(jù)探測到的光聲信號重建組織內(nèi)的光能吸收分布圖像[14]。由此可見，光聲成像技術(shù)檢測的是超聲信號，圖像差異來源于組織對光吸收的不同，其可很好地結(jié)合光學(xué)成像和超聲成像的優(yōu)點(diǎn)，克服純光學(xué)成像技術(shù)在成像深度與分辨率上不可兼得的不足[1，15]。

1.4 光熱特性

金納米棒在接受特定波長的激光照射時可將吸收的光子轉(zhuǎn)變成能量，從而使晶格溫度升高，引發(fā)靶細(xì)胞損傷，達(dá)到治療的目的。這種簡單非侵入過程在選擇性光熱治療中顯示出巨大優(yōu)勢[16]。近紅外光的波長范圍在800～1 200 nm。波長越長，其對生物組織的穿透力越強(qiáng)，紅外線穿透深度最深可達(dá)10 mm[17]。腫瘤治療需要有較深的穿透深度，通過控制金納米棒的長徑比，可使其SPR峰位于近紅外區(qū)，以實(shí)現(xiàn)近紅外光激發(fā)的光熱治療[18]，減輕激發(fā)光對生物組織的損傷。

2 主要應(yīng)用

2.1 DNA結(jié)構(gòu)檢測與改變

癌變細(xì)胞因DNA、呼吸途徑以及細(xì)胞表面受體分布的改變而區(qū)別于正常細(xì)胞，因此，可利用不同方法對癌變細(xì)胞進(jìn)行診斷。金納米棒的SPR峰的耦合作用會產(chǎn)生較高的發(fā)光效率，熒光量子產(chǎn)率實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明長徑比大的金納米棒比長徑比小的金納米棒熒光效率更高[19]?？衫眠@一特點(diǎn)在金納米棒表面標(biāo)記DNA分子，并根據(jù)金納米棒溶液中熒光強(qiáng)度變化來觀察金納米棒上DNA探針分子與目標(biāo)DNA分子的雜交情況，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對DNA雜交的檢測[20]。

金納米棒經(jīng)內(nèi)吞途徑進(jìn)入細(xì)胞。若金表面修飾了硫醇基，則載體進(jìn)入細(xì)胞后會發(fā)生一系列變化，轉(zhuǎn)化為金硫酸鹽并定位于細(xì)胞核。根據(jù)細(xì)胞內(nèi)G四鏈體的改變，可判斷細(xì)胞與金納米棒的結(jié)合是否會造成DNA結(jié)構(gòu)的改變。分別將十六烷基三甲基溴化銨（cetyltrimethylammonium bromide,CTAB）和十四烷基三甲基溴化銨修飾的不同長徑比的金納米棒與細(xì)胞孵育，發(fā)現(xiàn)通過胞質(zhì)囊泡內(nèi)吞進(jìn)入細(xì)胞的金納米棒可改變G四鏈體的結(jié)構(gòu)，且這種改變在G四鏈體穩(wěn)定配體的存在下是動態(tài)、可逆的，因此金納米棒可對細(xì)胞核內(nèi)微環(huán)境造成動態(tài)、可逆的影響。此外，MYC基因和HNRPAB基因的表達(dá)顯著下調(diào)，說明金納米棒在擾亂細(xì)胞核內(nèi)微環(huán)境動態(tài)平衡的同時也影響了基因的表達(dá)[21]。

2.2 活體組織的實(shí)時成像

金納米棒的突出成像能力已通過小鼠腫瘤組織的X射線吸收實(shí)驗(yàn)得以充分證明[22]。將梯度稀釋的聚乙二醇修飾的金納米棒溶液和碘液分別注射入接種了MDA-MB-435腫瘤的小鼠，再使用CT掃描儀對腫瘤進(jìn)行照射，通過檢測小鼠腫瘤組織對X射線的吸收度以模擬CT的成像過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，X射線的吸收值與聚乙二醇修飾的金納米棒溶液的濃度呈線性關(guān)系。注射了聚乙二醇修飾的金納米棒溶液的腫瘤組織其X射線吸收值為注射相同濃度碘液的腫瘤組織的2倍，證明金納米棒相比傳統(tǒng)的CT成像方法更高效、更準(zhǔn)確。

2.3 無機(jī)元素檢測

近年來利用金納米棒為載體檢測化合物中的無機(jī)元素逐漸成為一種較為有效的判斷方法。Lai等[23]將金納米棒和石墨烯作為關(guān)鍵材料，以不同的修飾方法制備高性能的表面增強(qiáng)拉曼散射（surface enhanced Raman scatting，SERS）基體，制備的3種新型SERS基體包括石墨烯-金薄膜-金納米棒基體、金薄膜-金納米棒基體和石墨烯-金納米棒基體。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，石墨烯-金薄膜-金納米棒基體在1 380 cm-1和1 440 cm-1的萘環(huán)的對稱振動峰處顯示了最強(qiáng)拉曼信號，說明金納米棒結(jié)合石墨烯后可有效提高檢測敏感度。此外，利用該材料與氮、磷、鉀等無機(jī)元素結(jié)合可改變其自身拉曼信號強(qiáng)度的特點(diǎn)，進(jìn)行食物中的農(nóng)藥殘留判斷，能進(jìn)一步提高食品安全性[24]，在食品安全檢測及化合物定向檢測方面顯示出廣泛的應(yīng)用前景。

2.4 腫瘤治療

金納米棒生物相容性較好，可用作藥物載體[25]。將金納米顆粒與石墨烯相結(jié)合，并用囊泡負(fù)載，形成約65 nm的雜合囊泡（rGO-AuNRVe）。該雜合囊泡不但擁有負(fù)載藥物的能力，還可利用其卓越的光熱效應(yīng)進(jìn)行化學(xué)與光熱的聯(lián)合治療[26]。以808 nm的射線對樣本進(jìn)行照射，可觀測到激光照射下雜合囊泡的溶液迅速升溫至76℃，遠(yuǎn)高于同等條件下金納米顆粒和石墨烯的混合體，表明雜合囊泡對光的吸收能力更強(qiáng)，利用正電子成像技術(shù)可在腫瘤區(qū)域檢測到強(qiáng)烈的光熱信號。由于囊泡中的空間和表面積相對較大，以及石墨烯與藥物結(jié)合后的π-π堆疊和疏水作用，使rGO-AuNRVe成為一個優(yōu)良的藥物運(yùn)輸載體。通過分析不同時間阿霉素（adriamycin,DOX）的釋放發(fā)現(xiàn)，光熱效應(yīng)及細(xì)胞內(nèi)的酸性環(huán)境能誘導(dǎo)DOX逐步從rGO-AuNRVe囊泡腔中釋放，并隨時間逐漸上升至平穩(wěn)，最終釋放率達(dá)80%[27]。近紅外光照射rGO-AuNRVe-DOX使其逐漸釋放DOX的潛能對臨床治療腫瘤具有巨大意義，且由于rGOAuNRVe-DOX雜合囊泡可被光能和酸性環(huán)境共同調(diào)控，在遠(yuǎn)程遙控藥物釋放和光熱成像方面顯示出應(yīng)用潛力。

金納米棒可選擇性地積聚于腫瘤細(xì)胞線粒體上，通過降低線粒體磷酸化水平、減少活性氧產(chǎn)生以及促進(jìn)線粒體腫脹來加速線粒體的死亡[28]。即使使用環(huán)孢素A進(jìn)行治療，金納米棒仍會破壞線粒體的各項(xiàng)生理功能。在金納米棒濃度最高時，通過透射電子顯微鏡可看到線粒體嵴出現(xiàn)紊亂，線粒體雙層膜分離。上述結(jié)果表明金納米棒可作用于線粒體破壞電子傳遞鏈，這為金納米棒對線粒體生物能的直接影響提供了新證據(jù)。

2.5 提高腫瘤治療效率

將脂質(zhì)體與聚乙?；蟮慕鸺{米顆粒相結(jié)合，可形成高熱敏脂質(zhì)體（high thermosensitive liposomes,HTSL）。HTSL不僅可增加藥物的靶向性、增強(qiáng)近紅外光照射的光熱效應(yīng)，還能防止藥物在循環(huán)系統(tǒng)中釋放，保證了載藥體系在運(yùn)往腫瘤組織時保持最強(qiáng)活性。體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，HTSL在37℃時藥物釋放量非常小，在高溫情況下4 min內(nèi)可釋放近80%的藥物，而作為對照組的低熱敏脂質(zhì)體則有近70%的藥物并未釋放[29]。上述結(jié)果表明HTSL在37℃時具有較高的穩(wěn)定性，但當(dāng)其到達(dá)腫瘤組織并被加熱時，能最大程度在腫瘤組織區(qū)域釋放藥物，大大提高了對腫瘤細(xì)胞的殺傷作用。這對于藥物最大效能的釋放和保證機(jī)體其他組織的安全性具有重大意義。對接種MDA-MB-435腫瘤的小鼠的溫度記錄圖像進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)靜脈注射HTSL并通過近紅外光照射的腫瘤表面溫度很快升至50℃，該溫度可有效殺死腫瘤細(xì)胞，而注射生理鹽水組在5 min后腫瘤表面溫度仍低于40℃[30]。因此，金納米棒經(jīng)過不同修飾及增強(qiáng)滲透滯留效應(yīng)，在體內(nèi)會準(zhǔn)確聚集于腫瘤組織中，且會因外部激光照射而高效提升腫瘤部位溫度，這種熱效應(yīng)聯(lián)合藥物治療可大大提高藥物對靶細(xì)胞的毒性，而對正常細(xì)胞損傷程度較低。

除此之外，由金納米棒、DOX和化學(xué)增敏劑在乳液溶劑蒸發(fā)技術(shù)下自組裝而成的金納米棒聚集體具備較高的DOX載藥量（DOX載藥量為31.5%）[31]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該納米聚集體在生理pH下的水溶性和穩(wěn)定性明顯優(yōu)于單個金納米棒，且其較大的體積能有效克服腫瘤的多藥耐藥性。金納米棒聚集體還可在細(xì)胞內(nèi)高濃度谷胱甘肽的崩解作用下變?yōu)閱蝹€金納米棒，并在腫瘤組織的酸性條件[32]下釋放DOX，有效促進(jìn)細(xì)胞吸收DOX，抑制DOX外排。另外，由于金納米棒聚集體由局部富集的金納米棒組成，因此會呈現(xiàn)出比單個金納米棒更強(qiáng)的光熱治療效果，有效增強(qiáng)抗腫瘤效果。

提高藥物與腫瘤結(jié)合的準(zhǔn)確性，是目前臨床和科研亟待解決的一大問題。這不但要求載藥體系具有良好的靶向性，還要求載藥體系與腫瘤細(xì)胞結(jié)合穩(wěn)定，避免藥物彌散全身。有研究者將人類誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞與金納米棒@SiO2@CXCR4結(jié)合，以此提高與腫瘤細(xì)胞結(jié)合的準(zhǔn)確性[33]。由于誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞具有腫瘤趨向性，金納米顆粒與其結(jié)合后可被準(zhǔn)確送往腫瘤組織。小分子伊文思藍(lán)衍生物（truncated Evans blue,tEB）對人類血清白蛋白/羥基喜樹堿（HAS/HCPTA）具有較大的吸附力。因此，可將金納米棒與tEB小分子相結(jié)合，形成HCPT/HAS/tEB復(fù)合物（HHEG），利用干細(xì)胞自身趨向性提高藥物與腫瘤組織結(jié)合的準(zhǔn)確性。羥基喜樹堿能高效抑制腫瘤生長，金納米棒有定向富集提高光熱治療的效果，因此，多種治療手段的聯(lián)合應(yīng)用能有效提高腫瘤治療效率[34]。

為了增強(qiáng)金納米棒在體內(nèi)的循環(huán)時間及利用率，常對金納米棒表面進(jìn)行不同的功能化修飾，但修飾采用的分子往往會由于其所帶電性影響金納米棒進(jìn)入細(xì)胞的能力。為解決這一問題，可將對基質(zhì)金屬蛋白酶9有高度應(yīng)答能力的兩性離子多肽[35]與金納米棒相結(jié)合。因腫瘤組織高表達(dá)基質(zhì)金屬蛋白酶9，該法既可增強(qiáng)金納米棒在體內(nèi)的利用率，又能增強(qiáng)細(xì)胞對金納米棒的攝取，使金納米棒能在腫瘤區(qū)域有效富集，提高光熱治療效率。

2.6 提高低氧環(huán)境下腫瘤治療效率

由于腫瘤細(xì)胞無限增殖、大量耗氧使得腫瘤組織處于低氧環(huán)境，而低氧環(huán)境能通過阻止細(xì)胞產(chǎn)生活性氧進(jìn)而限制許多化學(xué)治療藥物的細(xì)胞毒性，成為目前癌癥治療面臨的又一難題。研究者將小球藻與金納米棒組成小球藻-金納米棒-牛血清白蛋白-凝膠系統(tǒng)[36]以克服低氧環(huán)境下腫瘤難以治愈的問題。在體外實(shí)驗(yàn)中小球藻能通過光合作用產(chǎn)生氧氣；在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中通過小球藻的作用，體內(nèi)能高效產(chǎn)生氧合血紅蛋白，增加腫瘤組織供氧，為活性氧產(chǎn)生提供更多底物。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，小球藻-金納米棒-牛血清白蛋白-凝膠系統(tǒng)與DOX聯(lián)合治療能顯著減小BALB/c小鼠的4T1乳腺腫瘤體積。這種產(chǎn)氧且溫和發(fā)熱的凝膠系統(tǒng)是治療局部低氧腫瘤的有效原型，為更好地解決缺氧環(huán)境下腫瘤治療提供了思路。

2.7 治療圍產(chǎn)期胎兒窒息

圍產(chǎn)期發(fā)生的窒息會干擾胎兒發(fā)育，導(dǎo)致胎兒各系統(tǒng)尤其神經(jīng)系統(tǒng)長期發(fā)展的缺陷。聚二磷酸腺苷核糖聚合酶-1[poly(adenosine diphosphate-ribose)polymerase-1,PARP-1]基因在調(diào)控基因表達(dá)和DNA修復(fù)中發(fā)揮著重要作用，但在窒息的動物中，PARP-1的過度激活加劇了三磷酸腺苷的消耗，使得依賴三磷酸腺苷供能的組織缺少足夠的能量，繼而導(dǎo)致一系列器質(zhì)性病變，所以在窒息條件下抑制PARP-1的過度表達(dá)至關(guān)重要。將小干擾RNA（small interfering RNA,siRNA）與多肽CLPFFD修飾的金納米棒結(jié)合形成金納米棒-CLPFFD/siRNA復(fù)合物后進(jìn)行腦靶向治療，siRNA能被有效導(dǎo)入PC12細(xì)胞，導(dǎo)致基因沉默，PARP-1因此得以成功敲除；當(dāng)該復(fù)合物腹腔注射予窒息暴露的大鼠幼仔后能到達(dá)其大腦[37]。因此，金納米棒與siRNA相結(jié)合可有效抑制體內(nèi)PARP-1的表達(dá)，為降低圍產(chǎn)期窒息的影響提供了一種治療策略。

3 未來發(fā)展

3.1 發(fā)展領(lǐng)域

金納米棒在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用除光學(xué)成像、腫瘤治療等之外，還可用于血管造影。由于當(dāng)前臨床所用的含碘小分子造影劑具有一定的腎毒性，且成像時間短，不能特異性富集至特定區(qū)域[38]，因此研發(fā)毒副作用更小、特異性更強(qiáng)的造影劑成為當(dāng)前的又一研究熱點(diǎn)。金元素的原子序數(shù)較碘元素高，故金納米粒子較碘造影劑具有更高的X射線吸收系數(shù)，有望成為下一代CT成像造影劑[39]。

金納米棒還可用于檢測食物中的過敏原[40]。近年來有關(guān)食物過敏的話題已引起了全球廣泛關(guān)注。食物過敏不僅對公共健康、更對社會和經(jīng)濟(jì)造成了巨大影響。現(xiàn)有的檢驗(yàn)食物過敏原的方法主要是采用抗原抗體結(jié)合法檢驗(yàn)蛋白質(zhì)或用PCR檢驗(yàn)特殊的DNA片段，此類方法存在較多缺點(diǎn)，如所需時間長、誤診率高等。金納米棒檢測因其功能化修飾的特點(diǎn)，相較于正常檢測方法更具有突出性，可明顯提升檢驗(yàn)的準(zhǔn)確率及正確率，很大程度上降低了物品檢驗(yàn)的門檻。

然而金納米顆粒因其毒性限制了其在臨床、食品檢驗(yàn)方面的廣泛應(yīng)用。有關(guān)金納米棒表面修飾以降低毒性的工作正在快速進(jìn)行?；蛟S未來金納米棒能憑借其與特定蛋白質(zhì)準(zhǔn)確結(jié)合的優(yōu)異特性在食品方面得到充分應(yīng)用。

3.2 發(fā)展阻礙

金納米棒的合成方法大多采用晶種生長法，以高濃度的CTAB為模板劑和穩(wěn)定劑對金納米顆粒進(jìn)行表面修飾[41]。CTAB分子的正電性對細(xì)胞、蛋白質(zhì)等生物分子具有生物毒性，且對金納米棒與生物分子的耦聯(lián)具有較大阻礙，因此使用CTAB為表面修飾的金納米棒在生物監(jiān)測和醫(yī)學(xué)等方面的應(yīng)用受到了較大限制。

如何降低甚至消除金納米棒的生物毒性對于臨床應(yīng)用至關(guān)重要。目前使用的方法主要是對金納米棒進(jìn)行表面修飾以降低毒性。已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，連續(xù)15個月使用利福平修飾的金納米棒并不會對機(jī)體造成長期毒性[42]。此外，還可使用二氧化硅進(jìn)行表面修飾[43]。二氧化硅具有高穩(wěn)定性和良好的生物相容性，表面的六方孔道能有效增加載藥率，且易于表面生物修飾。因此用二氧化硅包裹金納米棒構(gòu)建核-殼結(jié)構(gòu)是解決CTAB毒性和難于生物修飾問題的一種有效方法。雖然目前大多的常用方法均面臨著無法大量生產(chǎn)、耗時、造價昂貴等缺點(diǎn)，但隨著科技進(jìn)步，這一問題也將被逐步解決。

4 結(jié)語

綜上所述，金納米棒的可修飾性及突出的光學(xué)及光熱特性為其臨床各項(xiàng)應(yīng)用帶來了光明的前景，譬如在不傷害身體正常細(xì)胞和組織的前提下作為藥物載體，利用化學(xué)、光熱治療殺死腫瘤細(xì)胞，發(fā)揮優(yōu)越的生物成像功能等，但合理的修飾金納米棒以降低毒性的方法仍需進(jìn)行更多的研究。只有金納米棒的生物毒性、穩(wěn)定性和生物相容性得到了完美解決，才能實(shí)現(xiàn)其在臨床方面廣泛而高效的應(yīng)用。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突