金纳米棒在肿瘤诊疗领域的表面修饰策略概述

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　　摘   要：在貴金属纳米材料中，金纳米材料因其独特的光学、电子学和磁学性能被广泛应用于荧光、催化、生物医药、分子和细胞成像、癌症诊断与治疗等领域。包括金纳米颗粒（AuNPs）、金纳米壳（AuSs）、纳米滴和金纳米棒（AuNRs）在内的金纳米材料为癌症的诊疗提供了一个很有前途的平台。其中，金纳米棒具有可调的局部表面等离子共振，不仅可以作为癌细胞成像的探针，而且在受到激光辐照时产生光热效应还可以成为高强度的局部热源，生成的热量除了可用于癌症治疗外，还可以用于触发金纳米棒表面载带药物的释放。
　　关键词：金纳米棒;癌症治疗;光热治疗;载带药物
　　本研究围绕纳米金棒的光热效应在肿瘤识别及诊疗中的应用，开展了一系列研究工作，主要是通过在纳米金棒表面进行修饰，提高纳米金棒的光热效应、热稳定性、光声信号等，以期在肿瘤诊疗中提高光热治疗效率。
　　1    通过表面介孔二氧化硅实现ANRs性能的提高
　　介孔二氧化硅包覆金纳米棒材料（AuNRs@MS）之所以广泛应用于纳米科技领域，主要是因为通过在金棒外层包覆介孔二氧化硅层能够增加AuNRs的生物相容性和生理稳定性，另外，介孔二氧化硅的独特介孔结构增加了AuNRs表面积，大大提高AuNRs的载药量。AuNRs@MS兼有AuNRs独特的光学特性和介孔二氧化硅孔径规整、比表面积大、易于修饰等优点。
　　将生物相容性较高的介孔纳米硅通过stober法包覆于AuNRs表面，可有效提高AuNRs的比表面积和生物相容性，同时介孔硅较高的孔容积可有效提高AuNRs的载药能力，但是介孔硅空洞中载带的药物在生物环境下则容易在载药体系到达病灶前释放，从而减小了病灶位置的有效药物质量浓度，不利于抗癌药物药效的发挥。因此，通过某些设计实现药物的缓释和靶向运输对于纳米载药体系至关重要。本研究在介孔硅表面偶联特定的DNA片段并以Ag纳米颗粒作为封孔剂阻止药物的提前释放，经细胞实验验证，该纳米复合材料可有效提高到达肿瘤细胞的药物含量[1]。
　　2    表面包覆金属纳米材料以实现ANRs性能的提高
　　通过在金纳米棒表面包覆其他相容性好、功能化材料以进一步高ANRs的应用范围和功能，本研究通过在ANRs表面包覆诸如Ag、GO、CuS等功能性纳米材料以期实现ANRs的性能提升。
　　可通过调节ANRs的长径比，以调节LSPR及TSPR使ANRs的紫外吸收峰位于近红外区，以降低激光对正常组织的伤害，为有效提高ANRs的光热转换能力及热稳定性，本研究在ANRs表面包覆了一层铂纳米颗粒。实验证明，在表面负载Pt NPs后，ANRs@Pt的光热转换效率可有效提高，且在动物体内外均实现有效的光热转换[2]。
　　在ANRs外层原位生长具有核磁成像能力的金属有机框架（MOFs）纳米材料，实现了保护ANRs光热及成像能力的同时赋予其更大的比表面积和核磁对比成像能力。研究发现，ANRs@MIL-88复合材料可以实现对神经胶质瘤的光声成像、计算机扫描成像及核磁对比成像能力同时保持了ANRs的光热治疗能力，利用MOFs的较大的比表面积、大孔容向其中装载抗癌药物实现了对神经胶质瘤的多模成像及多模治疗作用[3]。
　　3    表面包覆非金属纳米材料以实现ANRs性能的提高
　　为提高ANRs的生物相容性及抗菌性能，诸如聚乙二醇类聚合物、MoS2纳米片、壳聚糖、细菌纤维素及谷胱甘肽类小分子等非金属纳米材料被包覆于ANRs表面。
　　Hyungwon[4]等通过静电引力作用将AuNRs与氧化石墨烯结合，水合肼将GO还原为r-GO，充分利用了r-GO的近红外光吸收特性。该复合材料的光声信号强度是裸金棒或者GO-AuNRs的4倍，是一种极有应用前景的深层组织成像材料。本研究通过一步水热合成在ANRs表面沉积了一层CuS壳层（Au NRs–Cu7S4），研究表明，复合材料的光热转换效率可达62%，是一种高效的光热治疗试剂、光声成像及CT成像试剂[5]。
　　本研究通过在ANRs表面包覆具有抗菌能力的壳聚糖，在保持ANRs光热及成像能力的同时有效提高了ANRs的生物相容性和抗菌能力，在抗菌及肿瘤诊疗领域具有重要价值[6]。聚吡咯作为一种具有光热治疗作用的高生物相容性聚合物在肿瘤诊疗领域受到广泛关注，为进一步提高ANRs的性能，本研究通过在Fe3+催化作用下将聚乙烯醇催化聚合，在ANRs表面包覆一层聚吡咯，并以聚吡咯表面富余的Fe2+氧化为Fe3O4，获得的Au/PPY@Fe3O4纳米复合粒子可有效提高ANRs的光热转换能力，在Fe3O4存在的条件下赋予了复合纳米粒子核磁对比成像的能力，在808 nm激光照射下可使溶液温度升高35 ℃，同时基于Au的CT成像能力，使复合纳米粒子具有多模成像及治疗能力[7]。
　　具有基因调节能力的干扰RNA可有效地阻断某些治病基因和蛋白的表达，对于诸如癌症等重大疾病的治疗具有重要指导意义，但是实际应用中，基因治疗的难点在于将干扰RNA安全高效地运载到病灶位置。本研究利用具有生物环境相应能力的二硫键交联的聚合物（DAPEIs）连接于AuNRs表面，并将具有基因干扰能力的shRNA链接其上，之后将具有高效靶向能力的RGD包覆于AuNRs的最外层，RGD可有效压缩shRNA并在到达目标肿瘤细胞前有效保护其免于生物环境降解。纳米复合物中的含二硫键聚合物可在特异性进入具有avβ3受体的人脑癌细胞后可被肿瘤细胞内高浓度的谷胱甘肽所打开，从而释放出干扰RNA，达到基因沉默的效果，实现基因治疗[8]。
　　4    表面负载生物小分子以实现ANRs性能的提高
　　通过Au-S键将具有巯基的生物分子链接于ANRs表面，有利于提高ANRs的生物相容性和生物环境的稳定性。本研究利用的生物分子有蛋白冠、mRNA、DNA、RNA、半胱氨酸及多肽等。 　　本研究設计了基因、药物以及光热治疗于一体的载药纳米复合材料，以荷载结肠癌小鼠为模型分别应用于非切除肿瘤的诱导凋亡以及切除术后对循环肿瘤细胞诱导凋亡对比研究。ANRs纳米复合材料具有较高的生物环境稳定性及较强的运载能力。球形金纳米粒子首先用于运载SiRNAs以治疗Kras（关键的致癌基因），金纳米棒则将近红外光转换为热能诱发化疗药物及热量的释放从而诱导癌细胞死亡[9]。
　　[参考文献]
　　[1]ZHANG Z，LIU C，BAI J，et al. Silver nanoparticle gated，mesoporous silica coated gold nanorods（AuNR@MS@AgNPs）：low premature release and multifunctional cancer theranostic platform[J]. Application Mater Interfaces，2015（7）：6211-6219.
　　[2]TANG J，JIANG X，WANG L，et al. Au@Pt nanostructures：a novel photothermal conversion agent for cancer therapy[J].Nanoscale，2014（6）：3670-3678.
　　[3]SHANG W，ZENG C，DU Y，et al. Core-Shell Gold Nanorod@Metal-Organic framework nanoprobes for multimodality diagnosis of glioma[J]. Advanced Materials，2016，29（3）：401-402.
　　[4]MOON H，DINESH KUMAR，KIM H，et al. Amplified photoacoustic performance and enhanced photothermal stability of reduced graphene Oxide Coated Gold Nanorods for sensitive photoacoustic imaging[J].Am Chem Soc，Nano，2015，9（3）：2711-2719.
　　[5]LENG C，ZHANG X，XU F，et al. Engineering Gold Nanorod-Copper sulfide heterostructures with enhanced photothermal conversion efficiency and photostability[J].Small，2018，14（12）：1703077.
　　[6]MENDOZA G，REGIEL-FUTYRA A，ANDREU V，et al. Bactericidal Effect of Gold-Chitosan Nanocomposites in Coculture Models of Pathogenic Bacteria and Human Macrophages[J].ACS Appl Mater Interfaces，2017，9（21）：17693-17701.
　　[7]FENG W，ZHOU X，NIE W，et al. Au/Polypyrrole@Fe3O4 Nanocomposites for MR/CT DualModal Imaging Guided-Photothermal Therapy：an in vitro study[J].Applied Materials&Interfaces，2015.
　　[8]WANG F，ZHANG W，SHEN Y，et al. Efficient RNA delivery by integrin-targeted glutathione responsive polyethyleneimine capped gold nanorods[J]. Acta Biomater，2015（23）：136-146.
　　[9]CONDE J，OLIVA N，ZHANG Y，et al. Local triple-combination therapy results in tumour regression and prevents recurrence in a colon cancer model[J].Nature Materials，2016（10）：1128-1138.
　　Overview of surface modification strategies for gold nanorods in the
　　field of tumor diagnosis and treatment
　　Wang Ran， Liu Fuguang， Hu Zunfu
　　（Linyi University， Linyi 276000， China）
　　Abstract：Among precious metal nanomaterials， gold nanomaterials are widely used in fluorescence， catalysis， biomedicine， molecular and cellular imaging， cancer diagnosis and treatment due to their unique optical， electronic and magnetic properties. Gold nanomaterials including gold nanoparticles（AuNPs）， gold nanoshells（AuSs）， nanodroplets and gold nanorods（AuNRs）provide a promising platform for the diagnosis and treatment of cancer. Among them， the gold nanorods have adjustable local surface plasmon resonance， which can be used not only as a probe for imaging of cancer cells， but also can generate a high-intensity local heat source when subjected to laser irradiation， and the generated heat can be used in addition to In addition to cancer treatment， it can also be used to trigger the release of drugs on the surface of gold nanorods.
　　Key words：gold nanorods; cancer treatment; photothermal therapy; drug application
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