纳米技术在水产药物中的应用现状及展望

2015-12-03孙洁毕相东尤宏争董少杰杨广武瑞

天津农业科学 2015年12期

关键词：纳米技术展望综述

孙洁+毕相东+尤宏争+董少杰+杨广+武瑞+杨通枝+陈天烁

摘要：介绍了纳米技术和纳米药物。通过对传统药物和纳米药物进行对比，分析了纳米药物的优势。对水产药物领域中纳米技术的应用情况进行了综述并对其在水产药物领域中的开发应用前景、发展方向和需要注意的问题进行了展望。

关键词：纳米技术;水产药物;综述;展望

中图分类号：R978 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.12.014

Nanotechnology in Aquacultural Drugs and Treatment

SUN Jie1， BI Xiang-dong1， YOU Hong-zheng2， DONG Shao-jie1， YANG Guang1， WU Rui1， YANG Tong-zhi1， CHEN Tian-shuo1

（1. Key Labortary of Aqua-ecology and Aquaculture of Tianjin， Department of Fisheries Sciences， Tianjin Agricultural University， Tianjin 300384， China; 2. Tianjin Fisheries Research Institute， Tianjin 300221， China）

Abstract： Nanotechnology and nano-drug were presented firstly. Secondly the advantage of nano-drug against traditional drugs was compared. Then the application of nanotechnology in aquaculture drugs was reviewed. At last， application prospect of nanotechnology in aquaculture drugs， developing direction and problems that should be paid attention were prospected.

Key words： Nanotechnology; aquaculture drugs; review; prospection

“纳米技术”（Nanoscletechnology）的概念是于上世纪90年首届国际纳米科学与纳米技术大会（美国巴尔的摩）上首次被提出来的[1]。目前，国际上公认的纳米尺度空间为0.1～100 nm，亚微米体系范围为100～1 000 nm，原子团簇的尺度空间为小于1 nm[2]。纳米技术是在纳米尺度空间研究物质（原子和分子）的物理和化学特性及它们之间的相互作用，通过一定的微细加工方式直接操纵原子、分子或原子团、分子团，使其重新排列组合，形成新的具有纳米尺度的物质或结构，进而研究其特性及其实际应用的一门新兴科学与技术[3- 4]。目前，在生物学、材料学、显微学、电子学等研究领域纳米技术已经得到了广泛的应用，取得了突破性的进展[1]。

实际上，“纳米技术”概念的提出要晚于药剂学领域里对纳米粒子的研究。药剂学领域早在上世纪70年代便已经对纳米球、纳米脂质体聚合物和纳米囊等多种类型的纳米载体进行了广泛研究[2]。近年来，纳米技术在药物领域的研究和应用已逐渐成为热点，对该领域产生了深远的影响，催生了“纳米药物”的诞生。纳米药物的粒子存在的形式包括两大类：纳米晶体药物（其制作方式是将原料药物通过一定技术手段直接加工成的纳米粒）和纳米载体药物（以纳米级高分子纳米粒、纳米球、纳米囊等为载体，药物分散在载体中纳米化）[1， 4-5]。有学者认为纳米药物粒径可能超过100 nm，但通常应小于500 nm[4]。包括大小在100 nm以上的亚米微粒子，空间尺度在1～1 000 nm的药物在药物传输系统一般被界定为纳米粒[2]。

1 与传统药物相比较纳米药物的优势

1.1 特殊表面效应及小尺寸效应

纳米药物的分散粒径在1～100 nm之间，使它具有特殊的表面效应和小尺寸效应等。在传统给药形式中，药物是以游离分子态的形式被吸收，而纳米药物以纳米聚集态的形式兼有分子态的形式被吸收。这使其具有了不同的体内过程，进而能够产生特殊的生物学活性[6]。较之传统常规药物，颗粒小、活性中心多、表面反应活性高、吸附能力强、催化效率高等特点是纳米药物所具备的主要优点[4]。

粒径达到纳米水平的药物颗粒的总表面积大幅度加大，提高了药物的溶出速率，增大了给药部位的接触面积，进而提高了药物的单位面积浓度。通过对纳米药物表面进行修饰，可以改变其表面特性，从而实现药物长循环的效果[4]。纳米药物的粒度处于亚微粒水平，且完整的多聚粒是胃肠道易吸收的形式。因而纳米药物可以通过胃肠道中淋巴样组织的集结淋巴结内 M细胞的机制摄取，实现减弱药物的首过效应，以提高其的生物利用度[6]。机体不易将纳米颗粒当作异物排斥，纳米药物对于机体组织、血液和免疫系统等均具有良好的生物兼容性。纳米药物亲水性的表面可以使其免于单核细胞吞噬系统的吞噬，因而纳米药物在血液中具有较长的循环时间[7]。上述原因使纳米药物在药代动力学及药效动力学方面受到医药界的高度重视[1]。

1.2 载体的优势

目前，纳米药物载体的主要种类有纳米囊、纳米脂质体、聚合物胶束和纳米球等，均具有类似生物膜性质的磷脂双分子层结构[6]。其突出优点在于：控制药物进入特定的靶器官或靶细胞，实现药物的靶向输送;药物通过纳米载体的囊壁渗透、沥滤、扩散，或通过被溶蚀的基质释放，避免了药物被体内的各种酶类水解，在延长其作用时间的同时，还提高了其稳定性及生物口服利用度;纳米载体材料可生物降解，无毒或毒性较低[8-9]。

载药纳米粒子通过改变生物膜运转机制，提高了药物对于生物膜的通透性，使其可以通过简单扩散或渗透的形式穿过生物膜。载药纳米粒子粒径小且具有良好的黏附性，延长了药物与吸收部位的接触时间，使吸收部位上皮组织黏液层中的药物浓度增加，并延长了药物半衰期，从而提高了药物的生物利用度。上述优点使得纳米药物可以减少使用剂量并保证作用效果，进而减轻甚至避免药物的毒副作用[4， 8]。

2 水产药物领域的纳米技术

20世纪50年代，我国开始进行水产病害研究工作。20世纪80年代以后，鱼药的开发逐渐形成了产业。与水产鱼药有关的开发和研究工作仍处于较浅的层次[10]。综合现有资料，纳米技术在水产药物方面的应用有以下几个方面。

2.1 环境改良剂

环境改良剂以改善养殖水体为主要目的。目前环境改良剂主要包括水质改良剂、底质改良剂和微生态制剂等类型，但采用纳米技术的只有净水剂。综合使用效果和成本分析，纳米级高效净水剂具有净水效果好、综合成本低和应用范围广等优点。纳米级净水剂通过在极短时间内与养殖水充分混和、絮凝和沉淀，去除水中的异臭、悬浮物、异味及大部分杂质，其净水效果可达到普通净水剂的10～20倍。通过具有纳米级孔径的过滤装置，水中的细菌、病毒等微生物可被除去，从而实现了高效的净水效果[11]。

2.2 消毒剂

消毒剂是指以杀灭水体中的病原微生物为目的的药物。水产药物中的消毒剂主要包括酚类、氯制剂、碘制剂和季胺盐类等[10]。现有药物在实际使用过程中均存在不同程度的诸如稳定性差、作用范围窄、效果不显著等缺陷。目前已经开发应用的水产纳米消毒剂种类较少，常见的有纳米碘，主要成分是纳米碘、季胺盐和WEQ等。通过对碘表面使用具表面活性功能的非离子表面活性剂高分子化合物进行处理，在碘粒子表面形成一层由分散剂组成的保护膜，减弱或屏蔽了粒子间的缔合力，避免了粒子团聚，由此迅速增强碘制剂的杀菌能力和穿透性，并减少了药物有效成分的浪费;一般情况下高分子呈现卷曲状态，可以使用特殊的工艺技术，将碘微粒嵌入其中，以提高药物的稳定性和活性，增加其水溶性并减少药物的刺激性，同时可以达到缓释的效果[12]。

2.3 抗病原微生物类药物

抗病原微生物类药物通过内服或注射的方式给药，起到杀灭或抑制体内病原微生物繁殖和生长的作用[10]。此类药物主要分为抗菌药、抗真菌药和抗病毒药。水产养殖中使用量最大、范围最广的抗菌药有抗生素类、磺胺类、呋喃类和喹诺酮类[13]。

目前，抗生素使用中的药物残留问题、交叉耐药性问题和多元耐药性问题在医药与兽药中普遍存在。更为严重的问题是，人在食用了残留有抗生素的畜禽及其制品后会引起对相关抗生素的敏感性降低[1]。早在20世纪90年代，我国学者就指出由于多种抗生素频繁在鳗鲡养殖中使用，导致鳗鲡病原菌对常用抗菌药产生了严重的抗药性，耐药范围达到了42.5%～90.9%，平均耐药率更是达到69.4%[14]。Inglis[15]从患疖疮病的大西洋鱿分离到304株杀蛙气单胞菌，其中55%的菌株对土霉素具有抗药性，有37%的菌株对于抗生素嗯哇酸出现耐药性，且有94.7%的耐药菌株在次年仍被发现。上述情况使得养殖动物疾病防治工作开展较为困难。具抗药性的水产动物病原微生物如果传播到其他水生生物或陆地动物，也将危害人、畜、兽及农作物[16]。

纳米技术的出现，为解决病原菌抗药性问题带来了新的思路。杨雪峰等[17]的研究指出制备恩诺沙星纳米乳的最佳纳米乳处方为肉豆蔻酸异丙酯（IPM）、聚氧乙烯蓖麻油-40 （EL-40）、乙酸（HAc）和水，以此处方制备的恩诺沙星纳米乳对大肠杆菌ATCC25922和金黄色葡萄球菌ATCC25923的最小抑菌浓度（MIC）均为其原料药MIC的1/2。但是也有研究指出，由十六烷基碳脂肪酸为配方的恩诺沙星脂质纳米乳剂，利用金黄色葡萄球菌测定其 MIC 为0.25 μg·mL-1，与普通恩诺沙星药物的值接近[18]。这表明，抗菌药物纳米化后是否能够增强药性，与其采用的纳米配方有关。宁二娟等[19]以聚乳酸为载体材料，采用溶剂挥发法制备的恩诺沙星聚乳酸纳米粒的包封率平均为71.0%，载药量平均为11.3%，平均粒径为66.8 nm，粒径范围为30.0～117.5 nm，电子透射显微镜下观察纳米粒，基本呈较光滑圆整的球形，较均匀，且粒径分布较窄。Bariak等[20]在研究中报道了一种新型纳米管药物，可以杀死包括对传统抗生素形成抗药性的细菌。这表明可以通过对纳米药物进行修饰提高其抗菌和抑菌效果[1]。

现有的纳米抗菌剂还有纳米TiO2、纳米ZnO和纳米SiO2及其银系纳米复合粉等。上述药物具有量子尺寸效应、巨大的比表面积和独特的抗菌机制，较传统抗菌剂、有机类和天然类抗菌剂其综合抗菌效果更佳优良。其中纳米ZnO因为具有一般ZnO无法比拟的优越性而被称为面向21 世纪的新饲料业产品。纳米ZnO化学活性极强，可以与多种有机物（包括细菌内的有机物）发生氧化反应，杀死大部分的细菌和病毒。将纳米氧化锌拌入饲料投喂，鱼类不会产生耐药性[21]。SiO2银系纳米复合粉体是一种无机纳米抗菌剂，通过离子交换的方法在纳米材料的基础上制得。使用时，SiO2银系纳米复合粉体中可缓释银离子，通过银离子进入微生物细胞内破坏其蛋白质结构，引起细胞的代谢障碍，从而达到杀菌的目的。其杀菌效果集安全性、广谱性为一体，较常规的银系无机抗菌剂具更好的抗菌效果和更长的抗菌时间[22]。

2.4 杀虫药

杀虫药通过药浴或内服的方式给药，作用是杀死或驱除养殖动物体内外的寄生虫并杀灭水体中有害无脊椎动物[10]。常用的杀虫药包括硫酸亚铁、硫酸铜、有机磷杀虫药（敌百虫）、抑除虫菊脂杀虫药和有机氯杀虫药等。其中敌百虫因具有毒性较低、药残少、残留时间较短的优点被广泛地适用于水产动物体外寄生虫（甲壳类、单殖吸虫及部分肠道寄生的蠕虫等）的防治[13]。

由于兽医临床和畜牧业生产中杀虫药的广泛应用，以及药物滥用和错误使用，使得水产杀虫药同样面临病原虫抗药性问题。例如敌百虫对金鱼指环虫病的治疗效果已经大打折扣，很多情况下养殖户使用了正常剂量的3～5倍都得不到很好的疗效。甚至发生过因药剂量太大引起金鱼中毒死亡的事件。目前纳米化水产杀虫驱虫药并不多见，在这方面还有很多工作有待开展。

2.5 中草药类水产药物

中草药类水产药物是天然药物，用以水产养殖动物的疾病防治或健康改善，其形式一般是经加工或未经加工的药用植物[10]。中草药用于水产动物疾病治疗是近年来的研究热点之一。鱼药中的中草药从功能上分为抗细菌类（如大黄、黄连、大青叶等）、抗真菌类（如白头翁、苦参等）、抗病毒类（如板蓝根、野菌等）和杀虫类（如苦楠皮、使君子等）[10]。另外，有学者报道五倍子、黄芩、诃子、乌梅、石榴皮五种中草药对迟缓爱德华氏菌（Edwardsiella tarda）和嗜水气单胞菌（Aeromonas hydrophila）的体外起不同程度的抑菌效果[23]。丁香、薄荷、八角和黄连对丁鱥具较好的诱食效果[24]。

1998 年国内学者通过将牛黄加工至纳米级水平，使其理化性质发生变化，发现其疗效得到了提高，且具有一定的靶向性和新作用，遂提出“纳米中药”一词。研究表明纳米级的中药在化学、物理和生物学特性方面可出现较大变化，从而出现新的效果。较传统的中药，纳米中药在生物利用度、靶向性和低不良反应方面具有明显的优势[25]。梅之南等[26]通过纳米技术将雷公藤内酯醇制成固体脂质纳米粒，减少了服药小鼠体内 MDA 的产生量。这表明固体脂质纳米粒可通过减少小鼠体内雷公藤内酯醇的脂质过氧化反应，降低雷公藤内酯醇对肝脏的毒性。王俊平[27]使用纳米技术用薏米仁油制备紫杉醇微乳，发现给药后的紫杉醇组动物于第 5 天开始死亡，于第 14 天死亡率达到 90%;而紫杉醇微乳组动物在 14 d 内未出现死亡。这说明纳米技术可以显著降低紫杉醇的毒性。

纳米化水产中草药鲜见于报道，笔者所在研究团队采用处方为表面活性剂吐温-80、助表面活性剂甘油、油相大豆油及水成功制备出高效抑杀养殖水体有害藻类的纳米药物—盐酸小檗碱纳米乳，可显著提高中草药小檗碱的抑藻率，有效控制养殖水体有害蓝藻的爆发。我们采用处方为表面活性剂聚氧乙烯蓖麻油-40、助表面活性剂乙酸、油相肉豆蔻酸异丙酯及水成功制备出高效的抗菌纳米药物—肉桂醛纳米乳等系列水产用纳米药物，可显著增加养殖动物对抗菌药物的吸收利用率，大幅降低养殖上述药物的最小抑菌浓度，提高养殖动物细菌性疾病的防治率，增加养殖产量。

3 展望

我国人口众多，水产自然资源相对贫乏，紧靠捕捞不足以满足人们对水产品日益增长的需求。近年来，水产养殖技术发展较快，产量逐年提高。随着养殖模式不断改进，高密度的集约养殖和立体养殖技术被广泛应用，新品种引进和原有品种改良，新病原入侵、病原对现有鱼药产生抗药性和环境安全性等问题逐步显现。现有鱼药体系已逐渐不能满足水产行业发展的需求，这对水产病害的研究工作和新型鱼药的开发提出了更高的要求。纳米技术在鱼药开发和生产中的应用有望成为解决上述问题的有效途径之一。

目前，鱼药纳米化正处于起步探索阶段，其进程落后于其他兽药，较之医药领域差距更大。纳米化鱼药的研发可以参照其他兽药和医药纳米化研究中取得的宝贵经验和成果，在纳米晶体药物微粉方法、纳米载体配方、新纳米载体研发等方面进行有益的探索。

据报道，约40%具有活性的候选药物由于在水中溶解度低[28]。溶解控制是难溶性药物在体内被吸收的限速步骤。通过加大药物溶出速率可显著的提高其生物利用度。通过纳米技术减小药物粒径可增加其比表面积，例如将药物的粒径由10 μm 降低至200 nm，可增加其比表面积50倍，而难溶性药物的生物利用度与其比表面积大小密切相关。这表明可以通过纳米技术提高难溶性药物的溶解速率进而改善其生物利用度[29]。纳米级超细微粒状态的难溶性药物和生物大分子的溶解度增大，附着性增强，吸收率提高，有效地增强了疗效[5]。综上所述，纳米技术的出现为新型鱼药的开发提供了技术支持。

任何事物都有其两面性。有研究指出中性和低浓度的阴性纳米粒子不会威胁到血脑屏障，而纳米粒子的表面电荷使得阳性和高浓度的阴性纳米粒子对血脑屏障具有毒性。有研究指出纳米粒子对空气、水和土壤均可产生影响，可在食物链中累积，这可能严重威胁到自然中的生物和人类的健康[30]。这提示我们在开发纳米鱼药的同时也应该关注鱼药纳米化后其自身毒性和生态毒性等方面的变化。

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