功能化金纳米载药系统在医药领域的研究进展*

李雪娜，李成

(1.延边大学药学院，延吉 133002；2.延边大学附属医院药学部，延吉 133002)

过去几十年，纳米科学和纳米技术取得重大进展。纳米医学作为纳米技术的一个分支，利用纳米颗粒改进现有方法，成为诊断和治疗不同疾病的新工具。金纳米(gold nanoparticles，GNPs)指直径0.5～250 nm的金超微粒子，其具有独特的光学性质、表面易修饰、低毒等优点，是研究最为广泛的纳米载体之一[1]。然而，裸金纳米不稳定，容易聚集沉淀为金属颗粒。因此，通过对金纳米表面进行修饰得到的功能化金纳米在药物传递领域具有广泛应用前景[2]。常见金纳米功能化修饰包括硫醇、柠檬酸盐、表面活性剂、聚合物，以及不同类型螯合配体等。笔者在本文综述近年来国内外功能化金纳米载药系统在医药领域的研究进展。

1 功能化金纳米

功能化金纳米是指以金纳米为载体，在金纳米表面偶联药物分子、靶向配体、成像探针等不同功能化单元，形成功能化金纳米结构。常见功能化金纳米共轭策略见图1。通常情况下，金纳米功能化修饰主要有3个目的：第一，金纳米连接配体后可以改善其胶体稳定性、单分散性和生物相容性；第二，可以增强“小分子”药物、蛋白质和遗传物质的效能[3]；第三，某些功能性配体可以直接固定或通过连接剂固定后与生物体结合，从而增强靶向性，有助于扩大应用范围。

图1 功能化金钠米的共轭策略[4]

2 功能化金纳米的配体连接类型

2.1物理吸附 金纳米与配体最简单的连接方法是通过静电和疏水作用产生物理吸附[4-5]。金纳米在溶液中形成胶体，而胶体稳定性主要取决于静电斥力。配体的解离常数(dissociation constant，pKa)值、周围溶液的pH值以及离子强度会影响表面电荷的大小，从而影响金纳米排斥强度和稳定性。因此，在应用过程中，可以通过适当调节配体的pH值和离子强度来保证金纳米的稳定性。ANDRADE等[6]制备了用西妥昔单抗包被的金纳米，得到的纳米复合物在24个月内保持可耐受的稳定性水平，并有效促进了表皮生长因子受体结合以及诱导肿瘤细胞凋亡。

KHODASHENAS等[7]将明胶通过物理吸附方式与金纳米结合形成的纳米复合材料作为姜黄素药物载体，研究了姜黄素在37 ℃两种不同pH值(7.4和5.4)条件下48 h的释放曲线，发现在pH值5.4条件下释放的药物量更大，且释放速度较慢。证明在酸性条件下明胶与金纳米的物理吸附更稳定。虽然这种配体连接的方法较简单，但物理吸附固定配体会导致配体连接随机。可能一些活性位点被相邻的生物分子或金纳米阻断，因此最终只有一小部分配体具有活性。

2.2配位键的自组装 金与巯基之间的配位键强度为167～209 kJ·mol-1，类似于金-金键。因此，金纳米可以通过金-硫(Au-S)配位键，使含巯基的化合物在其表面进行自组装，得到稳定的纳米粒子。功能化金纳米的反应端基再与其他生物分子或药物的共价偶联实现载药功能。BESSAR等[8]利用含巯基的化合物3-巯基-1-丙磺酸钠(3-mercapto-1-propanesulfonic acid sodium salt，3-MPS)与金纳米制备了功能化的水溶性金纳米，并负载甲氨蝶呤(methotrexate，MTX)治疗银屑病。结果表明Au-3MPS载药率70%～80%，24 h内释放率95%。体外研究表明，与单独使用MTX相比，使用Au-3MPS@MTX偶联物在表皮和真皮中传递的MTX增加，且未观察到Au-3MPS，表明皮肤层未保留纳米粒子。结果证明Au-3MPS@MTX偶联物可以作为有效无毒的载体治疗局部银屑病。

聚合物是一类非常有前途的使纳米颗粒稳定的候选材料，可以作为支架固定纳米颗粒，防止其聚集，并调节纳米颗粒空间分布[9]。许多聚合物可以改变金纳米大小、形状并增加其稳定性。聚乙二醇(polyethylene glycol，PEG)的双功能连接体经常被用于金纳米表面修饰，常用的方法是将PEG一端巯基化自组装到金纳米表面，另一端连接药物或靶向基团。研究发现，影响金纳米表面性质的两个关键因素为配体取向和配体密度。COMENGE等[10]通过PEG修饰的金纳米偶联抗肿瘤药物的过程中发现配体密度低时，PEG-SH聚合物可以通过多个弱键与金纳米结合，而配体密度高时，表面被更稳定的Au-SH键饱和。AL-HARBI等[11]将空白金纳米和PEG包被后的金纳米进行动物实验，观察老鼠血清促炎细胞因子白细胞介素1β(IL-1β)、IL-6、肿瘤坏死因子α(TNF-α)的表达以及肝脏和肾脏组织病理学变化。结果表明，直径50 nm的PEG-金纳米可显著增加大鼠肝脏和肾脏促炎细胞因子表达。证明与空白金纳米相比，PEG功能化金纳米作为载药系统可增强药物疗效。

2.3共价结合 金纳米与配体进行共价结合需要经过两个阶段。首先，金纳米通过修饰激活反应的部分，如羧酸或氨基；然后一端形成的Au-S键含活性基团的连接体以共价结合固定靶配体。GHORBANI等[12]制备了聚合物包覆的金纳米，利用MTX羧基与金纳米聚合物壳的氨基发生共价结合开发了一种新的pH值响应的纳米平台，用于控制和靶向传递抗癌药物。

金纳米尺寸与蛋白质、DNA等生物分子尺寸相似。大多数多肽或蛋白质都含有带巯基的半胱氨酸，可以通过共价结合将生物分子固定在功能化金纳米上发挥作用[13]。KALISHWARALAL等[14]研究发现，肽-药物偶联物(peptide-drug conjugates，PDCs)可靶向杀死不同类型癌细胞，但其在生理环境中易水解。研究表明，PDCs与聚乙烯包覆的金纳米偶联后可提高其稳定性。此外还发现，PDCs与金纳米的耦合效率可能因药物的化学特性和多肽的特定氨基酸序列而异，尤其是在高疏水性的情况下。GASPARRI等[15]研究了金纳米被头尾环化肽CGisoDGRG (lso1)偶联后对小鼠IL-12的影响。结果表明，此金纳米偶联物是提高其治疗指数和维持过继性T细胞治疗的有效策略。SUN等[16]研究发现，功能化金纳米与牛血清白蛋白(bovine serum albumin，BSA)和4，6-二氨基-2-嘧啶硫醇(4，6-diamino-2-pyrimidinethiol，DAPT)生成的共轭物(Au@DAPT@BSA)可以降低对革兰阴性菌的最低抑菌浓度，并扩大对革兰阳性菌的抗菌谱，可显著减少生物膜中铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌数量。此外，Au@DAPT@BSA对临床分离的耐药大肠埃希菌或金黄色葡萄球菌所致皮下脓肿具有愈合效果，且不会产生可检测的毒性。上述研究结果为提高纳米材料与抗菌药物的生物相容性提供了新的策略。

3 功能化金纳米载药系统在医药领域的应用

3.1基因治疗 功能化纳米基因载体对外源基因如DNA、小干扰RNA(siRNA)等具有良好的吸附、富集和保护能力[17]。DNA修饰的金纳米既具有金纳米的光学和物理化学特性，又具有DNA分子的可编程特性和生物特性。功能化金纳米作为载体能将DNA浓缩成紧凑复合物，从而更容易被细胞吸收，保护其不被核素酶降解。因此，功能化金纳米为构建DNA传递载体提供了潜在的支架，现已被开发成基因传递的重要载体。XIONG等[18]使用锌离子功能化的树枝状金纳米作为非病毒载体时癌细胞中HIC1基因表达可被有效抑制，结果表明功能化金纳米可作为基因治疗的有效载体。

siRNA通过敲除疾病发展中的特定基因成为治疗各种疾病的新手段，但由于其易降解且难以传递到细胞中而阻碍了临床应用[19-20]。因此，可开发金纳米为载体递送siRNA至活细胞中发挥作用。AHWAZI等[21]研究了一种基于人类免疫缺陷病毒-1型反式转录激活因子(human immunodeficiency virus type 1 transactivator of transcription，HIV-1TAT)肽包封金纳米的siRNA递送系统来治疗乳腺癌。由于带正电的纳米颗粒具有较高的细胞摄取能力，因此可以使用低浓度纳米颗粒进行高效基因转染。转染后，ROR1及其靶向基因CCND1下调，诱导癌细胞凋亡。结果表明，HIV-1 TAT肽通过Au-S键与金纳米结合后可用于传递特定基因的负电荷治疗剂。SHAAT等[22]为克服siRNA快速酶促降解和低转染效率缺陷，用分支聚乙烯亚胺(branched polyethyleneimine，bPEI)修饰的金纳米作为siRNA细胞内递送载体。研究表明，该复合物可增强细胞对siRNA的摄取，而不会产生明显细胞毒性，并证实bPEI修饰的金纳米可以用作安全递送siRNA的载体。

3.2药物靶向递送 功能化金纳米具有优异的生物学特性，非常适合作为疾病靶向治疗的无毒载体。功能化金纳米由于纳米尺寸改善了其循环时间，降低了聚集速率，增强了对治疗分子和靶标试剂的附着，从而可进一步提高穿过细胞膜的能力并降低总体细胞毒性[23]。因此，功能化金纳米作为药物递送载体是药物靶向递送的有效手段。

3.2.1主动靶向 在主动靶向中，纳米颗粒被偶联到配体上，即与靶细胞上过表达受体特异性结合的分子。这些受体在正常细胞中表达较差或不表达，但在靶细胞上均匀表达[24]。这种配体-受体的相互作用会诱导纳米颗粒内在化，并通过受体介导的内吞作用在细胞内释放药物[25]。常见配体包括抗体、碳水化合物、酶、叶酸、多肽和维生素等。RIZK等[26]将金纳米与TGF-β1抗体、MTX以及肿瘤靶向分子叶酸共轭。酶联免疫吸附(ELISA)检测结果显示，与对照组相比，结合金纳米的TGF-β1抗体可以使细胞外TGF-β1降低30%。功能化金纳米可有效减少肿瘤细胞外TGF-β1水平，且叶酸和MTX可以增强对癌细胞的毒性。THAMBIRAJ等[27]将金纳米与多西他赛以非共价键形式结合，并与靶向分子叶酸偶联，评价了合成的金纳米共轭物对肺癌细胞系H520的细胞毒性。结果表明以金纳米为基础的纳米偶联物可作为治疗各种癌症化疗药物的载体系统。

3.2.2被动靶向 被动靶向是利用肿瘤部位病理生理特征进行药物的靶向传递。直径100～400 nm范围内的纳米颗粒会通过肿瘤部位滞留效应来积累药物[28]。COELHO等[29]发现，PEG-金纳米偶联物与多柔比星和伐利替尼联合后具有降低癌细胞存活率的作用，同时能降低对健康胰腺细胞的毒性。在癌症治疗中，可以进一步探索基于PEG-金纳米功能化的方法来提高药物靶向效率并降低不良反应。NAZ等[30]研究将超微金纳米作为靶向递送抗癌药物MTX的纳米载体来治疗乳腺癌。金纳米-MTX在肿瘤小鼠模型中获得明显优于游离MTX药物的治疗效果，且无任何毒性。因此，超微金纳米可以作为癌症药物靶向递送的载体。

3.2.3物理化学靶向 物理化学靶向制剂即运用某些物理化学方法使靶向制剂在特定部位发挥药效，主要分类有磁性靶向制剂、pH值敏感性靶向制剂、热敏靶向制剂等。磁性靶向制剂可使治疗药物磁性定位集中在靶部位，从而减少或消除全身药物不良反应[31]。KIM等[32]开发了负载MTX的金/铁/金半壳纳米颗粒，并将其与精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸偶联后用于磁性靶向的化学光热治疗以及类风湿关节炎的体内成像。与常规治疗相比，在连续近红外光照射和外部磁场相结合的情况下，可产生更好治疗效果。

血浆和正常组织pH值为中性，而肿瘤细胞外环境为酸性(pH值4.5～5.5)。肿瘤部位的酸性环境可被用于pH敏感性药物载体系统的控制药物释放。MA等[33]将改性PEG作为靶向配体与二丁胺、吡咯烷基胺引入到金纳米表面，通过pH值变化对靶向配体进行可逆的屏蔽或去屏蔽的自组装。由于血液循环时间长和细胞内在化程度高会实现很高的肿瘤蓄积而得到一种可逆的靶向策略。

3.3生物传感与诊断 功能化金纳米具有独特物理和化学性质，使其成为制备各种新型生物传感器的良好支架材料。基于金纳米的传感器可以根据检测到的响应信号进行设计，这些响应信号通过分析方法改变某些参数(如尺寸、形状或环境)而产生。基于功能化金纳米的生物传感器在临床诊断中发挥着重要作用。SUN等[34]研究了多功能复合材料ssDNA-金纳米@IGA3@SiO2并构建了用于胰岛素检测的化学发光(chemiluminescence，CL)生物传感器，用于重组人胰岛素检测时获得了很好的效果。FARMANI等[35]合成了石墨烯量子点(graphene quantum dots，GQDs)与金纳米的偶联物，利用荧光技术研究了红素B(erythrosine B，ErB)与GQD-金纳米偶联物的相互作用。结果表明，ErB对其荧光有明显猝灭作用。利用这种良好的交互作用可以构建传感器来检测药品中ErB，确保含量符合标准。

3.4光热治疗 由于功能化金纳米独特的表面等离子体共振可以将光能转化为热能，从而导致高温。因此，光热治疗可以用高温杀死癌细胞。MAJIDI等[36]合成叶酸(folic acid，FA)与二氧化硅金核壳纳米颗粒(FA-SiO2@金纳米)结合，以改善黑色素瘤细胞的治疗。结果表明FA-SiO2@金纳米是一种有效的光热治疗黑色素瘤的靶向药物。这种新的癌症治疗方法可以进一步研究利用体内模型在人类中的应用。

4 结束语

大量研究结果证明，功能化金纳米载药系统在医药领域具有很多优点。与大分子多肽、蛋白质等偶联后具有良好抗菌活性；在基因治疗中有很好疗效；与靶向配体连接后对癌症、类风湿关节炎等有良好治疗效果；可以进行生物传感和诊断以及光热治疗等。这些成果为功能化金纳米载药系统的临床研究和治疗奠定了理论基础。

目前，使用功能化金纳米作为药物递送系统的载体已经取得巨大进步，但仍有许多障碍需要克服：①功能化金纳米作为载体在体内大量蓄积后会产生毒性，对人体正常细胞造成损伤；②功能化金纳米载药系统的传递特性，如吸收和释放速率尚未明确；③如何进一步增加功能化金纳米的载药量；④大多数功能化金纳米的制备工艺较复杂，为其临床应用和质量标准的制定带来了困难。

虽然功能化金纳米作为药物载体还存在许多亟需解决的问题，但随着纳米技术的高速发展，使用功能化金纳米载药系统将会进一步优化药物在体内的应用。功能化金纳米载药系统的建立为癌症和艾滋病等的治疗提供了一种崭新的手段，有望成为一种具有强大潜力的药物递送系统。