《中国科学：化学》：动态变构纳米组装体的设计、合成及生物医药应用

纳米技术对生物医药学的发展具有重要的推动作用。如何构建新型纳米材料, 实现其在疾病部位生物功能的最优化, 是当今纳米生物医药领域的关键问题。智能型纳米组装体作为一类能够在特定刺激下发生响应性功能转变的纳米材料, 在该领域中受到了极大的关注。尤其是在肿瘤等疾病的诊断与治疗中, 结合肿瘤微环境特征, 设计与合成能够根据体内过程调整结构的动态变构纳米组装体, 以达到成像信号放大、治疗效果增强以及安全性提升的目的, 为建立智能化诊疗方案提供了新策略。浙江大学药学院凌代舜教授讨论了纳米组装体的常用制备策略, 集中探讨了对内源性刺激响应(pH、酶、氧化还原等)的动态变构纳米组装体在肿瘤诊疗中的应用。

纳米材料由于其尺寸效应引起的特殊性质, 受到环境、能源、农业、医药等各领域的广泛关注与重视, 尤其在生物医药领域显示出巨大的潜在应用价值。目前, 获批上市的纳米药物已达50余种。其中, 利用生物材料制备成纳米载体负载药物的抗肿瘤纳米药物多达10余种。纳米生物医药材料的研发, 尤其是抗肿瘤纳米材料涉及材料学、药学、肿瘤学、免疫学等多学科交叉与融合, 已成为当今国内外研究的前沿与热点。

随着技术的不断发展, 各种无机纳米材料作为新型生物医药材料在疾病诊断和治疗方面得到了大量的研究。无机纳米粒子独特的物理化学性质, 使其有望在肿瘤诊疗方面发挥一些特殊的功能。例如, 氧化铁纳米粒子因其可控的磁学性能可以在磁共振成像与磁热治疗的应用中发挥作用; 金纳米粒因其表面等离子共振性能可以被用于光声成像和光热治疗。

研究表明, 无机纳米材料的物化性质与其尺寸、形貌等结构密切相关。例如, 氧化铁纳米粒尺寸减至20nm时, 其磁性由亚铁磁性转变为超顺磁性(可用作T2造影剂), 继续减至4nm以下, 表现出近顺磁性(可用作T1造影剂); 同样尺寸下, 立方形氧化铁纳米粒比球状氧化铁纳米粒具有更强的磁热性能。因此, 调控无机纳米材料的结构可以调控其物化性质, 进一步影响其功能的发挥。

近年来, 利用物理、化学手段, 将无机材料作为基元构成的智能型纳米组装体, 有望通过组装与解组装的结构变化, 调节基元之间的相互作用, 从而有效实现功能转变。例如, 氧化铁纳米组装体在组装状态下或解组装状态下, 分别对T2弛豫率或T1弛豫率发生调控作用, 使其成为能够从T2信号增强到T1信号增强转变的智能型磁共振造影剂。此外, 对不同类型的无机材料进行多元组装, 不仅可以实现多功能集于一体, 同时由于不同基元之间物化性质的相互影响, 可以产生协同或拮抗作用以改善功能。

动态变构无机纳米组装体的组装策略及其生物医药应用示意图

另外, 纳米材料进行生物医药应用时, 其尺寸和表面结构是影响其体内行为的重要因素。例如, 相比于容易被肾脏清除的小于6~8nm的纳米粒子, 70~200nm的纳米粒子具有较长的循环时间, 并更容易渗漏进入肿瘤部位, 实现肿瘤富集; 相比于表面带正电的纳米粒子, 表面带负电或电中性的纳米粒子与血液中蛋白质及正常组织细胞间的吸附作用更小, 其血液循环半衰期较长, 而细胞内化作用较弱。因此, 调控纳米材料的尺寸和表面结构可以调控其体内行为。

理想的抗肿瘤纳米材料不仅对其在体内的安全性有高标准, 同时还需要满足对肿瘤的精确诊断与有效治疗等要求。基于此, 设计不同的组装策略,合成基于无机材料的智能型纳米组装体, 使其能够在特定刺激响应下发生结构变化,在肿瘤部位功能最大化, 达到高效、可控的诊疗需求,并实现对其体内过程的有效调控, 达到生物安全要求。

浙江大学药学院凌代舜教授就纳米组装体的制备及其生物医药应用进行介绍, 并结合肿瘤微环境特征,重点列举能够在内源性刺激下进行结构变化和功能转变的动态变构纳米组装体。该评述近期在线发表于《中国科学：化学》中文刊。

王淑颖, 夏凡, 李方园, 凌代舜. 动态变构纳米组装体的设计、合成及生物医药应用. 中国科学：化学, 2019. DOI: 10.1360/SSC-2019-0020