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【综述】金纳米颗粒合成及其生物医学应用

日期: 2021-04-19
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金纳米颗粒具有良好的生物相容性、丰富的表面修饰特性和独特的光学特性,这些特性与纳米颗粒的表面活性剂、形状、尺寸和结构有关。根据它们的不同的特性能够将其应用于生物医学的各个领域,如医学检测、医学成像、药物输送等方面。

目前合成金纳米颗粒常见的方法是通过化学还原法制备的(图1),Au3+前驱物在强还原剂的条件下形成种子,通过种子生长法制备球形金纳米颗粒或者加入晶面生长诱导剂形成各向异性的纳米颗粒。

【综述】金纳米颗粒合成及其生物医学应用

1:通过化学还原法合成的不同形状金纳米颗粒1



医学检测

合成后金纳米颗粒可作为传感器应用于医学检测的领域,如颜色传感器、表面等离激元共振(SPR)传感器、表面增强拉曼散射(SERS)传感器等,它们在检测中都发挥了重要作用。

(1)用作颜色传感器,Lin课题组2通过葡萄糖在葡萄糖氧化酶的作用下产生H2O2,进而腐蚀金纳米棒,使其呈现不同的颜色变化,利用这种颜色变化的范围可对生物体内葡萄糖的量进行半定量检测(图2A)。为了进一步提高检测的灵敏度,Maeda课题组3通过结合DNA自组装的发夹结构和盐诱导的DNA修饰金纳米颗粒的团聚现象实现信号的放大和转导,通过纳米颗粒的聚集前后颜色变化,目测有无目标物,检测灵敏度比其他方法高130倍(图2B)。

(2)作为SPR传感器,Hong课题组4通过在金纳米颗粒膜表面修饰11-巯基烷酸捕获DNA,当无目标物miRNA的条件时,会与修饰DNA的金纳米颗粒结合,当目标物miRNA的条件下,会与DNA修饰的纳米颗粒形成竞争关系,然后通过SPR传感器检测目标miRNA(图2C)。

(3)作为SERS传感器,如Chen课题组通过金纳米棒超晶格膜作为SERS增强基底,实现蛋白的无标记检测5。由于单一的目标检测已经不能满足于目前的医学需求,基于SERS传感器的多元检测也随之兴起,如Zhao课题组通过制备Au@Ag核壳结构,在内部包覆不同的拉曼分子,对于SERS探针进行编码,实现了多个免疫标志物的检测6(图2D),C反应蛋白、白细胞介素-6、血清淀粉样蛋白A和降钙素原的检测下限分别可低至53.4 fg/mL、4.72 fg/mL、48.3 fg/mL和7.53 fg/mL。

【综述】金纳米颗粒合成及其生物医学应用

图2:金纳米棒通过颜色的变化实现对葡萄糖的半定量检测(A),DNA自组装的发夹结构实现信号的放大,盐诱导的DNA修饰金纳米颗粒实现信号转导,目测纳米颗粒的聚集前后颜色的变化,判断有无目标物(B)。金纳米颗粒膜表面修饰11-巯基烷酸捕获DNA,目标物miRNA会与DNA修饰的纳米颗粒形成竞争关系,然后通过SPR传感器检测目标miRNA(C)通过垂直流通道作为基底,以双抗夹心法为原理,利用不同的拉曼分子对SERS探针进行编码,实现对多个免疫标志物的检测(D)。


医学成像

金纳米团簇是作为一种荧光成像剂,在医学成像中有广泛的应用,它具有尺寸小、生物相容性好、光学稳定性好、Stokes位移大、发射光谱可调谐以及无毒等优点,弥补了传统的有机荧光染料、荧光蛋白、荧光量子点等荧光探针的一些缺点,近年来已经成为国际上的研究热点。

Wu课题组7通过使用超小牛血清蛋白稳定金纳米团簇实现了动物体内的荧光成像。金纳米团簇在生物体内的荧光信号与背景信号具有显著的不同,它的高光稳定性和低毒性表明金纳米团簇具有在生物体内连续成像的潜力。

如图3所示,皮下注射小鼠的荧光图像随着金纳米团簇注射剂量的不同而呈现出不同部位的明亮发射。由于近红外荧光增强了对组织的穿透能力,金纳米团簇的荧光也可在注射到肌肉时可视,最多可达几毫米。将金纳米团簇静脉注射到无胸腺裸鼠体内,并进行全身实时活体成像。尾静脉注射金纳米团簇后,小鼠在全身浅表血管系统中很容易看到荧光。注射后5h仍可见荧光信号,24h后明显减弱。

此外,使用两种不同的肿瘤模型,体内和体外成像研究表明,由于增强渗透性和保留(EPR)效应,超小金纳米团簇可在肿瘤部位积累到高水平。Zheng等人8最近的研究发现,2nm谷胱甘肽包覆发光金纳米团簇的肾脏清净能力比同等大小的非发光金纳米颗粒强10~100倍。小尺寸金纳米团簇与表面配体结合,不仅能使大部分发光的金纳米团簇通过肾脏过滤被清除出体外,还能在血液循环过程中稳定发光。

【综述】金纳米颗粒合成及其生物医学应用

图3:皮下注射金纳米团簇的荧光图像(A),肌内注射的图像(B),静脉注射200μL金纳米团簇实时在腹部体内成像(C),体外成像,在解剖后的组织中注入200μL金纳米团簇,组织从左到右依次为肝、脾、左肾、右肾、心、肺、肌、皮、肠7


药物传输

由于金纳米颗粒的卓越性能,长期以来一直将它们视为诊断各种癌症和药物输送应用的潜在工具。这些性质包括高的表面积与体积之比,表面等离振子共振,表面化学和多功能化,容易的合成以及稳定的性质。此外,金纳米颗粒的无毒和非免疫原性以及高渗透性和保留效果(ERP),使药物易于在肿瘤部位渗透和积聚,从而提供了额外的好处。

例如Wang课题组9设计将药物阿霉素(DOX)通过酸不稳定键与金纳米颗粒结合后,对多药耐药性的MCF-7 / ADR乳腺癌细胞系表现出增强的毒性。癌细胞的多药耐药性可以显著通过高效的细胞进入和阿霉素从酸性细胞器中的响应性细胞内释放的组合效应来克服(图4)。

【综述】金纳米颗粒合成及其生物医学应用

图4:(A)与阿霉素(DOX)相连的响应性金纳米颗粒的示意图.(B)高效的细胞进入和阿霉素从酸性细胞器的响应性细胞内释放的协同作用以克服耐药性的示意图.


过去,很多研究表明肽-药物结合物(PDC)作为抗癌药的用途。然而,它们在血液、肝脏和肾脏中的稳定性对其成功用作抗癌分子提出了重大挑战。近来,有学者研究已经表明可以通过将这些PDC与金纳米颗粒缀合来克服该困难。结果显示PDC的半衰期从10.6-15.4分钟(单独给药)增加到21.0-22.3 h(与金纳米颗粒结合),同时保留了细胞毒性10


【综述】金纳米颗粒合成及其生物医学应用

图5:PDC与金纳米颗粒缀合以后对细胞生长的抑制性随着药物浓度的增大而增大。


参考文献

[1] Bansal, S. A.; Kumar, V.; Karimi, J.; Singh, A. P.; Kumar, S., Role of gold nanoparticles in advanced biomedical applications. Nanoscale Advances. 2020, 2(9), 3764-3787. 

[2] Lin, Y.; Zhao, M.; Guo, Y.; Ma, X.; Luo, F.; Guo, L.; Qiu, B.; Chen, G.; Lin, Z., Multicolor Colormetric Biosensor for theDetermination of Glucose based on the Etching of Gold Nanorods. Sci Rep. 2016, 6, 37879.

[3] Chang, C.-C.; Wang, G.; Takarada, T.; Maeda, M., Target-Recycling-Amplified ColorimetricDetection of Pollen Allergen Using Non-Cross-Linking Aggregation ofDNA-Modified Gold Nanoparticles. ACS Sensors. 2019, 4 (2), 363-369.

[4] Hong, L.; Lu, M.; Dinel, M. P.;  Blain, P.; Peng, W.;  Gu, H.; Masson, J. F.,Hybridization conditions of oligonucleotide-capped gold nanoparticles for SPRsensing of microRNA. Biosens Bioelectron. 2018, 109, 230-236.

[5] Chen, Y.; Liu, H.; Yin, H.;  Zhu, Q.; Yao, G.; Gu, N., Hierarchical Fabrication of Plasmonic SuperlatticeMembrane by Aspect-Ratio Controllable Nanobricks for Label-Free ProteinDetection. Frontiers in Chemistry. 2020, 8.

[6] Chen, R.; Du, X.;  Cui, Y.;  Zhang, X.; Ge, Q.; Dong, J.; Zhao, X.,Vertical Flow Assay for Inflammatory Biomarkers Based on Nanofluidic ChannelA rray and SERS Nanotags. Small. 2020, e2002801.

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[10] Kalimuthu, K.; Lubin, B.C.;Bazylevich, A.; Gellerman, G.; Shpilberg, O.; Luboshits, G.; Firer, M.A. Goldnanoparticles stabilize peptide-drug-conjugates for sustained targeted drugdelivery to cancer cells. J. Nanobiotechnol. 2018, 16, 34.



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