孙洋,李光鹏,梁宏杰,石力豪,马兴萌,张存超,曹骏腾,李秀芳*

(1.菏泽学院 药学院,山东 菏泽 274015;2.青岛农业大学 海洋科学与工程学院,山东 青岛 266200)

近年来,我国各种疾病的发病率和死亡率正逐年上升。就目前来讲,在众多疾病类型中,肿瘤已经成为危害我国人民身体健康的主要疾病之一。当前,我国治疗肿瘤的主要方式还是通过非特异性的传统治疗方法,例如:手术、化疗、放疗等。但这些非特异性传统治疗方式无法从根本上治疗无限增殖的肿瘤细胞,而且会对正常组织细胞产生毒副作用。为减少非特异性传统治疗方式给患者带来的毒副作用,并能达到特异性治疗的目的,科学家们经过夜以继日的研究,发现可以通过靶向治疗的方式来实现该目的。20世纪90年代后期科研工作者们研究出靶向治疗的方式并且在治疗某些类型癌症上取得了较好的效果,虽然与化学治疗一样能够有效地治疗癌症,但化疗有漫长的治疗周期和毒副作用,相较于化疗来说,其治疗周期和毒副作用明显降低。靶向治疗的原理是使特异性治疗药物进入机体内,与体内致癌的肿瘤细胞发生特异性结合,使肿瘤细胞死亡。因介孔二氧化硅纳米颗粒具有可调节均匀的粒径、无毒、可控制的孔径、高比表面积以及物理、化学稳定性等特性,所以在医药学上常用做靶向药物载体来治疗肿瘤。

1 介孔二氧化硅的介绍

介孔二氧化硅纳米粒(mesoporous silica nanoparticles,MSNs)是一种粒径为 0.01～0.6 μm、孔径为0.002～0.05 μm 并具有粒径均匀可控、表面易修饰、无毒、优良的生物相容性、极大的比表面积等独特优良性能的二氧化硅粒子。

1992年Mobil公司的Kresge 等科学家[1]提出了模板的概念,以季铵盐型阳离子表面活性剂为模板,在碱性条件下(pH值>7)制备出具有高度有序孔道结构特性的MCM-41型介孔二氧化硅,MCM-41作用机制如图1,这受到社会各行业的广泛关注,应用在农业、工业、生物学、医药学等科研领域。

图1 MCM-41形成的机制

1.1 介孔二氧化硅的种类

依照国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)的定义,根据多孔材料的孔径大小可将其分为以下三类,分别为微孔材料、介孔材料、大孔材料,孔径大小分别为(<2,2～50,>50 nm)。常见的介孔二氧化硅材料有SBA、MCM、MSU和TDU等系列[2]。其中以孔径有序可调、比表面积大(>900 m2/g)的MCM系列技术最为成熟。MCM系列分子筛主要有三种类型如图2所示。

1.2 介孔二氧化硅的制备

自1992年,Mobil公司的科学家[3]研究制备出具有高度有序孔道独特结构的MCM-41型介孔二氧化硅以来,各种具有高度有序孔道独特结构型号的介孔二氧化硅也被相继研发出来,并且应用于各个领域,例如:催化、吸附、分离等。

制备介孔二氧化硅的方法非常多,例如溶胶-凝胶法[4],其主要是将95%的乙醇与硅酸酯按一定的比例混合成均匀的混悬液,并且加入去离子水不断搅拌以便于调节溶液的pH值,再加入十六烷基三甲基溴化铵(hexadecyl trimethyl ammonium bromide,CTAB)为表面活性剂,制成MSNs。但是,一般的介孔二氧化硅材料不易被肝脏和脾脏等器官代谢,经过科学家们研究发现,表明机体想全部代谢清除MSNs需要一个月左右的时间,若服用时间间隔小于代谢时间,容易在机体发生代谢的器官内蓄积,当蓄积到一定程度时会对机体各组织器官产生毒副作用[5]。

正所谓结构决定性质,我们可以通过改变二氧化硅纳米粒子的孔径大小、粒径、表面形态及内部形态等可以很容易地控制它们的功能及其性质,如图3[6]。

图3 MSN的功能与其属性之间的关系

因一般的MSNs不易被机体代谢,所以可降解的介孔二氧化硅材料作为前景光明的药物载体应运而生,可降解的MSNs因其独特的生物降解性使其在诊断机体疾病与治疗疾病方面发挥了重要的作用。

2 介孔二氧化硅在生物医药方面的应用

2.1 用于疾病的诊断

据报道,吸附在固体材料上的脱氧核糖核酸(DNA)可应用在对机体疾病的基因诊断、传递和生物传感器等方面。作为性能优良药物载体的介孔二氧化硅材料,因其具有大于900 m2/g的比表面积,可以用来作为脱氧核糖核酸的吸附剂[7]。介孔二氧化硅也可以作为核磁共振造影剂应用于诊断疾病[8]。张泽芳[9]合成小粒径的二氧化硅-共聚物杂化纳米体系(SNP),构建了近红外发光纳米探针,用于小动物全身成像和淋巴结成像(图4),未来经过进一步的改良可以在诊断人类疾病的领域有更大的发展。

图4 M507@SNP的构建过程和活体成像示意图

2.2 用于疾病的治疗

2.2.1 肿瘤治疗

纳米制剂和一般药剂比较,有着提高药品消融率、提高药品稳定性、缓释控释药物等诸多优点。现今纳米技术的发展强劲,纳米药物也在各医疗领域,如抑制肿瘤药品开发中日益发展,许多纳米外用制剂药品也已经得到审批上市,并呈现出了良好的使用前景。而目前,随着科学技术水平的日益提升,纳米载药体系也在进一步的发展完善,科研人员不断研发出适应不同药物递送的载体,其中最受科研人员关注和给予最大期待的是介孔二氧化硅纳米粒(MSNs)药物递送载体。

MSNs具有优异的药物负载能力以及良好的生物相容性及降解能力,可以在一定程度上减小药物的毒性同时可以延长药物在体内的循环时间并且还可以提升作用速度。另外,在治疗肿瘤方面可以将化疗药物装载到MSNs中,其中以装载阿霉素(DOX)最为常见;一方面,由于DOX作为单一化疗药物t1/2短并且还有严重的副作用,例如:骨髓造血功能抑制、心脏毒性等;另一方面,由于恶性肿瘤发生的位点有着数目极多的血管、管壁的缝隙相对于身体正常部位间隙较宽,所以用MSNs来当做阿霉素的药物载体,可以轻而易举地透过肿瘤血管到达发生肿瘤的部位,在肿瘤部位控释、缓释药物来杀伤肿瘤细胞,如图5。

A: 24 h; B: 48 h; a: P<0.05,b: P<0.01,与DOX比较。图5 不同浓度的阿霉素和介孔二氧化硅纳米药物孵育T24细胞不同时间后细胞活性变化[10]

2.2.2 抗菌治疗

用绿色方法制备新型二氧化硅@银纳米颗粒微球(SiO2@Ag)复合材料(SiO2@Ag NPs),该复合材料以用了含有硫醇的二氧化硅复合微球作为主体材料,能够主动吸收并还原银离子、使之成核而形成纳米粒子,因未采用高分子分散剂作为银纳米粒子的稳定剂,只在裸露的表层进行了反应,所以具备较大的反应潜力;沈启慧[11]通过研究不同质量浓度下NPs环境下大肠杆菌的时间失活曲线,表明,该SiO2@Ag复合材料具有优良且持久的抗菌活性,并且该材料易分离、可不断重复使用、抗菌活性衰减较其他材料速度慢。成程[12]以正硅酸四乙酯为硅源、表面活性剂CATB为导向剂制备出m-SiO2,再以m-SiO2为载体通过光还原法制备m-SiO2/Ag复合材料,试验结果表明该复合材料对EC(大肠杆菌)、SA(铜绿假单细胞菌)、PA(金黄色葡萄球菌)的抑制作用均随着银的含量增大而增大,对G+抗菌效果比对G- 更强,如图6。

图6 m-SiO2/Ag复合材料作用下细菌生长曲线

另外,基于当前科研水平的提高,将金属元素(Au、Ag等)与MSNs结合在一起成为当代研究的热门方向。其可用于医学影像、抗菌治疗等方面。将具有抗菌性能优异、表面可修饰、分子识别等特性的金纳米粒子与银纳米粒子引入到具有粒径均匀可控、表面易修饰等独特性能的MSNs中,实现“强强联合”,合成后可将抗菌药物载入到此复合材料中,将大大地提高药物的生物利用度。

2.2.3 用于其他疾病的治疗

Wang Jianguo[13]通过试验方法制备脂质体纳米粒(LA-LPNs),并对其进行药物释放和稳定性试验,试验结果表明脂质体纳米粒可作为局部麻醉治疗中利多卡因有效药物载药系统。Asima Farooq[14]采用血管功能的体外模型,对二氧化钛涂层改善MSNs的生物相容性和释放动力学进行了表征,结果表明二氧化钛涂层明显改善了MSNs的生物相容性,改变了药物释放动力学,可用于治疗心血管疾病。Jiang Fen[15]将介孔二氧化硅颗粒首先被接枝上氨基,在介孔孔道表面配位金属离子后,胰岛素通过与金属离子的配位键负载到介孔二氧化硅颗粒上;通过考察pH响应值的影响因素,确定其可作为胰岛素的pH值敏感释放载体,图7为葡萄糖刺激响应型介孔二氧化硅的控制释放体系。

图7 葡萄糖刺激响应型介孔二氧化硅的控制释放体系[16]

2.3 控制药物释放

由于介孔二氧化硅材料具有较大孔径的孔道,所以Vallet将消炎药布洛芬置于其中,结果表明介孔二氧化硅硅材料可以有效地发挥药物载体的作用并且具有减缓药物释放的能力,这开创药物使用介孔二氧化硅材料作为载体的先河[17]。MSNs无论是对分子量或大或小的药物、不同的疏水性核酸、蛋白质等都有良好的载物能力。使用MSNs负载药物是因为其具有良好的生物相容性,MSNs不会与机体内的必需或非必需的化学物质发生相互作用,并且其硅羟基可以更好地在水中分散。

高艳等[18]开发了一种新型的光热和氧化还原响应药物传递载体,她主要通过用石墨烯量子点(Graphene quantum dots,GQD)封盖介孔二氧化硅纳米粒子(MSN)。通过胱氨酸和氨基官能化的MSN之间的酰胺化反应引入二硫键,罗丹明B(Rhodamine B,RhB)作为一个红色的荧光染料,被装载在了介孔二氧化硅纳米粒子的中孔中成为了模型药物,而多种石墨烯量子点也被封装在了介孔二氧化硅纳米粒子上,可以有效抑制罗丹明B的释放。透射电镜(Transmission electron microscope,TEM)、氮吸附和解吸分析、X 射线衍射(Diffraction of X-rays,XRD)、热重分析(Thermogravimetric,TG)和傅里叶变换红外光谱(Fourier-transform infrared spectroscopy,FT-IR)均证明,成功制备了由 GOD 封端的纳米复合材料 MSN,如图8所示。因其具有明显的二硫键对谷胱甘肽(Glutathione,GSH)的氧化还原反应,因此负载的药物可以可控地释放。该药物递送系统可以被认为是药物递送和刺激响应释放的先驱者。林[19]在骨科钛板表面的二氧化钛纳米管阵列中填充MCM-41型MSNs,这种复合型载体较单纯的二氧化钛纳米 管阵列具有更大的比表面积,能将骨科钛板表面的载药能力提高到一个新层次,同时降低阿磷酸钠(ALN)在骨科钛板表面的缓释速率,如图9所示。

图8 由GOD 封端的纳米复合材料的解析图

图9 TiO2阿仑酸钠在不同纳米管阵列的释放速率

作为生物相容性良好的载体,药物还未到达靶向细胞或组织细胞之前不会提前释放药物分子,这种新型靶向药物传递系统能够将有效剂量的药物分子运送到需要发挥药物作用的机体组织[20]。介孔二氧化硅材料对磷脂组织有强有力的亲和力,因而会被用于加强药物传递系统的生物相容性,由此能够有效地控制释药能力[21]。由于人体内环境为弱碱性环境,所以对于pH响应性MSN材料已经成为当前研究的热点话题,Su Qiaoling[22]以PBS(磷酸盐缓冲溶液)为释放介质,将DOX包载于具有均匀孔道结构的MSN材料中,结果表明,在pH值较低的环境下,药物释放速度快,随着pH值的不断升高,药物释放速度不断减慢,这一研究结果为控制药物释放研究提出了新的思路。

2.4 改善药物溶出度

随着当代世界的科技发展与进步,许多新药被研发出来,但是许多新药表现出较低的溶解度。经过不断的研究发现[23],纳米材料可极大增强药物的溶解度,其中的机理是由于二氧化硅纳米粒子具有大的表面积和较大的孔隙,可以尽可能的多储存难溶性药物,并且可以根据不同的需要改变介孔二氧化硅材料大小和形状。介孔二氧化硅粒子[24]具有无毒性和良好的生物相容性是因为在机体内部介孔二氧化硅纳米粒子会被降解为硅醇基,可以轻松的从主体内移除。介孔二氧化硅纳米粒子具有较大孔径的孔道,这为难溶性药物以分子态或者无定形态吸附提供了空间,使难溶性药物得到良好的溶解度和溶出速率,进而提高药物的口服生物利用度。介孔二氧化硅的硅醇基能和药物分子间产生氢键效应,将药物粉末转移、润湿,并可使它由晶态转化为非晶体;与晶态比较起来,非晶体药物分子的自由能和转化率都更高、更大,而具有低空间位阻的介孔材料则能够降低或抑制非晶体药物的重结晶,进而改善药品的溶解性并增加了药品的溶出速度。

伊曲康唑(Itraconazole,ITZ)作为一种结构为三氮唑类型的药物[25],其具有抗真菌的作用;伊曲康唑具有非常高的晶格能,使其难以裂变为分子状态,从而使其水溶性大大降低。伊曲康唑具有良好的胃肠穿透性,能够很好地被进入血液循环从而被人体吸收,但溶解性非常差,此药物的生物利用度主要由其溶出度来决定的。Liu Xiao[26]通过模拟在胃液的环境,将伊曲康唑负载于介孔二氧化硅中,经过XRD(X射线衍射)表征,结果发现当负载量为23%时,药物能以无定型的状态负载于介孔材料中,且增溶释放效果较好(如图10),今后的研究方向可以以介孔二氧化硅材料负载量对溶解药物溶出度的影响为中心展开。

图10 伊曲康唑在介孔材料中的负载和释放示意图

3 结语

MSNs具有介孔和纳米材料的双重功能,以无毒、高载药量而知名并在生物医药领域表现出独特的应用前景。就个人而言,现如今的研究主要有两个热门方向:其一是主要基于经典的MSNs在形态、结构、生物相容性和生物降解性、表面修饰等方面进一步精细设计,从而得到性能更佳的、功能更强的MSNs。其二是以MSNs的基本结构为基础,进一步研究从而发现介孔结构的多重结构及其多重功能。

总而言之,MSNs目前还有很多优点和缺点等待着科研工作者不断探索和改进。相信在未来科学研究的发展中,介孔二氧化硅纳米颗粒会被更广泛的应用于各种领域。