3.3 金纳米粒子的生物效应及应用

金纳米粒子的生物效应及应用 1 金纳米颗粒的生物效应 1.1 吸附蛋白 由于具有较高的表面自由能，因此，金纳米颗粒会吸附血液中的蛋白，在其表面形成一层蛋白冕(protein corona)，以降低其表面的自由能。金纳米颗粒表面的蛋白冕可以分为硬蛋白冕(hard corona)和软蛋白冕(soft corona)。硬蛋白冕是指吸附在金纳米颗粒表面的内层蛋白，这一层蛋白的寿命大约有数小时，与周围环境中自由蛋白的交换很慢。软蛋白冕是指与金纳米颗粒作用力较弱的外层蛋白，其与周围自由蛋白的交换速度较快。表面吸附的蛋白在很大程度上决定了金纳米颗粒在体内的命运，包括在各器官及组织中的分布、细胞摄入和清除效率等。 金纳米颗粒的尺寸、形状、表面性质等会影响蛋白的吸附。而表面吸附的蛋白又进一步影响金纳米颗粒的电荷、流体力学尺寸等性质，进而影响金纳米颗粒与细胞的相互作用。 Walkey等人研究了不同尺寸、表面修饰PEG的金纳米颗粒(15 nm，30 nm，60 nm，90 nm)对血清蛋白的吸附，随着金纳米颗粒尺寸和表面PEG密度的增加，表面吸附的蛋白总量逐渐降低。Lacerda等人研究了不同尺寸、柠檬酸修饰的金纳米颗粒对血液中5种重要蛋白的吸附。随着金纳米颗粒尺寸的增加(尺寸不大于50 nm)，蛋白冕的厚度逐渐增加。表面电性也会影响血清蛋白的吸附。Deng等人研究了金纳米颗粒的表面电荷对蛋白吸附的影响。表面带正电和负电的金纳米颗粒对蛋白的吸附量高于电中性的金纳米颗粒。Hutul等人发现，表面带正电和负电的金纳米颗粒对人血清白蛋白的吸附量是相近的。Gagner等人发现，金纳米颗粒的形状影响其对溶解酵素(1ysozyme)和α-胰凝乳蛋白酶(α-chymotrypsin)的吸附。球形金纳米颗粒(11 nm)对两种蛋白的吸附量比金纳米棒(10 nm×36 nm)少一个数量级。两种金纳米材料表面积的差异可能是造成蛋白吸附量差异的原因，因为球形金纳米颗粒的表面积大约是520 nm2，而金纳米棒的表面积是1550 nm2。另外，球形金纳米颗粒较高的表面曲率也可能影响其对蛋白的吸附。Mahmoudi等人发现，超顺磁性氧化铁纳米颗粒表面金壳的粗糙度影响其对血液中蛋白的吸附。表面粗糙的金壳比表面平滑的金壳可以吸附更多的蛋白，原因可能是粗糙的表面与蛋白之间的范德华作用、氢键作用和静电作用更强。除了吸附量的差异，表面平滑和粗糙的金壳吸附蛋白的种类也有明显差异。 1.2 细胞摄入 Chithmi等人研究了HeLa细胞对不同尺寸、长径比的金纳米颗粒的摄入，包括直径为14、30、50、74和100 nm的金纳米球，以及尺寸为40×14 nm和74×14 nm的金纳米棒。将金纳米颗粒与HeLa细胞共孵育后，相比于其他尺寸的金纳米球，直径为50 nm的金纳米球的摄入量最高。两种金纳米棒的细胞摄入量都小于其对应尺寸的金纳米球，而且随着长径比的增加，金纳米棒的细胞摄入量逐渐下降。在另一篇文章中，Chithrani等人以转铁蛋白修饰的金纳米颗粒为模型，研究了不同尺寸的金纳米球(14 nm、50 nm)和不同形状的金纳米棒(20×30 nm、14×50 nm、7×42 nm)的细胞摄入水平和机制。同样发现金纳米球的摄入量高于金纳米棒。叠氮化钠和低温环境(4℃)可以有效抑制金纳米颗粒的细胞摄入，说明金纳米颗粒的细胞摄入途径是受体介导的内吞。进一步的研究表明，蔗糖和低钾环境可以有效抑制金纳米颗粒的摄入。因此，细胞对金纳米颗粒的摄入由网格蛋白介导。郝赛汀被广泛应用于乳腺癌的治疗，其可以与细胞表面的ErbB2受体结合。Jiang等人研究了郝赛汀修饰、不同尺寸(2 nm-100 nm)的金纳米颗粒在ErbB2受体过表达的乳腺癌细胞SK-BR-3中的摄入。其中25-50 nm的金纳米颗粒的细胞摄入量最高。金纳米颗粒的摄入导致细胞表面ErbB2受体的内吞，从而影响下游信号通路，并最终引起细胞死亡。 HeLa细胞和A549细胞对单分散状态、转铁蛋白修饰的金纳米颗粒摄入量高于聚集状态的金纳米颗粒。然而，MDA-MB-435细胞对聚集状态的金纳米颗粒摄入量反而高于单分散状态的金纳米颗粒。考虑到上述3种细胞系中，MDA-MB-435细胞表面转铁蛋白受体的表达量比其他两种细胞低。因此，除了受体介导的内吞，MDA-MB-435细胞还可能通过其他机制摄入转铁蛋白修饰的金纳米颗粒。

图3.2.2 表面带正电和负电的金纳米颗粒在巨噬细胞及非巨噬细胞中的摄入量。红色箭头宽度代表摄入量相对水平 Liang等人发现，在人结肠癌上皮细胞Caco-2中，表面带正电的金纳米颗粒(5、10、20 nm)的细胞摄入量高于相同尺寸下表面带负电和电中性的金纳米颗粒。Huhn及Freese等人在小鼠成纤维细胞3T3及原代人皮肤微血管内皮细胞中也观察到同样的规律。Liu等人对比了表面带正电及负电的金纳米颗粒在巨噬细胞和非巨噬细胞中的摄入。在非巨噬细胞HepG2中，表面带正电金纳米颗粒的摄入量远高于表面带负电的金纳米颗粒。然而在巨噬细胞洲264.7中，两种金纳米颗粒的细胞摄入量相近(图3.2.2)。 1.3 细胞凋亡 尽管金纳米颗粒具有相对较高的生物相容性，但是大量文献报道，不同尺寸、形状及表面性质的金纳米颗粒仍会产生细胞毒性，如细胞凋亡。外源性凋亡是由死亡受体超家族蛋白介导，如cD95以及肿瘤凋亡因子受体I。而内源性细胞凋亡主要由线粒体和内质网介导。 金纳米颗粒的尺寸影响其引起细胞凋亡的能力。直径为13 nm、柠檬酸修饰的金纳米颗粒可以引起兔关节软骨细胞凋亡，而3 nm及45 nm的金纳米颗粒则不会引起凋亡。在另一项研究中，直径15 nm的金纳米颗粒比5 nm的金纳米颗粒更容易引起人外周血淋巴细胞和小鼠巨噬细胞的凋亡。从这两项研究可以看出，相比其他粒径，直径为15 nm左右的金纳米颗粒更易引起凋亡。 金纳米颗粒的形状也会影响其引起细胞凋亡的能力。相比于三角形和球形，六角形金纳米颗粒更容易引起Calu-3细胞凋亡。另一项研究中，表面连接PEG的金纳米棒导致HacaT细胞内ROS水平的上升、线粒体膜电位的下降，并最终导致细胞凋亡，而mercaptopropane sulfonate(MPS)修饰的金纳米球(20 nm)对细胞存活率无明显影响(图3.2.3)。

图3.2.3 PEG修饰的金纳米棒引起HaCaT细胞凋亡，而MPS修饰的金纳米球无明显的细胞毒性 除了尺寸和形状，金纳米颗粒的表面电荷和疏水性也会影响其引起细胞凋亡的能力。正/负电配体修饰的金纳米颗粒(1.5 nm)可以引起人永生化表皮细胞HaCaT中caspase3表达水平的上调并导致细胞凋亡，而电中性配体修饰的金纳米颗粒则不会引起细胞凋亡。在另一篇文献中，负电配体修饰的金纳米颗粒(1-10 nm)可以引起人中性粒细胞凋亡。而正电配体修饰的金纳米颗粒却不能引起凋亡。两篇文章结论的差异可能是由于细胞系、金纳米颗粒尺寸的差异造成的。直径为20-25 nm的金纳米颗粒的疏水性可以调控人肺腺癌细胞A549的凋亡。疏水的金纳米颗粒更容易引起细胞凋亡。 基于文献报道，金纳米颗粒主要引起内源性细胞凋亡，包括线粒体和内质网介导的凋亡。其中，金纳米颗粒导致的细胞内ROS水平上升是线粒体介导的内源性凋亡的重要诱因。 2 金纳米粒子的广泛应用 纳米粒子所具有的小尺寸、高比表面积、良好的表面等离子体共振特性及催化等性能，在多个领域有着广泛的应用。但是由于其易团聚，因此通常在制备过程中使用聚合物材料包覆，获得聚合物修饰的金纳米粒子，在本章中这种聚合物修饰的金纳米粒子也将其归为金纳米粒子而非金纳米粒子复合材料。金纳米粒子的应用主要体现在以下几个方面： 2.1 生物医学 金纳米粒子具有良好的小尺寸和表面等离子体效应，金纳米粒子被广泛的应用于生物医学领域。金纳米粒子通过表面负载药物或光热治疗的方式实现癌症治疗。其中光热治疗是由于金纳米粒子能够吸收一定波长的光并产生表面等离子共振，因此光能会被转化为热能，进入细胞后能够破坏细胞的细胞膜，导致细胞凋亡，金纳米粒子用于光热治疗时，光热治疗的波长选择可以通过金纳米的尺寸控制。 金纳米粒子的光热效应在2003年被第一次报道用于癌症治疗，含二氧化硅核和金纳米壳的粒子修饰PEG后用于乳腺上皮癌的治疗。在El-Sayed和同事的工作中介绍了尺寸在40 nm，吸收峰在530 nm的金纳米球用于光热治疗的结果，金纳米球表面修饰了抗表皮生长因子受体的单克隆抗体使得金纳米球能被癌细胞特异性的吸附，将癌细胞在金纳米粒子溶液中孵育40分钟后，利用514 nm的激光照射后发现，HSC-3(人口腔癌细胞)和hoc-313恶性口腔鳞状细胞癌能被选择性的杀死。 金纳米粒子也被广泛的应用于免疫检测和生物成像中，利用金纳米粒子的高电子密度的特性，修饰后的金纳米粒子在细胞内特定位置聚集后的颜色实现检测。或者通过表面修饰特定的荧光染料，利用金纳米粒子的小尺寸进入细胞内实现细胞内的荧光成像。 2.2 传感检测 金纳米粒子在传感领域的应用主要基于金纳米粒子的表面等离子体共振效应，通过分子结合前后光谱的变化实现特定物质的传感，或者利用金纳米粒子的表面等离子体特性制备拉曼增强基底，在Qing-Hua Xu等人的工作中，通过对溶液中加入不同浓度的共轭聚合物实现了金纳米粒子的组装，通过控制组装体的长度获得了不同大小的吸收峰，将这种通过共轭聚合物组装的金纳米粒子用于拉曼增强基底，发现其检测强度是单纯的金纳米粒子聚集体的400倍。 2.3 分离科学 金纳米粒子用于分离的原理主要是利用金纳米粒子高的表面能或通过在金粒子的表面修饰不同的聚合物材料，修饰后的金纳米粒子在溶液中与材料接触后，聚合物表面的官能团与材料特定的官能团连接在一起后，然后通过金属粒子的电泳实现溶液中分子或物质的分离。在2001年，科学家首次利用金纳米粒子用于CE(电泳)分离。在2006年，金纳米粒子首次被用作蛋白质和酸的CE分离。而金纳米粒子用于DNA的CE分离更是人们研究的热点，特别是huang等人关于金纳米粒子在BGE和PEO的混合溶液中实现对DNA的电泳分离有着大量的研究。金纳米粒子也被广泛的应用与气相色谱和开管阳离子交换等领域。通过设计金纳米粒子不同的表面官能团能够实现液体中不同物质的分离，这种金纳米粒子在分离科学的领域仍旧有着巨大的发展空间。 2.4 催化领域 通常认为，金具有化学惰性，很难作为催化剂使用，因此金纳米粒子的催化性能一直未引起大家的重视，近年来关于金纳米粒子的催化的研究工作出现在1970s，Parravano等人报道了金纳米粒子用于NO的还原，但当时并未引起人们的注意，直到1989年，Haruta等人报道了将金纳米粒子负载到Co3O4、Fe2O3、或TiO2后具有较高的催化活性和分散性，能够实现CO的氧化后，金纳米粒子的催化性能引起了人们的注意，金纳米粒子在催化领域的应用得到了广泛的研究，发表了很多研究结果。 大量的研究发现金纳米粒子能够用于CO的低温氧化，NO的还原等领域。普遍认为，尺寸小于10 nm的金纳米粒子具有良好的催化效果，其催化性能随着尺寸的减小而升高，金纳米粒子高的表面活性使其具有催化性能，但这也导致金纳米粒子易团聚失活，因此常将其分散到其他材料中使用，如半导体氧化物，金属氧化物中使用，但负载型金纳米催化的高催化活性的机理仍是一个困扰。 2.5 光学和电子器件 金纳米粒子具有良好的三阶非线性响应，因此被用于添加到玻璃中制备各种不同的非线性光学器件，另外由于金纳米粒子也可以被用于制备存储器件，在Vignesh Suresh等人的工作中，通过三次组装的方式制备了均匀的金粒子聚集体复合物组装膜，使其具有通过金纳米粒子实现信息存储的能力，首先将尺寸在100 nm左右的金纳米粒子组装形成球状的聚集体后，进而与聚合物PS-b-P2VP的聚集体进行二次组装，获得的复合材料经过第三次的组装后