纳米金刚石材料在生物医药领域中的应用.docx

纳米金刚石材料在生物医药领域中的应用孙陶利1雁2倪京满1 *730000 )彭1 ( 兰州大学药学院，兰州2 ( 甘肃金石纳米材料有限公司，兰州730000 )摘 要: 纳米金刚石是一种具有生物相容性、低毒性、荧光效应等特性的纳米惰性材料，近年来逐步在药物载体材料、生物成像工具、荧光探针材料以及量子探针等生物医药领域突显出其愈来愈重要的作用。 本文从蛋白质的分 离与纯化、细胞标记与生物成像、基因传输与治疗、对免疫系统的作用、癌症诊断与治疗、药物传输与治疗、生 物 传 感等角度综述了纳米金刚石材料在生物医药领域中的应用现状及主要发展态势，对于将纳米金刚石应用于生物医 药领域的学者有重要的参考价值。关键词: 纳米金刚石; 药物传输系统; 生物医药; 应用中图分类号 R318文献标志码 A文章编号 0258 -8021 ( 2012 ) 03 -0451 -05Application of Nanodiamonds in BiomedicineSUN Tao-Li1PENG Yan2 NI Jing-Man1 *1 ( School of Pharmacy，Lanzhou University，Lanzhou 730000 ，China)2 ( Gansu Gold Stone Nano Material Co ，Ltd，Lanzhou 730000 ，China)Abstract: Nanodiamond is an inert material that has been proved to possess biocompatibility，low cytotoxicityand fluorescence effect In recent years，nanadiamond gradually highlighted its increasing important role in biomedical field such as drug delivery system，bio-imaging tool，fluorescent probe carrier，quantum probe This article mainly reviewed the current situation and development trend of nanodiamond in biomedicine application from the prospective of isolation and purification of protein，cell maker and biological imaging，gene transfer and treatment，the effect on immune system，drug delivery and treatment，diagnosis and treatment of cancer， bio-sensingKey words: nanodiamond; drug delivery system; biomedicine; application感器和电化学领域得到了广泛的应用1 2。Geriner 等于 1988 年用爆炸的方法合成纳米金 刚石的同时确定了其物理结构以及化学键连接3。 之后，又有很多研究证明由爆炸技术合成的纳米金 刚石颗粒表 面 有 许 多 化 学 基 团，主 要 包 括 羧 基、内 酯、羟基、酮和烷基基团等，这些基团经过化学修饰 后，其表面会提供一个供生物分子或小分子化合物 结合的独特平台4 5。近年来，随着科学家对纳米金刚石生物学性能 的研究，发现纳米金刚石具有良好的生物相容性、低引言金刚石为碳 的 同 素 异 形 体，俗 称“金 刚 钻”，也 就是我们常说的钻石，它是一种由纯碳组成的矿物， 属原子晶体，金刚石是自然界中最坚硬的物质。 纳 米金刚石就是粒径在 1 nm 100 nm 范围内的金刚 石，是碳纳米家族中的一个新的重要的成员。 纳米 金刚石具有硬度大、光学透明性、热传导性、电绝缘 性、耐高压和抗风化等物理学特性，这些独特的性质 使得它在涂料、润滑油、聚合物添加剂、电子器件、传doi: 10 3969 / j issn 0258 -8021 2012 03 022收稿日期: 2011 -11 -25 ，录用日期: 2012 -04 -07基金项目: 甘肃省中医药重点项目( GZK-2009 -1 )* 通信作者。 E-mail: nijm lzu edu cn中 国 生 物 医学 工 程 学 报31 卷452毒性和具有荧光但无光致漂白等特性6 9。 纳米金刚石的这些优良生物学特性、化学惰性以及它表面 基团的可修饰性，使得它在生物医药领域的应用得 到了许多科学家的广泛关注。 已有研究报道，纳米程中，纳米金刚石不仅不干扰纺锤体的形成和染色体的分离，而且能够近似的分成两半到每个子细胞 中去19。 Mkandawire 等研究了将绿色荧光纳米金 刚石与免疫复合物结合后，在不同的转染试剂的作 用下进入活细胞中进行标记的特性20，实验结果表 明，纳米金刚石与适当的抗体结合后可选择性地靶 向进入细胞内的某个结构，如线粒体等，而且纳米金 刚石的荧光 不 同 于 细 胞 本 身 的 荧 光。 Chao 等 将 溶 菌酶吸附到羧 基 纳 米 金 刚 石 表 面 后 形 成 溶 菌 酶-纳 米金刚石复合物，该复合物与大肠杆菌相互作用时， 不仅表现出了较高的抗菌活性，而且可以通过非入 侵性拉曼光谱的方法检测到纳 米 金 刚 石 的 拉 曼 信 号，使得该相互作用通过拉曼信号而可见21。大量研究表明，在细胞水平上，纳米金刚石与某 些蛋白质、小分子化合物结合进入细胞后，不仅能够 用于生物成像，而且可发挥一定的生物活性。 例如， 羧基纳米金刚石作为一种可见 的 生 物 成 像 工 具 与 -金环蛇毒素静电结合后，可显示一定的阻止目标 细胞中 7 -烟碱型乙酰胆碱受体功能的活性22。 荧 光羧基纳米金刚石可作为一种靶向的荧光探针与转 铁蛋白上的氨基共价结合，得到的荧光纳米金刚石- 转铁蛋白复 合 物 ( FND-Tf ) ，能 与 Hela 细 胞 表 面 过 度表达的转铁蛋白受体相互作用，起到特异性靶向 生物成 像 的 作 用23。 Chang 等 制 备 的 具 有 荧 光 和 磁性双重功能的荧光磁性纳米金刚石，能够通过内 吞作用进入 HeLa 细 胞，因而，它可作为生物成像的 载体将 DNA、酶、药物等转运到细胞内发挥作用24。 除了细胞水平上研究荧光纳米金刚石生物成像的作用外，也有研究报道荧光纳米金刚石可用于体 内生物成像。 Mohan 等将荧光纳米金刚石以喂养和 微量注射的方法转入野生线虫体内，并通过多项实 验研究了荧光纳米金刚石与宿主机体的相互作用， 该项研究表明荧光纳米金刚石可用于活体动物细胞 以及发育过程中长期跟踪和成像的荧光探针25。以上实验结果显示出纳米金刚石在细胞标记与 生物成像的研究方面具有很重要的应用价值，它可 以用于癌细胞与干细胞的标记与追踪，也可以作为 与细菌或细胞相互作用的荧光探针，同时，在细胞水 平上，它还可以作为生物成像的载体将生物活性物 质转运到细胞内发挥作用，而且可以用于体内的生 物成像。10 11 12DNA 、阿 霉 素 、酶、胰 岛金 刚 石 能 够 和素13、细胞色 素 C14、生 长 激 素15 和 抗 原16 等 通过共价键或非共价键的方式结合，作为一种潜在生 物成像工具、荧 光 探 针 材 料、药物转运工具而发挥 作用。纳米金刚石的诸多优良特性，使得它成为研究 的热点。 目前，纳米金刚石除了在涂料、润滑油、聚 合物添加剂、电子器件、传感器和电化学领域的应用 外，在生物医药领域应用的研究方面也取得了突破 性进展。1纳米金刚石在生物医药领域的应用蛋白质的分离与纯化纳米金刚石有较大的比表面积，表面覆盖着羧 基、内酯、羟基、酮和烷基等多种化学基团，对蛋白质 有着很高的亲和力5 ，17，因而 可 用 于 蛋 白 质 的 分 离 和纯化。Bondar 等用 爆 炸 技 术 合 成 的 纳 米 金 刚 石 分 离 纯化了大肠杆菌细胞提取物中的重组荧光素酶和重 组 Ca2 + 激动蛋白质 apoobelin，并阐述了纳米金刚石 与蛋白质相互作用的机制17 18。 与传 统 的 色 谱 方 法分离纯化蛋白质相比，用纳米金刚石分离纯化蛋 白质具有以下优点: 简化了纯化蛋白质的过程; 将分 离蛋白质的时间减少到了 30 40 min; 消除了使用 特殊的色谱设备的必要性; 使制备高纯度、高产量的 apoobelin 与荧光素酶成为可能18。 因此，纳米金刚 石的使用将 会 开 辟 一 种 新 的 分 离纯化蛋白质的方 法，该方法不仅能够减少分离纯化的时间，而且能够 简化过程，给科研工作人员带来方便。1. 11. 2细胞标记与生物成像荧光细胞标记物在生命科学领域扮演着重要的角色，但许多可用的标记物在物理、光学以及毒性方面都存在着一定的缺陷。 纳米金刚石作为一种新型 的碳纳米材 料，具 有 化 学 惰 性、有荧光但无光致漂 白、无毒性的优势，可用于细胞标记与生物成像。Liu 等研究了不同类型的细胞对纳米金刚石的 摄取能力以及纳米金刚石对细胞分裂和分化过程的 影响19。 实验结果 表 明羧基 纳 米金刚石在细胞分 裂和分化过程中没有毒性，它不改变细胞生长能力 以及细胞周期介导蛋白的水平。 在细胞有丝分裂过生物传感生物传感 器 是 一 种 利 用 生 物 物 质 ( 如 酶、蛋 白 质、DNA、抗体、抗原、生物膜、微生物、细胞等) 作为1. 3孙陶利，等: 纳米金刚石材料在生物医药领域中的应用3 期453识别元件，将生化反应转变成定量的物理化学信号，从而能够进行生命物质和化学物质检测和监控的装 置。 随着纳米金刚石应用范围的扩大，许多研究人 员发现了它在生物传感方面的应用价值。葡萄糖生物传感器能够简单迅速的进行疾病诊 断，对治疗糖尿病有重要意义。 非掺杂的纳米金刚 石修饰的金 电 极 可 作 为 一 种 电 化学的葡萄糖传感 器。 在这一研究中，纳米金刚石粒子包裹在金电极 的表面，然后将葡萄糖氧化酶固定在纳米金刚石表 面，纳米金刚石预先修饰电极的阳极，不仅能够提高 电子在纳米金刚石芯片中转移的速率，而且能够显 著的改善溶解氧的减少。 这一发现可以通过监测氧 减少的电流变化来检测负电位的葡萄糖。 该葡萄糖 传感器在普通干扰物如抗坏血酸( AA) 、对乙酰氨基 酚( AP) 和尿酸( UA ) 的存在下，能够选择性的对葡 萄糖进行电化分析26。Liu 等报道了将溶菌酶作用化的纳米金刚石固 定在硅模板上作为生物传感芯片的一种新的方法和 技术27，实验结果表明与纳米金刚石结合的溶菌酶 仍然保持着抗大肠杆菌的活性。当纳米金刚石的一个原子被氮原子取代从而形 成一个氮 空 缺 ( NV ) 中 心 时，它 就 具有一定的弱磁 性，利用核磁共振的原理，纳米金刚石可作为一种优 于量子点的量子探针材料探测生命过程28。由于纳米金 刚 石具有体积微小、无 毒 性、弱 磁 性、功能化修饰的多样性等优点，使得纳米金刚石在 生物传感器方面将会有广阔的应用前景。径，纳米金刚石可以与药物以共价键或非共价键的方式结合，作为药物传输工具将药物转运到靶细胞 或靶器官而发挥作用。转铁蛋白与荧光纳米金刚石共价结合后能通过 受体介导的内吞作用进入细胞，其摄取机制是一种 温度、能量、网格蛋白依赖的途径，从而纳米金刚石 可作为一种特殊的细胞摄取与药物传输的工具32。 除了受体介导的机制外，胰岛素以非共价的方式吸 附到纳米金刚 石 表 面，可 作 为 一 种 pH 依 赖 的 蛋 白 质传输工具，其中胰岛素的释放是可调的，并保留着 原有活性13。 有 些化合 物具有治疗某些疾 病 的作 用，但其弱的水溶性限制了其在疾病治疗方面的应 用。 纳米金刚石能够提高难溶性化学治疗药物在水 中的分散性，这表明纳米金刚石可作为一种水不溶 性化合物的转运工具33。从以上的研究可以看出，纳米金刚石不仅能够 作为有效的转运载体，而且其转运机制也比较明确。 因此，可以进一步拓展其作为载体在生物医学领域 中的应用。癌症诊断与治疗纳米粒表面能够提供各种各样的化学基团，供 多种癌症诊断与化疗药物以共价键或非共价键的方 式结合，据此去设计和开发具有多功能化学基团的 纳米粒并用于肿瘤同步成像与治疗，已经成为目前 癌症药物研究的主要目标。 一些研究表明，抗癌药 物与纳米金刚石连接后能够减少毒副作用，提高靶 向性，并表现出较强的抗癌活性。 如紫杉醇与表面 修饰的纳米金刚石共价连接以后，其抗癌活性比单 独紫杉醇的 抗 癌 活 性 要 高34。 顺 伯 与 纳 米 金 刚 石 可以以非共价键的方式结合，且研究表明顺伯-纳米 金刚石复合物为一种 pH 应答的抗肿瘤药物释放系 统35。10 -羟基喜 树 碱 是 一 种 重 要 的 抗 癌 药 物，但 是它的弱水溶性限制了其在临床治疗方面的应用。 将 10 -羟 基 喜 树 碱 与 纳 米 金 刚 石 结 合 后 形 成 的 10 - 羟基喜 树 碱-纳 米 金 刚 石 复 合 物，在 体 外 对 Hela 细 胞的毒性要 比 单 独 10 -羟 基 喜 树 碱 的 毒 性 强，因 此 它不仅改善 了 10 -羟 基 喜 树 碱 水 溶 性 差 的 问 题，而 且提高了该药物的抗癌活性，减少了对正常细胞的 毒副作用36。 Edward 等将临床上常用的化疗药物 多霉素与纳米金刚石结合后，采用小鼠模型研究了 纳米金刚石-多霉素复合物对小鼠肝癌，乳腺癌的化 疗效果37，结果表明，多霉素与纳米金刚石结合后， 不仅克服了耐药性，而且提高了化疗药物的安全性 以及化疗效果。1. 6基因传输与治疗基因传输与治疗的目的，是引入外源基因以补 充缺陷基因或为体内提供更多的生物功能29 30。Zhang 等设计了一种新型的低毒性的基因传输 工具29，即: 800 Da 聚 乙 烯 亚 胺 ( PEI ) 修 饰 的 纳 米 金刚石( ND-PEI800 ) ，DNA 可通过氢键或静电 作 用 固定在 ND-PEI800 上，然后被转运进入细胞。 与其 它基因转运 载 体 相 比，ND-PEI800 对 荧 光 素 酶 质 粒 和绿色荧光蛋白质质粒都表现出了较高的转运效率 以及较低的毒性。 之后，该小组就纳米金刚石-聚乙 烯亚胺的杂化物( ND-PEI800 ) 对小分子 siRNA 的转 运效果进行了研究，证明在含血清培养基的生物条 件下 ND-PEI800 对 siRNA 其 转化效率要比脂质体 高31。 因而，纳米 金 刚 石 可 成 为 一 种 快 速 的、可 扩 展的、广泛适用的基因传输工具。1. 5药物传输与治疗纳米技术为 药 物的传输提供了新的方式和途 1. 4中 国 生 物 医学 工程 学 报31 卷454由此可以看出，纳米金刚石在癌症的诊断与治疗方面有着极大的应用前景，值得探索与思考。3 Greiner NR， Philips DS， Johnson JD， et al Diamonds indetonation soot J Nature，1988 ，333 ( 2 ) : 440 442 Zou Qin，Li Yanguo，Zou Lianghua，et al Characterization of structures and surface states of the nanodiamond synthesized by detonation J Materials Characterization，2009 ，60 ( 11 ) :1257 1262 Korolkov VV，Kulakova II，Tarasevich BN，et al Dual reaction capacity of hydrogenated nanodiamond J Diamond and Related Materials，2007 ，16 : 2129 2132 Liu KK， Cheng CL， Chang CC， et al Biocompatible and detectable carboxylated nanodiamond on human cell J Nanotechnology，2007 ，18 ( 32 ) : 1 10 Vaijayanthimala V， Tzeng YK， Chang HC， et al The biocompatibility of fluorescent nanodiamonds and their mechanism of cellular uptake J Nanotechnology，2009 ，20 :1 9 Schrand AM ， Huang H， Carlson C， et al Are Diamond nanoparticles cytotoxic? 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