纳米生物医学是指将纳米技术运用到医学领域。靶向纳米治疗以其优势成为多种疾病的治疗新策略。来自美国西北大学的 Morgan 博士等阐述了靶向纳米治疗的转运载体、靶向策略及在外科领域的应用。文章发表在近期的 Annals of surgery 杂志上。
转运载体
纳米技术平台包括脂质体、树突状聚合体、聚合物胶束、生物可降解聚合物纳米粒子，富勒烯，金属纳米粒子和量子点（表 1）。这些工程纳米粒子的形状包括球形、椭球形，纳米管，纳米棒和纳米纤维。
表 1 常见转运载体
纳米技术的尺寸与内源性生物实体如红细胞、白细胞、血小板相仿（图 1）。因此能以一种大小依赖性的方式被动穿梭于细胞环境之间，并能在无毒剂量的条件下影响组织。如金纳米粒子能穿越血脑屏障和血肿瘤屏障。这一技术促进了多形性胶质母细胞瘤及其他脑肿瘤治疗的发展。
图 1 各种纳米颗粒的大小与已知的生物实体，如脱氧核糖核酸，蛋白质，细菌和红细胞
此外在某微环境中颗粒大小也影响细胞内化。鉴于此为了实现靶向治疗，需构建特定的内环境。比如金纳米颗粒表面功能化转运 Herceptin 的能力取决于颗粒大小，最佳直径在 25～50nm 之间。纳米粒子的几何形状也影响细胞内化率。
纳米级转运体特殊的分布和清除机制，使他们特别有利于工程操作和静脉注射。肾小球毛细血管壁筛分系数测量表明，肾脏首关消除的阈值是直径约 10nm。因此直径小于 5～10nm 的的纳米材料运载体能很快经肾清除。随着纳米级运载工具尺寸的增加，颗粒过滤并封存在脾和肝的单核吞噬细胞系统中。脾窦的窗孔滤过小颗粒而留住大的颗粒，从而使之存留更长时间。
肝巨噬细胞（Kupffer 细胞）在血液去除纳米颗粒中起到关键作用。纳米治疗经血管给药时，需要克服机体的固有免疫及单核吞噬系统，使载体能长久循环。单核吞噬细胞识别吸附在纳米颗粒表面的调理素蛋白。机体的调理作用和快速清除异体使纳米治疗运载系统失效。
为抵消这一作用，工程师设计了「隐形」运载体，可以逃避调理作用和延缓清除。对这些隐形纳米治疗的关键是表面修饰从而抑制调理素吸附到载体表面和补体激活。研究表明疏水性粒子较亲水性粒子更快发生调理作用，带电粒子同样快于中性粒子。鉴于此，开发出了中性亲水性聚乙二醇聚合物，能增加其在血管内的稳定性和提高循环时间。
Gref 等的研究表明，向小鼠注射 PEG 被覆的纳米核后，其在血液中的循环时间随着 PEG 的分子量增加而延长。PEG 被覆后，肝脏摄取纳米颗粒增加。静脉注射 5 分钟后，无 PEG 被覆的纳米颗粒 66% 被肝脏清除；而静脉注射 5 小时后，分子量为 20kD 的 PEG 被覆纳米颗粒少于 30% 被肝脏清除。伽玛显像证实，无 PEG 包覆的纳米微球在静脉注射 15 分钟后分布在肝脏和脾脏。而 PEG 包覆颗粒在血液中持续时间更长。
靶向策略
外科疾病纳米生物医学的最终目的是将治疗药物靶向应用于病变部位。纳米药物载体靶向运输到特定部位可以是主动过程或被动过程。纳米颗粒被动靶向依赖于纳米颗粒经病理性开窗的血管内皮细胞被动扩散，尤其易于通过炎症和病变内皮细胞的脉管系统。
正常情况下纳米颗粒不能通过连续性内皮，游离药物扩散很慢且非特异。在炎症和感染的情况下，内皮细胞变得非连续而渗漏，这就使纳米治疗成为可能。肿瘤的脉管系统与此类似。直径 8～150nm 的纳米颗粒能透过内皮细胞连接，并聚集在肿瘤微环境中。此外，肿瘤还缺乏有效的淋巴回流，进一步增加 EPR 效应。动物实验证明，肿瘤微环境中纳米颗粒的浓度是正常组织的 50 倍（图 2）。
图 2 血管扫描电镜图像。（A）至（C）正常毛细血管：（A）胰腺组织；（B）肠绒毛；和（C）肝血窦。（D）至（F）转移性肝肿瘤：（D）恶性肿瘤（T，圈出的区域）在正常肝组织（N）；（E）箭头显示高倍镜下肿瘤利用 EPR 效应通过肿瘤血管外渗；及（F）抗肿瘤药物和治疗沉积系统注射后肿瘤破坏；（G）纳米颗粒运载药物利用 EPR 效应通过肿瘤血管外渗
被动靶向的局限在于缺乏有效性和持久性。部分肿瘤胃癌和胰腺癌，纳米颗粒被动靶向效果较差。一些肿瘤的血流灌注较少，并且同一肿瘤组织内血管通透性千差万别。此外，一些表面功能化的运载体不能渗透内皮窗孔。
主动靶向是在纳米颗粒上配置靶向配体，后者能识别特异性表达于感兴趣部位的分子（图 3）。靶向配体包括天然存在的抗体、抗体片段和小分子。
图 3 具有靶向分子、有效载荷和成像造影剂的纳米颗粒载体
靶向配体还在运载体摄取机制中起重要作用，进而提高药物传递。脂质体纳米粒子（图 4）因其表面的靶向配体称为理想的运载体。免疫脂质体是第一个主动靶向体。Schnyder 等利用 OX26 抗体（转铁蛋白受体抗体）作为靶向部位，将其连接到包封达诺霉素的脂质体上增加药物脑内浓度和药物在脑组织的释放。
图 4 自组装纳米脂质体并封装有药物。
叶酸能很容易的连接到运载体上，被细胞摄取。叶酸盐受体为热门靶体。此外叶酸盐受体高表达于多种肿瘤细胞。叶酸已成为多种运载体的靶向配体，包括树枝状聚合物胶束、脂质体和超顺磁性氧化铁纳米颗粒。这些纳米颗粒被用来治疗动物上皮细胞癌、口腔癌、干细胞癌。
通常，天然存在的靶向配体在目标疾病区域是不存在的。因此，设计了靶向配体耦合到纳米颗粒上。如 Shi 等利用 VII 轻链上的 EGF-1 区域设计出一个靶向蛋白与组织因子结合。另一个合成靶向分子是核酸适配子。适配子能与 RNA 或 DNA 寡核苷酸选择性高亲和，且体积小、无免疫原性，成为一种理想的靶向配体。其他的靶向配体还有多肽结合序列（图 5）。
图 5 纳米粒子携带药物与有较高受体密度的癌细胞靶向结合高于癌旁正常组织
治疗策略
纳米靶向治疗最核心的部分是治疗药物。种类繁多的治疗药物使靶向纳米颗粒能用于多种外科疾病，如肿瘤化疗、基因治疗、疫苗的免疫治疗、出血的抗血栓治疗以及蛋白治疗。此外，纳米颗粒还可作为对比剂和荧光团用于成像和诊断。
运载体携带有效治疗荷载到病变部位，药物需持续释放。目前有两种主要的释放机制：外源性刺激时药物释放，如温度、pH。如热敏脂质体的纳米金棒携带多柔比星治疗小鼠胶质瘤（图 6）。在正常体温下脂质体复合物保持稳定，而在 43℃ 时被破坏并释放多柔比星。尽管外源性释放看起来很有前途，其缺点是需要外部应用兴奋剂，这就限制了在实质性肿瘤中的应用。
图 6 PEG 修饰的金纳米棒载体表面。应用外部刺激，如近红外光，使金粒子介导温度升高，随后在病变部位释放治疗药物
内源性触发器利用内部器官、组织乃至细胞内环境的差异来触发治疗药物的释放。肿瘤微环境较之人体其他部位，pH 值偏酸。pH 改变时触发药物释放的方法之一是通过改变纳米颗粒单体的多聚 L 乳酸比率。这样能使药物在 pH6.6-7.2 时释放。细胞器如脂质体 pH 值更低。雷公藤纳米颗粒表面被覆叶酸，能在 pH 为 6 时释放。
治疗有效载荷经常是纳米粒子本身。靶向性血管内分子依靠纳米粒子创建一个局部凝血反应，减少肿瘤血管出血或使之血栓形成。即使没有提供治疗药物，纳米治疗在外科肿瘤领域中也有巨大的应用，它们能增强化疗效果或作为新辅助治疗。在创伤领域手术能提高止血效果。
靶向治疗还被用于运载对比剂增加成像技术，Seo 等以动脉粥样硬化斑块处巨噬细胞为靶点设计了一种 PET/CT 靶向对比剂。类似的还有 Li 等在脑部肿瘤可视化方面的尝试。这些靶向纳米治疗的在成像领域的应用能帮助诊断疾病，并在术前及术中更精确定位。
多模式治疗策略
随着科技的进步，靶向纳米治疗的新目标是将功能整合到复杂系统中，如治疗诊断学。
举个例子，Yang 等设计了一种聚合物纳米囊泡，不仅能以 pH 敏感的方式释放多柔比星，而且能作为磁共振对比剂。其他的例子还有 Bagalkot 等设计的脂质乳胶纳米颗粒，能特异性被验证部位的 M1 巨噬细胞摄取。这些纳米颗粒封装了脂溶性药物，并被钆标记。
总之，靶向纳米治疗是一种有潜力，能作为外科疾病的治疗新平台，并展现出美好前景。
