【原】癌症治疗中的金纳米颗粒

昵称64940796 2021-12-24

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癌症治疗中的金纳米粒子

摘要：几个世纪以来，人们一直在研究胶体金在医学中的潜在应用。然而，各种金纳米粒子的合成和评价直到最近才引起了科学家们的广泛兴趣。目前的研究证实了纳米金相对于不同纳米材料的众多优势，这主要是由于高度优化的方案用于生产无数大小和形状具有独特特性的金纳米颗粒。用不同的靶向和功能化合物修饰纳米金颗粒表面的可能性明显拓宽了其潜在生物医学应用的范围，特别是在癌症治疗方面。功能化的金纳米粒子表现出良好的生物相容性和可控的生物分布模式，这使其成为创新疗法准则的非常理想的候选者。考虑到有关纳米金的大量科学数据，本综述总结了金纳米粒子在医学应用领域治疗癌症的最新进展。

关键词：金纳米粒子、纳米金、纳米技术、纳米医学、癌症治疗、癌症疗法

介绍

癌症是一组以无限制、随机细胞分裂和侵袭性为特征的遗传疾病的总称。癌症的发展通常是由原癌基因、肿瘤抑制基因和参与 DNA 修复的基因表达模式的突变或改变引起的。促凋亡信号传导的破坏和促进细胞生长和补充的多种蛋白质的过度表达阻碍了有效抗癌治疗的发展。¹大多数癌症是由环境因素的影响引起的，例如暴露于辐射和污染物，但最重要的是因素是不健康的生活方式，包括缺乏体育锻炼、饮食不均衡、吸烟和压力。只有 5-10% 的癌症病例与遗传基因有关。^2,3患癌症的风险随着年龄的增长而显著增加，并且许多类型的这种疾病在发达国家更频繁地发生。

癌症被认为是全世界死亡的主要原因之一。根据美国国家癌症研究所 (NCI) 的数据，2012 年有 1400 万新癌症病例和 820 万癌症相关死亡。预计未来 20

年内新病例数将增加到 2400 万，并且大约 40% 的人在其一生中可能被诊断出患有癌症。¹

考虑到所有这些方面，开发出有效诊断和治疗癌症的新策略的需要更加迫切。在过去的几年中，纳米技术和纳米科学领域的研究和应用的异常增长为规避经典癌症疗法的缺点带来了希望。

一般来说，纳米技术可以被描述为分子尺度上的功能系统工程。在医学和生物学方面，纳米技术包括具有与小尺寸相关的结构和功能的材料和设备，从纳米 (10^-9m) 到微米 (10^-6m)。在这个层次上，物体的属性刚好在单个原子的尺度之上被确定。因此，纳米尺寸与人工系统和生物体中的特定现象有关。纳米材料的大小与最基本的生物大分子和细胞的大小相似。例如，典型的碳-碳键的长度范围为 0.12 到 0.15 nm；DNA双螺旋直径约2nm；最小的细胞生命形式支原体细菌的长度约为 200 纳米。⁴

因此，具有特定特性的纳米材料可用于体内和体外生物医学研究和应用，可与细胞成分积极相互作用或模拟各种化学和生物化合物。纳米技术和生物学的结合可能有助于诊断设备、造影剂、药物输送系统或药物本身的发展。尽管 1960 年代苏黎世联邦理工学院首次尝试将纳米技术应用于医学⁵，但过去几十年的发现为纳米技术在医学中的应用开辟了新的视角。目前，科学家可以设计具有明确特征的纳米级粒子 (1−100 nm)，^5,6 影响许多科学领域，包括化学和生物技术领域。由于高度优化的合成方法，纳米颗粒可能具有单分散性、细胞毒性降低、可控的分布模式以及与所需配体相互作用的特定机制。这使它们成为现代医学的潜

在最佳工具。考虑到抗癌应用，值得注意的是，已发现纳米颗粒通过被动机制在肿瘤组织中积累，称为增强渗透性和保留效应 (EPR)，而无需添加靶向配体。 ⁷ 这是由于对具有不规则上皮的有缺陷的肿瘤血管系统、淋巴引流水平降低和间质液摄取减少，有利于纳米颗粒在肿瘤中的被动保留。⁸

如今，人们对贵金属的纳米颗粒越来越感兴趣。⁹ 科学家们的注意力集中在金纳米颗粒 (AuNPs) 上，它具有多种特性，可能在临床化学、生物成像和癌症治疗中应用，以及不断被表征的靶向药物递送。

金（Au，原子序数为 79）是几千年前最早发现的金属之一。在最纯净的形式下，它是一种明亮、黄色、致密、柔软且具有延展性的金属，在标准条件下为固体。金是反应性最低的化学元素之一。从一开始，黄金的巨大价值就因其不

图 3. 静脉注射的带负电荷的球形 GNP（1.4、5、18、80、200 纳米，TPPMS 涂层；2.8 纳米羧基涂层）的 24 小时保留/积累。初始剂量的 GNP 百分比是针对整个器官、整个剩余尸体、总血和尿液给出的。在每个面板中，指示了相应的器官、组织或体液。数据是平均值 ± SD，n = 4 只大鼠。请注意 x 轴的对数刻度。经参考文献 70 许可转载。版权所有 2011 Elsevier。

常出现、易于处理和制造、耐腐蚀和其他化学反应，当然还有其独特的颜色而受到欣赏。黄金很快成为权力和财富的象征，并被用于铸币和珠宝生产。“金本位制”长期以来被用作货币政策，在1930年代从流通中撤出金币后不久，1976年“金本位制”被废弃。¹⁰

金及其配合物的药用也有悠久的历史。关于胶体金（金纳米粒子在流体中的胶体悬浮液）的第一个数据可以在公元前五至四世纪的古代中国、阿拉伯和印度论文中找到，这些论文推荐将其用于治疗各种疾病，尽管对其反应机制了解甚少。在中世纪的欧洲，炼金术士实验室经常研究胶体金，并用于治疗精神疾病、梅毒、腹泻，甚至被推荐为长生不老药。¹⁰

第一篇关于金纳米粒子的科学文章于 1857 年由法拉第发表，其中将红色归因于 AuNPs 的胶体性质并描述了它们的光散射特征。¹¹50 年后，AuNPs 的可见光吸收特性被用麦克斯韦电磁方程解释。¹¹ 1971 年，英国研究人员 Faulk 和

Taylor 阐述了一种革命性的方法抗体-胶体金偶联物用于沙门氏菌表面抗原的直接电子显微镜可视化。¹²在接下来的 40 年中这一发现开启了几项研究，致力于金纳米粒子的生物医学应用，特别是识别由于表面功能化和特性而产生的各种生物大分子。后者通常与受控的合成方法相关，使能获得具有定义形状和尺寸的 AuNP^5,13-15（图 1）。

AuNPs的合成方法 一般来说，AuNPs 的合成技术遵循与其他粒子相同的规则。合成方法的分类有两种选择。第一个基于合成方式（自上而下或自下而上）¹⁷，第二个涉及方法论（化学、物理和生物方法）。

Turkevich 等人开发的第一种也是最常见的化学方法之一是在100 °C下用柠檬酸三钠（对新合成的 AuNPs 起到额外的配体作用）还原氯金酸 (HAuCl₄)。该反应能够获得取决于柠檬酸钠初始浓度的大小为 15 到 150 nm 的适度单分散球形纳米粒子的水溶液。¹⁸ 这种方法是进一步开发的基础，允许AuNPs在水或有机液体中高度控制的合成，利用不同的 pH 值和温度值以及一系列还原剂，如硼氢化钠NaBH4、^19-21 天冬氨酸²² 或对苯二酚。²³ 可以使用各种封端/稳定剂进一步稳定 AuNP 的大小，这些封端剂/稳定剂也可用于保护合成的纳米粒子免于聚集并以精确的方式控制它们的性质。然而，其中一些（如西曲溴铵，在金纳米棒的合成情况下，见下文）可能导致与纳米颗粒无关的毒性作用。

虽然基于 Turkevich 的方法主要生成球形 AuNPs，但可以获得各种不同形状的金纳米粒子，例如棒状、²⁴ 笼状、²⁵ 管状²⁶ 等。合成不同结构的 AuNPs的最合适方法是基于种子介导的生长，²⁷涉及用强还原剂还原金盐，导致产生种子颗粒，随后在弱还原剂和结构导向剂存在下将其添加到金属盐溶液中。金纳米结构的几何形状可以通过改变种子、还原剂和结构导向剂的浓度来改变。

此外，还探索了利用微波、²⁸ 超声波、²⁹ 激光烧蚀、³⁰以及电化学和光化学还原³¹^，³² 的物理方法来制备 AuNPs。然而，由于适用于合成纳米粒子的各种化学和物理技术可能非常昂贵且对环境有害，为了详细阐述一种环境友好且无毒的 AuNPs 生产方式，“绿色合成”方法已成为研究人员的主要关注点。³³ 几种底物和还原性化合物已成功应用于金纳米粒子的安全合成，包括壳聚糖、³⁴ 蛋壳膜、³⁵柑橘类果汁提取物、³⁶和食用菌。³⁷最近，地衣芽孢杆菌已用于在与经典化学方法相比更温和的条件下合成 10-100 nm 金纳米立方体，³⁸表明在此过程中有应用其他细菌菌株的可能性。

金纳米粒子的一般特性 由于高度优化的合成方法能够控制 AuNPs的大小、形状和尺寸，因此它们可以专门设计为具有特定的特性。金纳米粒子的大小和形状对其特性包括稳定性、流动性、相容性等有深远的影响，^39-45应针对某些特定的生物医学应用进行优化。例如，设计用于药物递送的纳米颗粒应该足够小以穿过生理屏障或进入靶细胞，并且足够大以将适量的治疗化合物运送到作用部位。^46,47

重要的是要注意，材料纳米尺寸的物理和化学特性（如荧光、导电性或化学反应性）通常与较大形式的类似物的情况有显著差异。对于黄金，该标志的最佳示例是块状形式的黄色和红色（对于小于100 nm的颗粒）或蓝色/紫色（对于较大的颗粒），另外取决于它们的形状和性质（图 2）。此外，与大块金相比，胶体金被认为具有高反应性，这极大地拓宽了其应用潜力，提供了光电、催化和抗氧化性能，以及引入表面改性的可能性。

AuNPs 的一个重要物理特性涉及表面等离子体共振 (SPR)。这种特定的现象发生在当纳米粒子表面的自由电子的振荡频率与入射光辐射的频率共振，从而产生等离子体带。因此，AuNP 表面会出现电磁场，从而实现表面增强的光学特性。 SPR 谱带的消光系数极高，高达 10¹¹M^-1 cm^-1，比普通有机染料高几个数量级。AuNPs 提供吸收和散射效应，其比例取决于大小和形状，但也取决于溶剂的类型、表面配体、核心电荷、温度和其他纳米粒子的接近程度，^49,50 影响粒子表面电子的电荷密度。在尺寸小于 60 nm 的球形 AuNPs的情况下，SPR 峰值吸光度出现在 500-550 nm 附近，导致它们呈红色。⁵¹对于各向异性纳米粒子，如纳米棒 (AuNRs)，由于电子，可以观察到两个等离子体带沿长度（纵向等离子体带）振荡，另一个沿 AuNR 宽度（横向等离子体带）振荡。横带出现在 ~520 nm，而纵带出现在更长的波长，这取决于长/宽比。⁵²因此，AuNR 表现出最大范围为 500 到 1600 nm 的等离子体带。⁵³另一个有趣的影响取决于金纳米粒子的形式并与表面等离子体带相关，涉及近端荧光团的荧光特性的调制。这是由于由光吸收和随后的非辐射能量耗散引起的荧光共振能量转移 (FRET) 现象、光致电子转移 (PET) 过程、^54-58和光热特性。^59,60 因此，改变金纳米粒子的形状提供了有趣的光学特性，涵盖了广泛的可见光到近红外 (NIR) 光谱，使其成为生物成像和治疗诊断应用的良好工具，⁶¹并能够在合成过程中监测 AuNP 的形态特性。

各种形状和尺寸的金纳米粒子在生物科学中的重要性不断上升，因为它们具有兼容性、反应性和修饰敏感性，以及可调谐的光学特性。更重要的是，AuNPs 被证明是优秀的治疗剂和药物载体。在这篇综述中，我们总结了有关使用 AuNPs 治疗癌症的可能性的可用数据，并强调了该领域的最新成就。这里包含的所有信息都涉及金纳米粒子本身，而没有讨论它们与不同纳米结构的复合物的主题。

金纳米粒子的生物分布、毒性和功能化

因为这两个参数可能会极大地影响使用金纳米粒子的合法性，所以分析和了解金纳米粒子的生物分布模式和总体毒性对于它们在抗癌治疗和诊断中的潜在应用至关重要。

虽然对炎症反应或金属在生物体中的潜在积累存在一些担忧，但它们尚未在体内进行长期的彻底测试。直到最近，人们才认识到此类实验的重要性，研究人员才开始更仔细地研究这些问题。此外，由于剂量、动物和细胞模型、颗粒制备和实验方案的差异，以及AuNPs 在生理条件下聚集的可能性，数据仍然不一致。^62,63

球形 AuNP 的尺寸相关特性 如前所述，金纳米粒子的许多特征与其大小和形状有关。这也适用于它们的生物分布。1970年代和1980年代对胶体金生物分布的首次研究表明，在胃肠外引入金纳米粒子后，金纳米粒子迅速被肝脏吸收，通过胆汁分泌，并随粪便排出。^64-66 后来这一现象被解释为显著的库普弗细胞在消除 AuNPs 中的作用。⁶⁷一般来说，在单次给药（口服或静脉注射）时，球形 AuNPs 定位于肝脏、肾脏、脾脏和肺中，这种现象是大小（图 3）和形状依赖（图 4），在各种器官中发现的小颗粒浓度明显更高。^68,69

另外注意到较小的颗粒渗透到皮肤深层，而 100 和 200 nm 的颗粒保留在表面，⁷¹ 这进一步表明小直径 AuNPs 的生物利用度更高。粒径也影响血液浓度和循环时间。例如，5 nm AuNPs 的峰值血液浓度在注射后 10 分钟为 0.53 ± 0.18 mg/L，而 25 nm AuNPs 在 30 分钟后达到峰值，浓度为 0.11 ± 0.05 mg/L。在接下来的 24 小时内两者都随着时间的推移而减少。⁷² 有趣的是，由于在大脑中也发现了一些大小上限约为 15-20 nm 的 AuNPs，因此可以得出结论，它们具有独特的通过血脑屏障(BBB)的能力。^68,73 后来几个研究小组检查了球形金纳米粒子穿过 BBB 的机制，结果证明这取决于 AuNPs的直径并涉及吸附介导的内吞作用、被动扩散、通过离子通道直接通过或紧密连接中断。⁷⁴

此外，Semmler-Behnke 等测试了 AuNPs 是否可以穿过胎盘屏障，向 Wistar-Kyoto 大鼠注射各种大小（1.4、18 和 80 nm）和不同剂量（5、3 和 27 μg）的放射性标记的 AuNPs。在胎儿中检测到 1.4 和 18 nm 的 AuNPs，作者假设它们能够通过跨细胞过程或经滋养层细胞通道穿过胎盘。⁷⁵此外，使用注射了3、13 或 32 nm AuNPs宫内炎症小鼠，在病理条件下检查了球形金纳米粒子的母胎转移。3和 13 nm 颗粒的积累远高于健康小鼠的胎儿。⁷⁶

球形 AuNPs的大小还会影响它们的细胞摄取和毒性。值得注意的是，已经表明在直径在 10-100 nm 范围内的金纳米粒子中，最大吸收发生在 50 nm 球体中，^77-79 这可能是由于它们的大小在病毒范围内。⁸⁰至于球形金纳米粒子的毒性，主要通过 MTT、⁴⁴WST 1⁸¹ 或 LDH⁸²测定进行评估，但也通过台盼蓝染色、⁸³ 阻抗谱和流式细胞术评估 ,^63,84可用的体外数据仍然不一致，表明毒性可忽略不计^77,84-86或细胞毒活性依赖于细胞类型。^87-89然而，后者的机制仍然知之甚少，尽管一些数据表明氧化应激的触发、⁹⁰与 DNA 等关键细胞化合物的不可逆结合、⁹¹细胞周期停滞⁸⁹或不依赖于caspase的细胞凋亡。抑制增殖、改变钙、⁹³和氮氧化物的释放、94 刺激呼吸活动或线粒体酶的活性。⁹⁵有趣的是，在长时间孵育后，体外培养的细胞能够在分裂过程中将内吞的 AuNPs 转移到其子细胞中，从而随着时间的推移，减少每个细胞中累积的粒子数。这最终导致 AuNPs 不利影响的逆转，包括倍增时间的变化。⁹⁶

体内测试带来了类似的不连贯的结果。虽然大小为 3、5、50 和 100 nm 的纳米粒子没有引起任何明显的细胞毒性作用，但 8 到 37 nm 的 AuNPs 会引起食欲和皮毛颜色的变化、瘀伤、皮下出血和弯曲脊柱的发展，导致最终的死亡。在取自用 8-37 nm AuNPs 处理的小鼠的肺、肝脏和脾脏组织样本中检测到生理变化，而在服用更小或更大纳米颗粒的小鼠中未观察到这些变化。⁹⁷另一方面，在重复给药后，从动物行为、组织形态、血清生化、血液学分析和组织病理学检查来看，12.5nm AuNPs 在小鼠不同器官中没有导致任何死亡或毒性。此外，发现器官中的蓄积率而不是血液中的浓度依赖于给药剂量。⁶²

金纳米颗粒的形状、毒性和生物分布之间的相关性 除了球形 AuNPs，还有许多关于不同形状的金纳米粒子（主要是纳米棒和纳米壳）的生物分布和毒性的报道。第一种形式由于可调节的特性和基于纵横比的生物分布模式而引起了特别关注。然而，金纳米棒通常使用西曲溴铵 (CTAB) 合成，CTAB 是一种阳离子表面活性剂，可稳定纳米颗粒，这会影响其形状。该化合物已被证明对高于 1 μM 浓度的体外培养细胞具有毒性。⁹⁸此外，观察到 CTAB 分子彻底洗涤后 CTAB 稳定的 AuNRs的毒性活性降低，^44,98,99 表明这种系统的毒性由游离 CTAB 决定，而纳米棒本身是无毒的。然而，由于与 CTAB 释放相关的低稳定性和聚集性，很难评估 AuNRs 的细胞毒性。出于这个原因，一些团体选择通过化学交换

或表面功能化来修饰最初使用 CTAB 合成的金纳米棒，为颗粒提供新的、毒性较低的涂层（见下文）。几项关于 CTAB 稳定的 AuNRs生物分布的研究表明，这些纳米颗粒中的大部分在肝库普弗细胞中积累，并且它们的浓度随时间几乎保持不变，在其他器官中的积累适中，缓慢的消除动力学。此外，大脑中可能会发现 AuNRs，这表明有可能通过临界尺寸为 20 nm 的纳米颗粒克服 BBB，类似于球形 AuNPs。^100,101

至于 AuNRs 的细胞摄取，发现吸收较低纵横比的纳米棒比较高纵横比的纳米棒更有效，⁷⁷ 这并不意外，因为球形 AuNPs（可能的最低纵横比等于 1:1）通常以更高的量被细胞吸收（图 5）。

关于未改性(AuNSs) 的毒性活性的信息相对较少且不一致。据报道，这些纳米颗粒对人前列腺肿瘤细胞¹⁰²和肝细胞癌细胞¹⁰³没有细胞毒性。另一方面，在非洲绿猴肾 (Vero) 细胞的实验中观察到低浓度 Au-Cu 纳米壳的剂量依赖性毒性。⁸¹据我们所知，目前没有关于裸纳米壳生物分布的数据。

在纳米金颗粒的其他形式和形状中，纳米棱柱 ^104,105 和纳米立方体^106,107已被研究用于潜在的生物医学用途，但仅限于有限的范围。

金纳米粒子的表面功能化 绝大多数关于纳米金毒性和生物分布的科学报告都与功能化颗粒有关。AuNPs 的功能化是关键方面之一，其大小和形状决定了颗粒在给药后的命运。表面修饰对这两个参数有显著影响，可防止聚集、增强生物相容性、与细胞的特定相互作用以及在所需器官中的靶向运输和积累。它们还可能对 AuNPs的血液半衰期产生巨大影响，防止它们被单核吞噬系统 (MPS)，也称为网状内皮系统 (RES) 的细胞去除。静脉内给药后未经修饰的纳米颗粒通常会被血液中的调理素快速识别并结合，这有助于巨噬细胞吞噬和去除它们。表面修饰有可能从 RES 中“掩盖”金纳米粒子，从而确保更长的血液循环时间并允许它们到达作用部位。¹⁰⁸

重要的是要注意，表面功能化可以改变纳米金粒子的光学特性，¹⁰⁹在为特定应用设计 AuNPs时应考虑这一点，例如，在光热或射频治疗中（参见抗癌治疗中的金纳米颗粒部分）。

功能化可以通过物理吸附或配体在纳米颗粒表面的共价连接来实现，通常是通过硫醇键。用于纳米金功能化的最常用化合物之一是聚（乙二醇）（PEG），它与金颗粒的表面原子共价结合。已发现聚乙二醇化可增强各种纳米颗粒的生物相容性，延长其血液半衰期，^110,111并防止被 RES 去除，增加其亲水特性。^112,113用 PEG 修饰的球形金纳米颗粒对体外培养的人细胞系没有细胞毒性作用 ,^86,114以及 RES 的低摄取、相对较长的血液循环和在小鼠体内研究期间增强的肿瘤积累。¹¹⁵大量研究致力于 PEG 包覆的金纳米棒，主要是因为有可能替代其上有害的 CTAB 表面。用 PEG 修饰的纳米棒表现出延长的血液半衰期、更慢的肝脏积累和改善的肿瘤定位，这使它们与 CTAB 包被的颗粒显著区分开来。^100,116,117Niidome 等人。证明PEG接枝的程度对AuNRs的生物分布有巨大影响。随着 PEG:Au 摩尔比的增加，金在脾脏中的含量减少，但在肝脏和肿瘤组织中的含量增加，证明了 PEG 在肿瘤积累中的重要作用。 ¹¹⁸有趣的是，PEG 包覆的金纳米粒子的生物分布（特别是球形 AuNPs和 AuNSs），无论表面改性如何，还是取决于尺寸。¹¹⁹

此外，已表明 PEG 修饰的 AuNRs在培养基中具有低细胞毒性和更高稳定性。¹²³然而，这些纳米颗粒能够在体内诱导肝细胞的急性炎症和凋亡，¹²⁴以及大鼠器官的宏观变化和重量波动，⁶³表明 PEG涂层并不总是能确保整体生物相容性。

另一方面，不同的表面修饰已被证明可以降低或消除金纳米粒子的细胞毒性，从而允许它们安全地进入生物体而不会产生有害的副作用。例子包括用叶酸、¹²⁵聚丙烯酰胺、¹²⁶聚乙烯吡咯烷酮、¹²⁷和用聚（丙烯酸）或聚（烯丙胺盐酸盐）包覆的 AuNRs 改性的 AuNPs。¹²⁸降低使用 CTAB 制备的纳米棒的细胞毒活性也可以通过以下方式实现：用磷脂酰胆碱、¹²⁹氨基巯基三唑和巯基十一烷酸 ¹³⁰或非离子表面活性剂 Pluronic F-127¹³¹ 等化合物取代。

值得注意的是，纳米粒子的表面电荷对其细胞毒性有巨大影响。由于与带负电荷的细胞膜的非特异性相互作用，具有正表面电荷的颗粒通常更具毒性。¹³² 已经证明，用季胺功能化的阳离子 AuNP 对体外培养细胞的毒性是其阴离子等效物的7倍，通过以下方式获得用羧基部分取代胺基团。¹³³ 此外，已发现金纳米线对小鼠和人类细胞系的细胞毒活性取决于表面功能化的类型，观察到以氨基为末端的颗粒的毒性最高，而羧基封端的最低。有趣的是，纳米线的尺寸对其毒性没有影响。¹³⁴

最后但同样重要的一点是，金纳米粒子的表面功能化旨在调节其生物分布模式、提供靶向递送并促进细胞内化。例子包括使用叶酸、¹²⁵转铁蛋白、¹³⁵碳水化合物、^136,137 寡核苷酸、¹³⁸和特异性抗体 ^139-141偶联在纳米颗粒表面。此外，PEG分子还被用作不同靶向配体的接头，如肿瘤坏死因子 α (TNFα) ^142,143或半乳糖。¹⁴⁴然而，应该记住，看似惰性的修饰可能会极大地影响纳米金在各种器官中的积累 .例如，已经表明涂有阿拉伯树胶或麦芽糖的 AuNPs在血液、尿液和组织中表现出不同的生物分布模式。特别是，在肝脏中发现了最高浓度的用阿拉伯树胶修饰的金纳米粒子，而那些被麦芽糖包覆的金纳米粒子在肺部积累。¹⁴⁵因此，在设计用于抗癌应用的功能化纳米金时，重要的是要考虑到不仅是表面部分的靶向特性，还有它们将粒子引导到身体不同部位的潜力。

抗癌治疗中的金纳米粒子

光热疗法 由于其独特的特性，例如电磁辐射的吸收和散射，金纳米粒子在光热疗法 (PTT) 中的应用特别令人感兴趣。这种治疗策略涉及使用电磁辐射产生热量以对癌细胞进行热破坏。¹⁴⁶热暴露，以局部加热和全身热疗的形式，自十八世纪以来一直用于肿瘤治疗。 ¹⁴⁷局部和全身热疗会导致细胞膜破裂和蛋白质变性，最终导致细胞死亡。不幸的是，在这个过程中，健康组织也会受到损害，这是PTT 的主要缺点，严重阻碍了其临床应用。使用激光辐射部分克服了这一缺点，能够控制和精确地破坏癌组织。 ^146,148现代 PTT 方法的特点是特异性提

高、侵袭性可忽略不计和精确的时空选择性，它们构成了治疗化疗耐药类型癌症的有前景的替代方法。

光热剂（尤其是纳米级化合物）的应用可以进一步提高 PTT 的功效，从而增强光向热的转化。为此，已经广泛测试了几种光热纳米疗法，包括纳米碳、过渡金属硫化物/氧化物纳米材料和有机化合物。^149,150在这方面，各种形状的金纳米粒子的优点包括广泛的吸收最大值（从紫外到近红外）和高吸收截面，需要比传统应用染料更低的剂量时间和更低的激光功率。¹³⁹值得注意的是，近红外区域非常重要，因为与可见光不同，更长波长的光可以穿透活组织内部。在“生物窗口”（650-900 nm）中，光穿透深度可以达到几厘米，该区域是 AuNPs、AuNRs 和 AuNSs 的 SPR 吸收的理想区域。 SPR 范围内的辐照特别令人感兴趣，因为它之后会快速将光转化为热。¹⁰

金纳米粒子在 PTT 中的应用取决于它们的大小、形状和结构，这极大地影响了光热性能。^151-153 为此，金纳米棒可以成为现代PTT的宝贵工具，因为它可以操纵它们的长度和宽度，因此不仅会影响从可见光到 NIR 区域的吸收和散射带，还会增加它们的吸收和散射截面。^154,155通过改变金纳米壳厚度和核半径的相对尺寸，可以实现类似的效果。^122,156,157这为精心设计具有适应肿瘤位置和大小的特定特征的 AuNRs和 AuNSs 提供了可能性。此外，已经表明，纳米颗粒的聚集会显著影响它们的光学和加热特性。例如，虽然不同类型的 AuNSs在近红外范围内可能无效，但它们的聚集体在非常小的原子间距离（低于其直径的 10%）时非常有效。已经证明，这种簇可以在细胞内部和表面形成，在规划 PTT 实验时必须考虑到这一点。^158-161

更重要的是，金纳米粒子的快速加热会导致蒸汽泡的形成，¹⁶² 在可见光¹⁵⁹ 或近红外光照射下，这会导致额外的空化细胞损坏。¹⁶³已证明纳米粒子上的蒸汽泡形成能力会增加¹⁶⁰然而，必须注意的是，高强度纳秒 IR 脉冲对纳米颗粒的照射可能会导致它们在某些情况下甚至在第一次剂量之后快速破坏。¹⁶⁴另一方面，飞秒脉冲的应用并不能解决问题，因为提供的能量太低了。因此，对于特定的辐照策略，精确控制纳米粒子的特性至关重要。

2003 年Hirsch 等人提出了第一项关于在光热疗法中应用金纳米粒子的可能性的研究。他们使用 PEG 修饰的金/二氧化硅纳米壳，具有 110 nm 直径的核和 10 nm 厚的壳，提供了820 nm 处的峰值吸光度。将 SK-BR-3 人乳腺上皮癌细胞与此类构建体一起孵育并随后进行照射后，观察到发病率增加。相比之下，未经处理的细胞在相同条件下未显示活力损失。此外，体内研究表明，用 AuNSs 治疗的实体瘤暴露于低剂量的 NIR 光会导致显著的温度升高，能够诱导不可逆的组织损伤。¹²¹这些研究在结肠癌的鼠异种移植模型中得到进一步发展，其中在用 PEG 包覆的金/二氧化硅 AuNSs 治疗和随后的照射后，注意到肿瘤完全去除。 ¹⁶⁵考虑到这种金纳米壳在 PTT 中应用的巨大潜力，它们还与抗人表皮生长因子受体（EGFR2/ HER2) 抗体通过 PEG 接头（每个纳米壳 150个抗体分子）实现肿瘤特异性递送。对表达 HER2 的 SK-BR-3 细胞的体外研究证实了通过免疫纳米壳和 NIR 光的光热相互作用选择性诱导细胞死亡的可能性，而对共培

图 9. (a) 使用光不稳定纳米粒子进行 DNA 核递送的示意图。 (b) 光诱导的表面转变。(c) 从复合物中光释放 DNA 后的荧光和明视野显微镜图像。为了澄清 F-DNA 和核染色 DAPI 的重叠，绿色通道（荧光素）和蓝色通道（DAPI）分别用红色和黄色表示。(d) 共聚焦显微照片，说明光释放 DNA 在细胞核内的积累。图 1、2、3 和 4 显示了 z 系列共焦图像中间部分的四个连续切片（间隔 = 1.0 μm）。经参考文献 192 许可转载。版权所有 2008 Elsevier。

养的人真皮成纤维细胞 (HDF) 没有任何不利影响。相比之下，与非特异性抗体或 PEG 结合的对照纳米壳在 NIR 照射下不会诱导细胞死亡。 ^122,166这些观察结果在 HER2 表达增加的 Daoy.2 髓母细胞瘤细胞系中得到证实。此外，在一组类似的实验中，金/二氧化硅纳米壳与抗白细胞介素 13 受体 α 2 (IL13Rα2) 的抗体结合，在胶质瘤中经常过度表达。这些免疫纳米壳能够有效诱导表达 IL13Rα2 的 U373 和 U87 神经胶质瘤细胞系中的细胞死亡，但由于白细胞介素13 受体的低表达而不能在 A431 表皮样癌细胞中诱导细胞死亡。¹⁶⁷

El-Sayed 等人也将类似的方法应用到球形金纳米粒子。他们分析了非癌上皮细胞系 (HaCaT) 和两种恶性口腔上皮细胞系 (HOC-313 和 HSC-3) 中裸金纳米粒子和与单克隆抗 EGFR 抗体偶联的金纳米粒子的 SPR 吸收光谱。胶体金纳米粒子在细胞内以分散和聚集的形式被发现，但没有显示出癌症特异性吸收。正如预期的那样，抗 EGFR 抗体修饰的 AuNP 以比非恶性细胞高 600% 的亲和力与癌细胞表面特异性结合。 ¹⁶⁸ 这导致在用抗体偶联物治疗后，癌细胞在辐照时的死亡率增加¹⁶⁹还表明，由于抗体修饰的 AuNP 与癌细胞上过度表达的 EGFR 特异性结合，因此细胞破坏需要较低的激光功率阈值。 ¹⁷⁰此外，抗 EGFR 抗体偶联的AuNRs对HaCaT、HOC-313 和 HSC-3 细胞系表现出类似的特性。金纳米棒的使用使近红外辐射的应用成为可能，因为与在大约 530 nm 处具有最大等离子体带的球形AuNPs相比，它们在大约 800 nm 处表现出强烈的纵向吸收。¹³⁹

其他几个研究小组也专注于金纳米棒和 NIR 诱导的纳米壳的光热潜力。Stern等人研究了具有 10 nm 金壳的未修饰的 110 nm AuNSs，它们能够在暴露于 NIR 光（810 nm）时诱导两种人前列腺癌细胞系（PC-3 和 C4-2）中的细胞死亡，而暴露于单独辐射的细胞并未显示存活率有任何降低。¹⁰²这一结果在对注射 PC-3 细胞的小鼠进行的体内研究中得到证实。¹⁷¹对评估 PEG 修饰的 NIR 诱导金/二氧化硅 AuNSs 的啮齿动物模型进行的体内试验表明肌肉组织在

表 1. 抗癌药物-纳米金偶联物的例子

纳米粒子定位区域受到照射，而不会对其他组织造成任何损害。¹⁵⁷而且，这种金/二氧化硅纳米壳功能与暴露于近红外照射的 PEG 相结合，能够增加肿瘤灌注，导致接种人结肠直肠癌细胞 (HCT) 的小鼠肿瘤缺氧部分的减少。进一步的辐射导致血管破裂和广泛的肿瘤坏死，表明专为 PTT 设计的金纳米壳具有多级抗癌活性。¹⁷⁰

Von Maltzahn 等提出了一种使用 PEG 修饰的金 AuNRs 进行光热抗癌治疗的计算指导策略。与金/二氧化硅 AuNSs相比，这些纳米颗粒已被证明具有更好的光谱和光热特性以及更长的体内循环时间。单次静脉注射 PEG-AuNRs 能够破坏小鼠中所有受照射的人类异种移植肿瘤。¹¹⁸此外，CTAB 包被和叶酸偶联的 AuNRs在 KB 细胞中表现出不同的表面吸附和内化模式；然而，在这两种情况下，这使它们同样容易受到激光触发细胞膜破坏的光热损伤。作者推测，当纳米棒吸附在细胞膜上时，可能会以低得多的功率诱导热效应，因为它似乎是最容易受到热消融的区域。¹⁷²

射频治疗 射频消融 (RFA) 是一种侵入性最小的癌症治疗方法。它涉及通过中频交流电产生的热量损坏癌组织。在 RFA 过程中，针状探针被插入到肿瘤体积并用于增加其温度，最终导致其被射频透热法破坏（图 6）。 RFA 特别适用于治疗肺、肝和肾中小尺寸的原发性和转移性肿瘤。它还被提议用于治疗胰腺癌和胆管癌。^174,175 此外，RFA 的应用能够温和而有效地去除良性骨肿瘤，与手术技术相比，提供更少的骨破坏和更少的复发。¹⁷⁶

与手术切除相比，射频治疗的优点包括微创、无皮肤切口和易于执行。它相

图 10.Au-PEG-SS-DOX 在 HepG2-R 细胞中的细胞内分布。(A) 用 Au-PEG-SS-DOX 处理的细胞的共聚焦图像，显示 DOX 衍生的荧光（红色）的分布。(B) 溶酶体（绿色）在用 Lysotracker 标记的细胞中的分布。(C) A 和 B 的合并图像显示 LysoTracker 和 DOX 衍生的荧光几乎完全共同定位。 (D) HepG2-R 细胞暴露于游离 DOX 和 Au-PEG-SS-DOX 24 小时后的细胞内 DOX 荧光强度。经参考文献 197 许可转载。版权所有 2012 Elsevier。

对安全，对患者整体状况的风险很小，因为它不直接刺激心肌或神经，因此可以在没有全身麻醉的情况下使用。这种方法可以在癌症复发的情况下多次应用，并且能够治疗难以或不可能通过手术切除的肿瘤。然而，RFA 的应用可能因精确的穿刺针位置、肿瘤大小和位置、癌组织破坏不充分（通常为 5-40%）和低特异性而受到限制。¹⁷⁵因此，需要一种射频引起局部加热的无创且精确的技术。由于金纳米粒子具有吸收 X 射线的能力，在定位于肿瘤细胞后，当暴露于外部射频场时，它们可以作为靶分子产生增加的热量。¹⁷⁷

如前所述，可见光和近红外光可以在纳米金颗粒中诱导表面等离子体共振，通过众所周知的机制激发光热加热。然而，在射频照射的情况下，纳米粒子增强加热的机制尚不清楚。迄今为止，已经提出了三种可能的作用模式，焦耳或感应加热、磁加热和电泳加热。每种机制都强烈依赖于照射的频率以及金纳米粒子的大小和形状。¹⁷⁸

对于基于射频的抗癌治疗，最常研究的是球形 AuNPs。这些纳米颗粒在几种体外培养的人类癌细胞系上进行了测试。暴露于射频场后，由于热诱导的细胞内结构破坏，细胞死亡率增加。^179,180此外，显著的温度升高和热损伤在注射金纳米粒子并暴露于功率为 35 W 的射频场的大鼠模型中得到证实。¹⁷⁹

为了靶向递送 AuNPs，将它们与西妥昔单抗（一种 EGFR 特异性抗体）结合，并在体外和体外评估射频消融(图 7)。已经表明，这些纳米金颗粒在表达表皮生长因子受体的癌细胞系中迅速内化，随后暴露于 RF 导致几乎完全热诱导的细胞死亡。相比之下，未以 EGFR 表达为特征的细胞系未观察到破坏。^181-184这些结果在体内模型中得到证实。用西妥昔单抗偶联的 AuNPs处理小鼠胰腺癌异种移植物后，将其暴露于射频场，并评估肿瘤大小、坏死率和裂解的 caspase-3 水平。已经注意到射频场诱导的胰腺癌异种移植物破坏，没有对健康器官造成损伤的迹象。此外，在治疗的肿瘤中观察到裂解的 caspase-3 水平增加和坏死增强。¹⁸⁵

Roa 等人提出了一种有趣的方法，他使用葡萄糖功能化的 AuNPs 来提高抗辐射人类前列腺癌细胞的敏感性。这组科学家已经能够证明用葡萄糖表面修饰的球形金纳米粒子降低 p53 表达并触发细胞周期蛋白依赖性激酶 (CDK) 的激活，随后细胞周期停滞在 G2/M 期，从而导致细胞对辐射的敏感性。¹⁸⁶几年后，Wang 等人获得了类似的结果，另外证明了 Bcl-2 的失调与 Bax 的同时上调和葡萄糖功能化的 AuNPs激活 caspase-3，导致暴露于射频场的肺癌细胞凋亡增加。¹⁸⁷这一结果表明，金纳米颗粒缺乏生物相容性在某些情况下可能是一个优势，从而使纳米金的不同应用成为可能。

金纳米粒子作为药物载体 虽然化学疗法是批准用于治疗癌症的最常用方法，但在许多情况下充分利用其潜力是有限的，主要是由于药物与细胞和组织的非特异性相互作用产生的许多副作用，以及它们的低溶解度或不利的生物分布。此外，多变的肿瘤微环境和细胞耐药性可能会进一步阻碍化疗的疗效。新型抗癌化疗药物自研发、全面测试和审批以来，成本极高且劳动强度大，改进现有疗法是合理的。一种有前景的方法涉及药物递送系统的应用，该系统可以提供有效的靶向运输并克服限制标准抗癌治疗。这种载体系统必须能够容纳足够量的药物，绕过耐药机制，改善生物分布，并防止治疗剂从生物体中快速去除。

此外，药物输送装置应具有延长血液半衰期、肿瘤积累、有效细胞摄取和受控释放模式的特点。¹⁸⁸目前正在评估几种化合物的潜在药物输送，特别是用于癌症治疗。¹⁸⁹已经证明，纳米颗粒可以保护治疗剂免受降解，提高其溶解度，并延长血液循环时间，同时提供治疗剂的靶向运输和控制释放。¹⁹⁰

对于基于纳米颗粒的药物递送系统，被动靶向（利用 EPR 效应）、主动靶向（通过结合小靶向分子）或这些策略的组合可用于增强肿瘤积累。治疗剂可以通过物理封装或化学（共价或非共价）键合与纳米载体结合。在后一种策略中，可以应用前药方法，将治疗性化合物转化为无活性形式或连接到仅在肿瘤微环境或癌细胞内切割的接头上。这种方法利用了正常细胞和恶性细胞之间的病理生理学差异，例如酸性 pH 值或各种细胞成分的过度表达。¹⁹¹

确保活性化合物在细胞内递送的一个有趣的策略涉及它们通过硫醇基团与金纳米颗粒的表面结合。由于谷胱甘肽 (GSH) 的活性，这使得细胞内的释放成为可能。谷胱甘肽是一种重要的细胞抗氧化剂，在细胞中的浓度达到 10 mM。由于能够减少二硫键，该化合物负责清除自由基并维持细胞氧化还原稳态。在细胞内部，谷胱甘肽“取代”了 AuNPs表面结合的分子，从而有助于它们的有效释放¹⁹²（图 8）。

此外，药物的释放或激活可能由外部刺激触发，例如光（图 9）或温度。因此，利用细胞特征以生物学相关的方式控制药物释放和活性，而外部刺激则实现时空调节。¹⁹²两种策略的结合可能会显著提高抗癌治疗的特异性。

所有这些方面都使纳米颗粒成为药物载体的极好候选者。几种分子，如脂质体、树枝状聚合物、硅纳米结构、固体脂质纳米分子、胶束或碳纳米材料，已被测试用于药物递送。然而，只有少数聚合物和脂质体获得临床批准。¹⁹³最近研究了金纳米粒子的抗癌药物递送潜力，主要是由于它们的生物相容性，以及与 DNA 和小干扰 RNA (siRNA)形成稳定复合物的能力以及与治疗剂和靶向分子共价结合的可能性。¹⁹⁴这些特征使得能够利用两种方法，即药物递送和核酸递送。

药物递送 一般来说，抗癌药物可分为阶段特异性/细胞周期特异性（通常在细胞周期的特定阶段提供对快速增殖细胞的破坏）或细胞周期非特异性（无论生长期或分裂率如何，对肿瘤和正常细胞具有同等作用）。这些包括烷化剂、重金属（导致 DNA 链之间形成交联，从而抑制 DNA 复制和诱导细胞凋亡）、抗代谢物、细胞毒性抗生素、纺锤体毒物（影响微管的组装和拆卸）和拓扑异构酶抑制剂。¹⁹⁵ 另一类抗癌药物涉及用于光动力疗法 (PDT) 的光敏剂。这种治疗方法基于光敏化合物在暴露于特定波长的光后获得细胞毒性。此类治疗剂（如玫瑰红或酞菁）含有发色团部分（如环状四吡咯分子），在照射后，将其能量转移到细胞 O₂ 形成单线态氧和其他活性氧 (ROS)，对细胞结构有显着危害。¹⁹⁶

表 1总结了与金纳米粒子结合的抗癌药物的例子。在表 1 中未列出的几种情况下，AuNPs已与具有抗血管生成或血管生成调节活性的化合物共价结合（有关详细信息，请参阅金纳米粒子作为血管生成的治疗-调节部分）。值得注意的是，对共价结合物的绝大多数研究都涉及球形金纳米粒子，这很可能是因为与形状更复杂的纳米金相比，它们能够进行简单的表面化学和有效的细胞吸收。在体外对肿瘤细胞模型和在具有不同来源的诱导肿瘤的小鼠体内评估缀合物的活性，与游离药物相比显示出增加的细胞毒性作用。在一些情况下，添加靶向分子提供了特异性识别和药物-纳米金共价制剂更好地渗透到靶细胞中。然而，表面功能化似乎不是必不可少的，因为与游离的治疗化合物相比，即使是最简单的药物-纳米金偶联物也显示出增加的细胞毒活性和增强的细胞内积累（图 10）。

由于药物和纳米颗粒之间的永久共价键（通常通过硫醇、氨基或羧酸根官能团），化学共轭物通常高度稳定。然而，这种方法需要选择合适的接头，在作用位点进行特定的切割并释放治疗剂。此外，在某些情况下，永久结合可能会降低所连接化合物的治疗效果。

由于引入了表面疏水性或亲水性单层，从而产生能够封装药物的袋状空腔，因此在金纳米粒子和治疗剂之间形成不太稳定但更容易制备的非共价复合物可能是可能的。

非共价复合物提供未修饰药物的直接递送，从而消除了与前药策略相关的潜在问题（例如，失活或药物释放不足）。然而，很难预测非共价制剂在不同温度、pH 和环境条件下的稳定性，这可能会显著限制其在体内的功效。因此，关于这个主题的报告数量非常有限。例如，聚乙二醇化球形 AuNPs用于改善上述酞菁——疏水性 PDT 药物的溶解度和肿瘤积累。²¹⁵该系统通过表皮生长因子 (EGF) 肽的附着进一步开发，提供了10倍增强的酞菁向脑肿瘤的转运。²¹⁶Brown 等人提出了一个有趣的解决方案，他们制备了用带有奥沙利铂的 PEG 单层非共价修饰的金纳米颗粒。这种制剂比游离的奥沙利铂表现出更好的细胞毒作用，并具有穿透肺癌细胞核的能力。²¹⁷包裹有（聚（N-异丙基丙烯酰胺）-co-油酸）-g-壳聚糖（（PNIPAAm -co-OA)-g-CS) 的球形 AuNPs也在肺癌细胞系模型中用于厄洛替尼的递送。由于药物以热响应方式释放，这些复合物显示出高细胞摄取和增强的细胞毒性。²¹⁸

用以两性离子部分终止的四（乙二醇）（TEG）单元对 AuNP 进行改性，能够形成具有亲水壳的疏水链烷硫醇内部。这些纳米颗粒已被用于捕获荧光探针（4,4-difluoro-4-bora-3a,4a-diaza-s indacene，BODIPY）和两种抗癌药物，即他莫昔芬和 β-拉帕酮（图 11）。这些化合物被稳定地包裹在 AuNPs 的疏水口袋中，并通过膜介导的扩散释放到细胞中，而不会吸收载体纳米颗粒。²¹⁹此外，表面负电荷的引入消除了纳米颗粒与细胞膜的非特异性毒性相互作用。这种方法允许精心设计具有多种不同功能的多模式递送系统，基于装载有几种治疗剂和辅助剂或靶向剂的金纳米颗粒。

核酸递送 化学结合和物理复合都已被用于通过纳米金颗粒递送核酸以改善基因治疗。用于修复缺陷基因 (DNA) 和调节细胞分裂和体内平衡 (siRNA) 的核酸构成了有前景的抗癌疗法。²²⁰与小分子药物相比，核酸需要递送装置来保护免受核酸酶活性和环境影响降解，以及促进细胞进入。

这些递送载体通常分为两类，生物载体和合成载体。在第一类中，病毒载体最受欢迎。然而，它们可能具有免疫原性、致癌性和促炎特性，阻碍了它们的临床应用。²²¹为了克服这些问题，已经提出了几种类型的合成载体（例如，脂质、聚合物或树枝状聚合物），尽管它们转染效果好，生产方便，它们的应用由于其储存稳定性低、靶向能力弱和体内追踪困难而仍受到限制。^222,223因此，为了构建有效的核酸递送系统，科学家们的注意力集中在金纳米粒子上。

核酸与 AuNP 的共价结合主要用于传递基因沉默寡核苷酸，其中的修饰不会降低生物活性。²²⁴该策略基于RNA 干扰 (RNAi) 现象的发生，其中 RNA 分子通过与靶向 mRNA 形成双链杂交，抑制基因表达或翻译。金纳米粒子在该领域的应用主要涉及 microRNA (miRNA) 和 siRNAs。^225,226覆盖有硫醇化寡核苷酸的 AuNPs 对其互补核酸表现出比线性对应物更高的亲和力常数，以及快速的细胞摄取（取决于表面 siRNA 壳的密度）和有效的内体逃逸。²²⁷用硫醇化阳离子配体聚（乙二醇）-聚（2N，N-二甲氨基）乙基甲基丙烯酸酯）（SH-PEG-PAMA）额外修饰的类似构建体在 HuH-7 人肝细胞系和延长的血清半衰期。此外，SH-PEG-PAMA 可作为稳定剂，提供对 RNase 的进一步保护，并通过“质子海绵”效应促进内体逃逸。²²⁸在 RNA-AuNP 中的金颗粒表面添加杂交单克隆抗体-DNA 偶联物构建体提供了靶向适当性能和选择性细胞识别，从而增强了活性。²²⁹

RNA-AuNP 偶联物在涉及细胞系模型中荧光素酶²²⁵和绿色荧光蛋白 (GFP)²²⁴表达的敲低的实验中进行了测试，证明与游离寡核苷酸相比具有更高的功效。再次，基因表达的降低取决于寡核苷酸修饰的水平。纳米载体能够保护 RNA 分子免受核酸酶降解，尽管表面带负电荷，但仍显示出有效的细胞摄取。²²⁴

球形金纳米粒子也已用作肿瘤抑制 miRNA (miR-205) 的载体，显示增强的 miRNA 靶蛋白表达抑制。²²⁶

通过应用具有表面功能的铝化金纳米粒子的非共价复合物，核酸的递送也是可能的。核酸的强负电荷使阳离子AuNPs 成为与 siRNA²³¹ 和双链 DNA 质粒形成稳定复合物²³⁰的最明显选择。^232,233 为了产生表面正电荷，AuNPs 用季铵、²³²聚（乙烯亚胺 ) (PEI)、²³³或氨基酸（主要是赖氨酸²³¹，但也有甘氨酸、精氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、色氨酸²³⁴或用三亚乙基四胺²³⁵功能化的谷氨酸）。有趣的是，核酸已被证明以类似于染色质结构的形式包裹着带正电荷的球形金纳米粒子，从而防止核酸酶和其他化学试剂降解。²³⁶然而，应该注意的是，这种形成的复合物触发核酸构象的可逆变化。²³⁷非共价制剂表现出增强的传递和增加的活性，^192,233,234 这些效应的强度取决于 AuNP：核酸比率、表面电荷覆盖率和纳米系统的疏水性。 ²³²

通过应用光可裂解键，如在近紫外辐射 (>350 nm) 下裂解的邻硝基苄酯键，可以增强 DNA 从与 AuNPs 复合物的释放。这导致阳离子烷基胺的释放，留下带负电荷的羧基部分。这种静电荷逆转导致 DNA 从 AuNPs 复合物中有效释

图 14. AuNPs 影响 VEGF165 受体的磷酸化。(A) 血清饥饿的 HUVEC 用 VEGF165 (10 ng/mL) 刺激 5 分钟，VEGF165 (10 ng/mL) 在有或没有 AuNPs (GNPs) 的情况下进行预孵育，然后用抗磷酸酪氨酸 KDR (pKDR) 的抗体和细胞提取物中的总 KDR 水平进行免疫印迹。(B) 使用 NIH 图像对磷酸酪氨酸印迹进行光密度扫描，以百分比表示。经参考文献251 许可转载。版权所有 2011 Elsevier。

放，导致细胞内有效的 DNA 积累，并具有显著的核定位。²³⁸

所谓的“逐层”改性纳米颗粒的合成似乎是一种有前途的、通用的 DNA 和 RNA 运输和控制释放方法。在这种策略中，AuNPs可能会被后续的具有不同特性的改性分子层包覆。例如，巯基癸酸稳定的金纳米粒子反复涂有带正电荷的 PEI 和带负电荷的 siRNA。具有不同程度表面涂层的构建体表现出标定的细胞毒性和各种细胞内定位模式，这转化为不同水平的 GFP 表达敲低。²³⁹（烯丙胺）（PAH-Cit）和 siRNA 显示出容易的内体逃逸和增强的基因沉默。²⁴⁰

金纳米粒子作为血管生成的治疗-调节使用金纳米粒子本身作为治疗分子是癌症医学治疗的另一种潜在策略。如前所述，AuNPs 可能对某些类型的癌细胞系表现出细胞毒性。具有靶向配体的表面功能化可以进一步提高纳米金颗粒的作用特异性，同时减少它们与健康组织和细胞的非特异性相互作用。然而，由于纳米金颗粒的细胞毒性机制尚没有被完全认可和表征清楚，它们作为抗癌疗法本身的用途需要进一步研究。

抑制血管生成是金纳米粒子在抗癌治疗中应用的最有前景的策略之一。该过程涉及通过细胞外基质的降解以及内皮细胞的激活、迁移、增殖和分化来生长和扩张新血管（图 12）。肿瘤生长严重依赖于血管形成，提供持续的营养和氧气流动，以及代谢废物的去除。癌细胞的生长通常遵循 S 形曲线，倍增时间取决于肿瘤体积。¹⁹⁵实体肿瘤可以达到 1-2 毫米的大小而无需血液供应，因为在开始时，扩散过程是足以在环境和细胞之间交换化合物。随着进一步生长，肿瘤进入细胞缺氧阶段，从而启动血管生成过程，这对癌症进展和转移至关重要。²⁴²因此，抑制血管生成是当前抗癌治疗的主要策略之一。迄今为止，已经确定了几种抗血管生成化合物，它们目前正在临床评估中。^243,244抑制血管生成的主要目标是一组生长因子，包括成纤维细胞生长因子 (FGF)、血小板衍生生长因子 (PDGF)、而最重要的是，血管内皮生长因子 (VEGF)是众所周知的血管生成激活剂，它在肿瘤生长和转移过程中过度表达。这些因子通过与酪氨酸激酶受体的相互作用在内皮细胞的增殖中起关键作用。VEGF 是参与癌症发展和转移的关键因素，因此研究最为全面。²⁴⁶ 然而，利用抑制血管生成的抗癌治疗远不能令人满意。血管形成不足可能会减慢向癌细胞输送药物的速度并降低其治疗效果。²⁴⁷此外，肿瘤可以产生对抗血管生成治疗的抵抗机制，主要是通过特别具有攻击性的细胞的积累。^248,249

裸球形 AuNP 已被证明与肝素结合生长因子相互作用，如 VEGF165 和碱性FGF (bFGF)，从而抑制它们的活性。据推测，这种现象主要基于生长因子的肝素结合域（可能通过半胱氨酸和/或赖氨酸残基）与金纳米粒子的 -NH2 或 -SH 基团之间的相互作用。该理论在以下观察中得到支持：AuNPs 不会抑制非肝素结合生长因子（如 VEGF121）的活性。纳米金与 VEGF165 和 bFGF 的结合通过降低负责血管生成的关键蛋白质的磷酸化率，导致体外内皮/成纤维细胞增殖的抑制。这种效应是剂量依赖性的，在 335-670 nM 浓度下观察到几乎完全抑制。此外，AuNPs 在小鼠耳和小鼠卵巢肿瘤模型中抑制 VEGF 诱导的体内通透性和血管生成。^245,250后来表明，AuNPs 的抑制作用是由肝素结合生长因子的构象或变性引起的，而非肝素结合蛋白的构象保持不变（图 13）。有趣的是，作者已经证明抑制过程是大小依赖性的（图 14），并且裸 AuNPs的表面在观察到的现象中起着重要作用。他们使用具有不同表面电荷的硫醇化四（乙二醇）修饰的金纳米粒子来研究 AuNPs与肝素结合域之间的静电相互作用在抑制生长因子活性中的作用。已经证明，裸金表面对于抑制 VEGF165²⁵¹的功能至关重要。同一小组进行的其他实验表明，内化的金纳米颗粒可能会改变细胞内信号传导并阻断 MAPK 通路，从而通过干扰上皮间质转化 (EMT) 抑制转移。这个过程中肝素结合生长因子发挥重要作用，对于肿瘤细胞的转移潜力至关重要。²⁵²

AuNPs 抑制 VEGF165 诱导的细胞迁移和管形成的能力已通过使用人脐静脉内皮细胞系模型 (HUVEC)进一步探索。金纳米粒子通过影响细胞表面和细胞骨架的结构并影响 Akt 通路，显著减慢了这两个过程。²⁵³

AuNPs 也被用作血管生成调节化合物的载体或平台。例如，它们已与槲皮素共价结合以提高其溶解性和抗癌潜力。槲皮素调节肿瘤细胞的增殖、存活和分化，并在调节 EGF 诱导的 EMT 过程中发挥重要作用。 AuNP-槲皮素配方降低了 HUVEC 细胞培养物中的活力和毛细管样管的形成。此外，偶联物能够在体外和体内抑制新血管的形成，并减缓乳腺癌大鼠模型中的肿瘤生长。²⁵⁴

球形金纳米粒子被证明是内皮抑素的有效纳米载体，内皮抑素是一种广泛应用于临床治疗的抗血管生成剂。这种偶联物减少了体外培养的 HUVEC 中的细胞迁移和管形成，并增加了周细胞的表达，同时抑制了转移性结直肠癌异种移植物中血管内皮生长因子受体 2 (VEGFR2) 和前梯度 2 (AGR2) 的表达。²⁵⁵有趣的是，类似的聚乙二醇化制剂表现出在 H22 异种移植模型中增加肿瘤积累并促进暂时性肿瘤血管正常化。它们能够降低通透性和缺氧，增强血管完整性，增加血流灌注，从而增加 5-氟尿嘧啶向肿瘤的输送。²⁵⁶PEG 包覆的 AuNPs还与抗血管生成剂信号素3F 结合（Sema 3F)，与游离信号素相比，在 HUVECs 培养物中提高了细胞摄取并显著减少了VEGF165 诱导的细胞增殖。²⁵⁷

一个有趣的策略涉及金纳米粒子与旨在选择性与负责激活或抑制血管生成的细胞受体相互作用的肽的功能化。Bartczak 等人设计了三种肽，结合血管内皮生长因子受体并激活促血管生成基因（P1，KPQPRPLS）的表达；与神经纤毛蛋白 1 受体结合并促进其内化（P3，KATWLPPR）；和 P2 (KPRQPSLP) 作为对照，不与这些受体相互作用。这些肽与低聚（乙二醇）封端的 AuNPs共价结合，随后评估其在体外对血管生长的调节。正如预期的那样，根据肽的功能，AuNPs 促进或阻断毛细血管形成而不对细胞造成毒性，激活剂和抑制剂都按照不同的机制导致屏障功能障碍。²⁵⁸ 这些特性随后在鸡胚胎模型中得到了体内证实。²⁵⁹

结论和批判性评价

由于过去几十年纳米技术和纳米科学的快速发展，研究人员现在可以使用各种不同大小、形状和结构的粒子。由于其独特的特性，金纳米粒子在医学应用中特别受关注，尤其是用于抗癌治疗。多种可能的合成方法使能获得具有特定结构和特性取决于预期用途的纳米金颗粒。此外，它们的反应性可以进一步修饰和功能化，进一步提高生物利用度并拓宽 AuNPs 的医疗应用范围。纳米金的众多不同物理化学特性（在本综述中强调的），将它们与其他纳米粒子区分开来，为它们的使用带来了希望，尤其是作为药物输送装置、血管生成调节剂或破坏肿瘤组织的热激活因子。这为开发创新的癌症治疗方法带来了希望，为最常用的化疗药物提供了一个很好的替代方案。

然而，目前可用的关于金纳米粒子的生物影响的科学报告仍然存在许多问题和不一致之处。这些主要是由于体外和体内模型、实验程序、应用剂量或合成方法的差异。 AuNPs 的可能聚集和它们在没有额外标记的情况下可视化的困难可能构成对实验结果进一步解释的障碍。所有这些方面都严重阻碍了对金纳米粒子的生物活性及其在抗癌治疗中的应用得出明确的结论。为了充分发挥它们的治疗潜力，强烈需要继续和扩大对体外培养的简单细胞模型和更复杂的动物系统的研究。

开发和优化 AuNPs 合成的无毒方法，提供高纯度的单分散纳米颗粒并使其在无菌条件下用于体外筛选测试仍然是一个巨大的挑战。纳米金合成的精确控制非常重要，因为即使尺寸和形状的微小变化也会极大地影响 AuNPs 的特性。此外，AuNPs 的化学表征是另一个重要阶段，可以获得具有相同物理和化学特性的纳米粒子，确保实验的可重复性。

一个单独但同样重要的问题是综合评估粒子特征（大小、形状、和表面改性）和观察到的生物效应。特别是，选择用于金纳米粒子功能化/涂层的化合物应彻底测试可能的副作用或生物体中的全身毒性。评估纳米金的生物相容性，不仅在细胞毒性水平，而且在亚细胞过程中，都是至关重要的。尽管最初AuNPs没有细胞毒性的说法引起了人们的热情，但许多关于该主题的研究表明该问题的多层次性质和复杂性。因此，必须更好地了解由暴露于 AuNPs 引发的细胞和分子机制。在这里，金纳米粒子的炎症特性，以及它们对基因组学（DNA 提供的完整遗传信息）、转录组学（基因表达模式）、蛋白质组学和代谢组学（细胞蛋白质和代谢物的分别含量）以及表观遗传学（基因表达的可遗传变化，DNA 序列不发生变化）的影响应该被强调为剩余的挑战。这一点尤为重要，因为此类影响可能会导致长期变化或毒性，类似于金属在生物体内的长期积累。表观遗传改变尤其能够促进表型修饰，不仅在暴露的个体中而且在随后的后代和连续的世代中。这对科学家评估化合物安全性的方式具有重要意义。不幸的是，所有提到的研究领域和相关技术尚未在纳米毒理学中常规地实施。

最后但同样重要的一点是，通过 AuNPs 以复合物和偶联物的形式输送药物或活性化合物存在许多问题。在这一点上，应该彻底测试治疗药物释放的动力学及其与金本身的相互作用。有许多关于化合物与纳米载体复合或偶联后活性降低的报道，这可能会显著阻碍纳米金的输送潜力。还应综合评估这样的配方在不同环境条件下的稳定性。

考虑到所有这些方面，可以认为金纳米粒子的临床应用仍然需要很多努力，离最终成功还很远。尽管如此，在这项工作中，我们对有关金纳米粒子在各种抗癌疗法中可能使用的可用数据进行了深入报告。与其他纳米粒子相比，纳米金生物活性的可用报告数量和种类繁多，这让我们看到，将来我们将能够开发出基于 AuNPs的有效癌症治疗方法。