中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2021

专注于为医疗器械研发与生产服务

2022年8月31-9月2日 | 上海世博展览馆1&2号馆

医药纳米材料与器件智能化发展趋势

2021-07-08

纳米材料在医药领域的研究日益增多,包括脂质体、聚合物纳米粒、金属与氧化物纳米材料、纳米碳材料等,其因独特的纳米特性,展示出诱人的生物医学应用前景。

纳米技术的精髓不仅仅在于材料或器件的小尺寸,更在于精准测控,即所谓“搬动”原子、分子的制造与控制技术。现在看来,这与目前快速发展的诸如基因编辑、蛋白质调控等是异曲同工。在此研究基础上,诸如纳米材料的类酶效应、渗透性增强与滞留效应(EPR)等逐渐被揭示并正被探索新的功效,为纳米医学的建立奠定了科学基础。

纳米医学材料及器件一般可分为 4 类:一是检测与诊断用纳米材料,基本是用于生物样本的体外检测和分析,如金属与半导体量子点等,也包括抗菌材料;二是组织修复替代用纳米材料,如纳米磷酸盐、生物基纳米材料等;三是先进药物载体与物理治疗用材料,例如磷脂、光热转换材料等;四是诊疗一体化材料,即具有多功能性的通过经血管等途径进入体内的材料,其把医学诊断与治疗有机结合起来,缩短医疗时程,提高诊疗效率,如将磁共振影像增强结合磁热治疗或磁控药物释放的铁基纳米材料等,由此为医学的智能化或范式变革提供必需的支撑。纳米材料表面功能化结合特定的靶分子,靶向输送药物,再通过体内 pH、酶、温度以及氧化还原电位变化等刺激,或者通过外界刺激信号(光、磁场、微波和超声)的激发,在靶部位可控释放药物。这样的智能化设计,使药物的治疗更具针对性,药物的生物利用度得到大幅提高,进而提高疗效并减轻药物的毒副作用。

医学向智能化方向发展已被广泛认可并期待,积极研发纳米医学材料将大大推进其进程。本期“药咖论坛”专门邀请了在该领域颇有建树的多位教授,撰写了 8 篇综述文章,从不同方面详细阐述了诊疗一体化(或智能)纳米材料与系统的研究现状与进展。例如,为了降低非甾体抗炎药物的严重不良反应,包括肾脏损害和严重的上消化道并发症,研究者利用不同的纳米材料作为智能载药系统用于非甾体抗炎药物的递送。智能设计的纳米载体可以靶向递送药物至炎症部位,并根据内部环境响应或外部因素刺激进行药物可控释放,从而延长药物血液循环时间,降低给药剂量,改善药效学效应,提高治疗效果。乏氧是实体瘤主要特性之一,肿瘤乏氧会产生高度生物还原性微环境,这为设计智能响应型抗癌制剂提供了机会。研究者利用低氧响应元件(偶氮苯、硝基咪唑、醌类化合物等)来修饰聚合物纳米粒子、聚合物胶束、脂质体等纳米材料,从而设计成可进行低氧控释的纳米药物载体,这种基于低氧控释的智能设计,也为肿瘤的治疗提供了新思路。除了乏氧,肿瘤的酸性微环境,以及特异性酶的高表达,都可以成为将纳米材料设计为智能药物递送系统用于癌症治疗的策略,基于此的研究也是层出不穷,极大促进了纳米材料的智能化发展,为癌症的诊断与治疗提供新方法。

外部的刺激往往也为智能化纳米平台的设计提供了很好的策略。研究者通常利用光照、磁场和超声等刺激来设计多功能性的纳米平台用于疾病的诊断和治疗。例如,用于癌症治疗的光治疗联合气体治疗纳米体系,光敏剂在光照的激发下会产生具有细胞毒性的活性氧和热,引起细胞不可逆的损伤,最终诱导细胞凋亡,实现光动力治疗和光热治疗;同时气体供体化合物在光照的刺激下会产生利于肿瘤治疗的气体(CO,NO,H2S,H2,O2 等),当这些气体浓度超过一定阈值即可起到抗癌效果,并且气体的理化性质可以降低光治疗产生的免疫或炎症等不良反应,因此这种智能组合能很好地发挥协同治疗作用,甚至会产生“1+1 > 2”的治疗效果。还有利用磁场作用进行磁共振成像或者肿瘤诊疗的磁性纳米颗粒以及准顺磁超小铁氧体纳米探针等,例如,近年来,笔者课题组利用精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸序列(RGD)修饰的超小 Fe3O4 纳米探针靶向于微小肝肿瘤进行 T1加权磁共振成像。RGD 靶向分子的修饰,增强了整个体系的靶向性,而 Fe3O4 纳米颗粒的超小尺寸,更利于探针在肝脏肿瘤部位的富集并在临床相关磁场下具有良好的 T1 对比效果,可以检测到 2.2 mm 的微小肝癌病灶。此外,还有利用超声进行成像和超声响应性药物输送的脂质微泡,此类微泡在超声作用下独特的非线性效应和强声散射,有利于获得增强的超声造影图像,并且微泡产生的空化作用有助于血液溶栓、肿瘤靶向递药以及突破血脑屏障递药等。纳米材料通过特定设计,使外部刺激变成激发信号,或者材料本身作为一种造影剂,从而产生有利于治疗或成像目的的特定效应,使诊断和治疗更加精准化与智能化。

除了通过内部环境的响应以及外部因素的刺激进行纳米材料的智能化设计外,纳米材料的自组装也可以很巧妙地满足药物跨膜转运的要求。例如,通过自组装结构药物的跨膜转运策略,为纳米材料智能化发展提供了新思路。在水性环境下,材料可自组装成纳米颗粒、胶束、囊泡或纳米海绵等,同时进行药物负载,然后通过胞吞或者转运蛋白等方式进入细胞,进而释放药物发挥作用;在细胞膜上,材料也可自组装成一个纳米管道,用于药物的输送。自组装药物载体,具有高载药率,不易渗漏,可以保护药物在体内逃避免疫系统的攻击,能高效、靶向递药,与普通药物载体相比更加智能化。此外,基于纳米发电机的自驱动技术控制药物释放策略,也为纳米材料的智能化设计提供新方向。纳米发电机是一种可以将机械能转化为电能的纳米体系,目前有 3 种不同类型的纳米发电机,分别为压电纳米发电机(PENG)、摩擦纳米发电机(TENG)和热释电纳米发电机(PYENG),它们可以很好地与现代生物、化学、医学等技术结合,并可以通过与微针贴片、高分子膜材料、微流控等材料和装置进行集成化设计,构建无需外部能源供给的智能自驱动药物释放给药系统,这就可以解决植入型给药系统中的供能问题,并且可降解纳米发电机还可有效规避二次手术风险等问题。

纳米材料在医药领域的应用研究与发展日新月异,智能化设计与实现更将提升疾病诊治及康复技术水平,积极助推我国医疗健康事业快速发展。为此,需要更大程度地强化相关研究与发展,把材料基础与批量制备、质量控制与标准、生物学及临床适用方法等全面结合起来;需要不同领域的研究人员相互之间加强合作交流,深化研究以突破技术瓶颈,让医药纳米材料更好地造福人类。

来源:药学进展