复旦Chem：“引擎-拖车”结构纳米卡车用于增强的纳米生物相互作用和成像介导的药物递送

【背景介绍】

近年来，基于纳米材料的药物递送系统在癌症治疗中引起了广泛的关注。研究表明，与小分子药物相比，以纳米粒子为载体的药物递送系统往往可以增加药物分子的溶解性、降低药物分子的非特异性毒性、调控其药代动力学和生物分布。然而，纳米药物的未来发展需要纳米粒子自身的生物特性能够进一步改善和提高，包括良好的生物相容性、高效的药物负载、智能可控的药物释放；尤其是增强的纳米-生物相互作用，以延长纳米粒子的血液循环时间，提高其肿瘤富集和细胞摄取性能。

纳米尺度的粗糙界面在许多生物应用中表现出优异的性能，如生物成像、细菌抑制作用、药物输送。纳米粒子的粗糙界面很大程度地影响其与生物分子（如蛋白质、基因分子）的粘附、细胞摄取和其在生物体内的分布和代谢。然而，目前报道的粗糙表面纳米粒子通常表现出相对较低的生物相容性和比表面积（<200 m²/g），限制了其在纳米医药的进一步应用。因此，基于纳米粒子的纳米药物需要同时具备粗糙界面和高比表面积，以实现增强的纳米生物相互作用和高效的药物负载。

【成果简介】

最近，复旦大学李晓民研究员和赵东元院士团队开发了一种“引擎-拖车”结构的纳米卡车用于增强的纳米生物相互作用和成像指导的药物递送。作者通过界面能介导的各向异性生长策略制备了非对称结构介孔“纳米卡车”。该非对称结构的纳米卡车以粗糙表面的介孔二氧化硅（rSiO₂）作为“引擎-车头”，增强纳米生物相互作用；以高比表面积的周期性介孔有机硅（PMO）纳米棒作为“拖车-车厢”，提高药物负载性能。通过进一步在粗糙的“引擎-车头”植入上下转换发光纳米粒子，这种纳米卡车不仅与肿瘤细胞具有增强的相互作用，而且具有长时间的血液循环和高效的肿瘤积累，并实现了体内近红外光成像指导下的药物可控递送。相关成果“Engine-Trailer-Structured Nanotrucks for Efficient Nano-Bio Interactions and Bioimaging-Guided Drug Delivery”发表于Chem期刊上。

【图文导读】

图一、纳米卡车的结构和光学特性

（A）纳米卡车（U /DCNP@SiO₂@rSiO₂＆PMO）的制备过程示意图；

（B, C）纳米卡车的SEM和TEM照片；

（D）核壳结构的“引擎-车头”（U/DCNP@SiO₂@rSiO₂）和非对称结构的纳米卡车的氮气吸脱曲线；

（E）纳米卡车在980nm和808 nm近红外光激发下的上转换和下转换发光光谱及光学照片。

图二、介孔rSiO₂＆PMO纳米卡车的可控合成

（A-E）通过调整rSiO₂纳米粒子的初始量获得的具有不同PMO长度的rSiO₂＆PMO纳米卡车。

（F-J）通过调节BTEE的浓度获得的具有不同PMO直径的rSiO₂＆PMO纳米卡车。

图三、界面能驱动的PMO纳米棒各向同性和各向异性生长

（A）氨水浓度影响的粗糙界面PMO各向同性生长和各向异性生长之间的竞争关系示意图；

（B）rSiO₂纳米粒子（i）以及在不同氨水浓度下： (ii) 1v/v%、(iii)2.25 v/v%、(iv)3.5 v/v%和(v)5v/v%，PMO在rSiO₂表面生长所得纳米粒子的TEM照片；

（C,D）2v/v%氨水浓度下，PMO在表面光滑的SiO₂（C）和表面粗糙的rSiO₂（D）上生长所得纳米粒子TEM照片；

（E-G）光滑和粗糙界面上PMO成核生长示意图。

图四、立方相结构PMO在rSiO₂表面的各向同性和各向异性生长

（A~C）在不同的氨水浓度下：（A）1 v/v％，（B）3 v/v％和（C）5 v/v％，立方介孔结构的PMO在rSiO₂表面生长所得纳米粒子的TEM照片；

（D）在5 v/v％的氨水浓度下所得的非对称纳米粒子rSiO₂＆cPMO的SEM照片。

图五、纳米卡车增强药物递送的体外实验

（A）U/DCNP@SiO₂@mSiO₂&PMO和U/DCNP@SiO₂@rSiO₂&PMO纳米复合材料与MCF-7细胞共同培养10min、30min、1h和2h的共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）图像；

（B）U/DCNP@SiO₂@mSiO₂&PMO和U/DCNP@SiO₂@rSiO₂&PMO纳米复合材料的细胞摄取性能；

（C, D）PMO，mSiO₂，rSiO₂，U/DCNP@SiO₂@mSiO₂&PMO和U/DCNP@SiO₂@rSiO₂&PMO的溶血率及光学照片；

（E）核壳结构的“引擎-车头”U/DCNP@SiO₂@rSiO₂和非对称结构的纳米卡车U/DCNP@SiO₂@rSiO₂&PMO的生物相容性；

（F）近红外光响应可控药物释放的示意图；

（G）在980nm 近红外光间歇照射下，纳米卡车的药物释放曲线；

（H）不同条件下处理的MCF-7细胞成活率。

图六、纳米卡车用于生物成像指导下的肿瘤富集及药物递送

（A）U/DCNP@SiO₂@mSiO₂＆PMO和U/DCNP@SiO₂@rSiO₂＆PMO纳米复合材料处理后，MCF-7荷瘤小鼠不同时间段肿瘤区域的NIR-II活体成像；

（B, C）不同时间对肿瘤（B）和血液（C）中的U/DCNP@SiO₂@mSiO₂＆PMO和U/DCNP@SiO₂@rSiO₂＆PMO进行定量分析。

【小结】

综上所述，作者通过界面能介导的PMO纳米棒在粗糙界面的各向异性生长，精巧合理设计并成功合成出非对称结构rSiO₂＆PMO纳米卡车，并将其用于近红外光成像指导的药物递送。合成的纳米卡车具有均匀且可调的尺寸和结构。纳米卡车的“引擎-车头”可以嵌入U/DCNP进一步功能化，以用于生物体内成像和近红外光响应的药物控释。该工作为设计多功能的药物递送系统提供了新的视角。

文献链接：

Engine-Trailer-Structured Nanotrucks for Efficient Nano-Bio Interactions and Bioimaging-Guided Drug Delivery（Chem. 2020, 6, 1-16.）

团队在该领域的相关工作

1. Anisotropic Growth-Induced Synthesis of Dual-Compartment Janus Mesoporous Silica Nanoparticles for Bimodal Triggered Drugs Delivery, J. Am. Chem. Soc.,2014, 136, 15086;

2. Anisotropic Encapsulation-Induced Synthesis of Asymmetric Single-Hole Mesoporous Nanocages, J. Am. Chem. Soc.,2015, 137, 5903;

3. Degradation-Restructuring Induced Anisotropic Epitaxial Growth for Fabrication of Asymmetric Diblock and Triblock Mesoporous Nanocomposites, Adv. Mater.,2017, 1701652.

4. Facile Synthesis of Uniform Virus-like Mesoporous Silica Nanoparticles for Enhanced Cellular Internalization, ACS Cent. Sci., 2017, 3, 8, 839.

5. Spatial Isolation of Carbon and Silica in a Single Janus Mesoporous Nanoparticle with Tunable Amphiphilicity, J. Am. Chem. Soc.,2018, 140, 10009.

6. Surface-Kinetics Mediated Mesoporous Multipods for Enhanced Bacterial Adhesion and Inhibition, Nat. Commun.,2019, 10, 4387.

本文由我亦是行人编译。

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