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J. Future Foods | 生物医学应用中的无机类病毒纳米颗粒:综述
2023-09-01作者:来源:责任编辑:食品界 字体A+AA-
Introduction
迄今为止,采用仿生方法成功地合成和研究了各种病毒样颗粒(VLPs),分为有机和无机VLPs(病毒模拟地形)。有机VLPs模拟病毒衣壳结构,主要包括用真实病毒糖蛋白修饰的类脂质体颗粒和由基因工程衣壳组装的蛋白质颗粒。这些有机VLPs在结构和形态上与野生型病毒颗粒相似,也表现出类似的细胞摄取和细胞内贩运。尽管如此,关于免疫原性和诱变风险的担忧限制了有机VLPs的临床潜力。通常,应用于纳米医学的无机VLPs主要由无机物质组成。与有机纳米粒子相比,无机纳米粒子具有许多迷人的物理化学性质,包括优良的电学、光学、磁性、机械和催化性能。此外,无机纳米颗粒具有许多优点,如结构、组成、形态和物理化学特性,这使它们特别适合于生物医学应用。另外,有机VLPs也得到了广泛的研究和评述,而下面将重点关注最近开发的人工无机VLPs。
本文综述了VLPs的制备、性能以及纳米形貌引发的纳米生物界面相互作用机理。此外,作者还将重点介绍无机VLPs在生物医学应用方面的最新进展,如生物传感、抗菌治疗和癌症治疗(图1)。最后,作者还将重点介绍未来的展望和新出现的挑战。本综述旨在为非病毒载体,特别是基因疫苗平台的合理设计提供参考。
油中的亲水颗粒和水中的疏水颗粒会发生聚集,但采用聚合物、表面活性剂或颗粒进行表面改性时,可以均匀分散在胶体溶液中。一种潜在的策略是通过调节粒子和溶剂之间的相互作用,利用波纹状粒子,产生独特的润湿行为。例如,Montjoy 等合成了具有刚性纳米刺突结构的微米级颗粒,无论是否与溶剂的极性相匹配,都表现出优异的高分散稳定性。在没有化学物质伪装的情况下,这种独特的分散行为可能有助于减少挥发性溶剂和表面活性剂对环境的不利影响。此外,表面由聚合物或颗粒装饰的hedgehog粒子(HPs)可以保持这种特性,并扩展其作为无分散载体的应用。与光滑表面的粒子相比,这种被定义为全分散性的特性可以解释为纳米尖峰粒子之间的范德瓦尔斯相互作用的急剧减少。同时,hp在高离子强度介质中的稳定性进一步增强。此外,这种全分散的HPs可以同时检测多个目标,并克服其他表面增强拉曼散射(SERS)探针胶体稳定性有限的问题。
材料与细胞界面的机械转导机制在调节细胞行为中发挥重要作用,包括细胞粘附、细胞增殖、细胞迁移和细胞分化。越来越多的人认识到细胞外物质的表面形貌是诱导细胞感觉和反应的重要物理性质。因此,合理设计精确控制的地形有助于调节和理解机械传导过程,从而指导细胞的行为和命运。
Song等利用一种简单的方法制备了表面粗糙的介孔二氧化硅纳米球,通过多价相互作用和大量的亲密接触,与光滑表面的纳米球相比,其对细菌表面的粘附性增强。Wang等和Chen等开发了多相的二氧化钛尖状颗粒,可以穿透细胞膜,并允许生物分子绕过核内体途径直接释放到细胞溶胶中。Wang等也证明了纳米颗粒形貌对介孔二氧化硅纳米颗粒膜相互作用的影响。理论模型和计算模拟表明,获得的VLPs通过机械作用有效地刺穿细菌膜,诱导膜破裂,并对重力沉降下的细菌具有抗菌作用。通过耗散粒子动力学模拟表明:表面尖峰结构可以诱导细胞膜结构缺陷,降低附近脂质双分子层的密度,从而提高细胞膜的吸收效率。
此外,尖刺颗粒作为初级刺激物已被证明可以激活和放大免疫反应。在吞噬过程中,纳米尖刺介导机械应激,以caspase-1和nlrp3依赖的方式激活K+流出和典型的炎症小体。当暴露于单磷基脂质A时,棘粒对抗原特异性抗原诱导了体液免疫反应,并引起了对肿瘤生长和流感的保护性免疫抗肿瘤生长和流感。
引入独特的形貌已被证明是提高功能纳米材料催化性能的有效策略。在金属纳米材料的各种形态中,高分枝结构因其较大的表面积和表面缺陷(表面台阶、边缘和角原子)而受到广泛关注,以提高催化活性。Ye 等利用一锅法合成了具有高度分枝和开放结构的板栗刺状Pd纳米结构。由于具有较大的比表面积和潜在的催化活性位点,钯纳米结构具有比商用钯/碳更高的电催化活性。类似地,Xue 等制备了一种类似毛丹的Mn掺杂CoO纳米球,具有较大的针状结构,与纳米花状和球形形貌相比,该纳米球充满空隙,暴露出更大的比表面积。在电催化过程中,电解液可以渗透到空隙中,使反应物和活性位点更紧密地接触,从而加速氢和氧的释放。得益于这种特殊的形态,所提出的纳米微球还可以有效地穿透细菌细胞壁,导致细菌死亡。
无机纳米粒子的表面形貌对其光学性能有显著影响,尤其是用于SERS的金属纳米粒子。SERS的灵敏度高度依赖于基底的表面形貌。目前,一些表面形貌各异的贵金属颗粒(如Au、Ag、Pd、Pt)已被制备并作为SERS基底进行评价,包括星形、花状、海胆状和高支化纳米颗粒。最近,Lin 等使用了一种简便的一锅软模板方法来制备可调衣壳状金胶体。采用单宁酸作为还原剂和软模板自组装成球形复合模板,通过表面羟基还原Au3+离子,成功制备出均匀的金胶体粒子。对制备的金颗粒的表面粗糙度、大小和斑块数量进行了进一步的优化,利用了通过改变表面羟基的数量来产生形貌控制的机制。这些设计的衣壳状金胶体颗粒表现出优异的催化性能和增强的SERS性能。
无机VLPs的构建
对于类病毒贵金属纳米粒子的合成,通常采用一锅法。例如,Cheng等制备了一系列形状可控的银颗粒,从肉丸状到珊瑚状、海胆状和高分枝状(图2A、B)。在这种颗粒介导的生长系统中,较低的浓度会促进各向性生长,在颗粒表面形成更密集、更尖锐的突起,这可以大大提高SERS增强。系统的实验研究和理论模拟表明,高分枝Ag粒子表现出最高的SERS灵敏度。这主要是由于粒子表面更密集、更尖锐的突起产生了更强的电磁场。
金属氧化物基纳米材料因其相对低廉的成本、简洁的合成工艺和独特的物理化学性质(如机械、磁性、光学、热、催化和电学性质)而受到生物医学领域的广泛关注。例如,用近红外光或超声波照射金属氧化物可以产生热疗和活性氧(ROS),使它们能够用于癌症治疗。此外,许多金属氧化物能够在肿瘤微环境(TME)中产生类芬顿反应,从而允许化疗动力学治疗(CDT)。金属氧化物纳米材料的合成有几种不同的方法,包括水热法、溶剂热热法、共沉淀法、溶胶-凝胶法和热分解法。
最近,有人提出垂直纳米线可以直接穿透细胞膜,使生物分子绕过核内体进入细胞质。为此,Chen等利用水热法制备了多相尖状TiO2颗粒(图3A)。据报道,棘状颗粒可以直接穿透细胞膜,将生物分子释放到细胞质中,绕过了传统的内吞降解途径。另外,作者使用无模板分层自组装方法开发了中尺度FeSe2刺猬(图3B)。值得注意的是,通过调节十二茴醇(DT)的浓度,FeSe2粒子的形貌可以从初级的冰球状FeSe2粒子转变为单晶纳米片或中尺度刺猬。根据实验结果和分子动力学模拟,纳米尺度的异质性和各向异性触发了刺猬FeSe2颗粒的组装(图3)。进一步,作者证明了FeSe2刺猬非常容易被细胞内化。然后用光热可溶解明胶包覆FeSe2刺猬,实现近红外光照射下的形态转化和药物同步释放,进而实现靶向肿瘤积累和协同抑制肿瘤的作用。
在各种病毒激发的纳米载体中,硅基VLPs因其在体内应用的独特优势而被广泛应用,包括优良的生物相容性、多功能的表面化学和结构稳定性。此外,硅基纳米材料具有可生物降解性,在水溶液中溶解缓慢,释放无毒硅酸,在体内快速清除,提高了实际应用中的生物安全性。
例如,Song等报道了二氧化硅纳米花粉,将正硅酸四乙酯、甲醛和间苯二酚引入到典型的stöber合成溶液中,其对细菌的黏附性比光滑表面强。Wang等开发了一种单胶束外延生长方法,用于合成具有可调谐穗长的介孔二氧化硅VLPs(图4A)。与球形介孔二氧化硅纳米颗粒相比,它们具有更快的内化速度和更高的杀伤癌细胞的效果。
Song等的研究报道,二氧化硅纳米颗粒的表面形貌显著影响质粒DNA的转染效率(图4B)。与具有花状和树莓状形态的纳米颗粒相比,具有尖刺表面的红毛丹状纳米颗粒表现出更高的转染效率。此外,通过一种自底向上的自组装方法,他们开发了颗粒上的各向异性峰值分布,他们的实验表明,这些颗粒可以作为口腔的增强型运载工具。Haffner等研究了介孔二氧化硅纳米颗粒-膜与不同纳米颗粒形貌的相互作用。为此,通过外延生长方法合成了类病毒介孔二氧化硅纳米粒子,与使用改进的stöber方法生产的光滑介孔纳米粒子/固体二氧化硅纳米粒子相比。实验结果表明,VLPs能够破坏脂质膜的稳定性,而光滑的二氧化硅纳米颗粒则不能。利用中子反射法,研究表明病毒样纳米颗粒诱导了跨膜缺陷,并确保抗菌肽与不同纳米颗粒形态的双层小叶相互作用相结合。为此,通过外延生长方法合成了类病毒介孔二氧化硅纳米粒子,与使用改进的stöber方法生产的光滑介孔纳米粒子/固体二氧化硅纳米粒子相比。实验结果表明,VLPs能够破坏脂质膜的稳定性,而光滑的二氧化硅纳米颗粒则不能。使用中子反射计,它被证明病毒样纳米颗粒诱导跨膜缺陷,并确保抗菌肽被纳入两个双层小叶。
图2 (A)表面形貌可调的Ag介粒子扫描电镜(SEM)图像。比例尺为1 μm。(B) Ag+浓度对Ag介粒形貌影响示意图。(C)不同浓度的CPC溶液对Pd纳米结构的TEM图像
图3 (A)通过聚乙烯亚胺(PEI)功能化微粒进行生物分子传递的示意图。(B)不同数量的DT对FeSe2纳米结构的SEM图像
形状控制的纳米颗粒作为几何效应已经引起了学术界的广泛关注,因为它们独特的物理化学性质与不同寻常的几何形状对生物医学应用具有重大影响。近年来,大量研究表明,无机VLPs的表面拓扑结构在调节粒子-细胞界面相互作用方面发挥着关键作用,并可能被用作生物医学应用的强大策略,如生物传感器、抗菌活性和疾病治疗。
图4 (A)病毒样介孔二氧化硅纳米颗粒形成过程的透射电镜(TEM)图像和示意图。(B)分别为红毛丹状、覆盆子状和花状形态的SEM图像(1-3)、TEM图像(4-6)、电子层析成像(7-9)和重构亚基(10-12)
图5 (A)中空病毒状介孔CuO纳米球的制备及表征。(B)使用不同类型的种子颗粒制备的多层核壳纳米结构的TEM图像:(1) NaYF4:Gd (30 mol%), (2) NaYbF4:Gd (30 mol%), (3) NaGdF4: Yb/Tm (49/1 mol%), (4) NaGdF4: Yb/Tm (49/1 mol%)@NaGdF4:Tb (15 mol%), (5) NaGdF4, (6) NaYbF4
由于具有针状形貌的纳米结构具有较大的表面积和表面缺陷诱导的表面丰富的活性位点,已被证明在生物传感领域具有相当大的应用潜力。例如,Lin等报道了一种简便的一锅软模板法用于合成衣壳状金胶体,这种胶体在颗粒大小和表面粗糙度上都是可定制的(图6)。与光滑的球形金胶体相比,这些粗糙的衣壳状金胶体表现出优异的催化性能和增强的SERS传感性能,可用于检测有机小分子和仿生酶。Liu等人采用种子介导的生长方法,通过核壳材料之间的紧密晶格匹配成功地合成了类刺猬的分层上转换粒子。有趣的是,这种刺猬状的纳米结构使二氧化锰纳米片能够高密度地固定,进而形成了一种新型的基于单粒子的传感平台,用于超灵敏地检测二硫苏糖醇(DTT)。
近几十年来,纳米颗粒独特的物理化学特性使其具有多药耐药性,能够对抗微生物的进化。众所周知,在刺突蛋白的帮助下,病毒颗粒对宿主细胞表现出强烈的感染。受此启发,Yu等的一项研究开发了一种合成粗糙表面的二氧化硅纳米花粉的简便方法,这种方法比光滑表面的二氧化硅纳米花粉对细菌的黏附力更强(图7A)。进一步将溶菌酶加载到二氧化硅纳米花粉中,表现出了缓释行为,有效的抗菌活性,以及对大肠杆菌的长期抑菌作用长达3天。有证据表明,具有微/纳米结构的物体之间的几何匹配有利于自然系统中稳定的生物相互作用。Nie等提出了与甲型流感病毒(IAV)病毒粒子相匹配的尖状地形的新型病毒抑制剂(图7B)。进一步的研究表明,具有尖刺(5~10 nm)的纳米颗粒与IAV病毒粒子结合的纳米结构明显优于光滑的纳米颗粒,因为短尖刺可以匹配IAV病毒粒子的糖蛋白缺口。经红细胞膜(EM)包覆后,所构建的纳米结构可有效抑制IAV的黏附和感染。此外,在感染后实验中,纳米结构将病毒复制率降低了99.9%以上。因此,基于几何匹配原理提出的策略为包括SARS-CoV-2在内的其他病毒抑制剂的开发提供了宝贵的范例。
图6 (A)形态可调的金空心衣壳制备机理示意图。(B)单宁酸(TA)分子浓度和Au3+对颗粒形貌的影响。(C)巯基酚(MPH)在金胶体(光滑球形胶体(棕色)和粗糙衣壳状胶体(绿色)(C1)基底上的SERS光谱;不同浓度的MPH在粗糙衣壳样胶体上的SERS响应(黑线为硅片上0.1 μmol/L MPH的基线)(C2)
图7 (A)高效抗菌处理二氧化硅纳米颗粒示意图(1)光滑的二氧化硅空心球(S-SHSs)(2)、带有封闭壳层的粗糙介孔二氧化硅空心球(R-MSHSs- b)(3)和黏附在大肠杆菌表面的粗糙介孔二氧化硅空心球(R-MSHSs)(4)的SEM图像。琼脂平板显示不同处理后的菌落(5)。(B)将SNS-10插入到IAV颗粒表面蛋白间隙的示意图(1)。Cryo-TEM图像显示了IAV与尖刺纳米结构(SNS)-0、SNS-10和SNS-30的结合(2)
众所周知,细胞会对纳米表面形貌进行识别和反应,这对细胞形态和基因表达有着深远的影响。最近的研究表明,纳米形貌在直接向细胞输送药物、触发细胞内吞作用、控制停留时间或促进上皮间输送方面具有很大的潜力。
图8 (A)肿瘤微环境响应性形状逆转和增强NIR-II光热化疗。(B)金/二氧化硅杂化纳米胶囊介导的化疗基因光热三模态抗肿瘤治疗
无机VLPs具有较高的细胞摄取效率和光热高效转化效率,在肿瘤治疗中受到了广泛的关注。受此启发,通过配位驱动化学药物(培美曲塞、PEM)、IR-II荧光探针(IR825)和稀土金属离子(NdIII)共组装,制备了一种类病毒纳米药物(图8A)。PEG偶联到纳米药物表面以平滑尖刺,然后去除尖刺,在酸性肿瘤微环境中逆转表面形态。这样的范例平衡了peg化延长体循环的优点和肿瘤积聚不良的缺点之间的矛盾。将肿瘤微环境响应性形状逆转、光热效应放大和增强的优势整合到一个单一的纳米系统中,这种给药纳米平台为肿瘤靶向治疗提供了广阔的前景。
具有尖刺形态的纳米结构已被证明能够增强基因分子的细胞内化,促进基因表达,弥补易降解的缺陷。因为VLPs表面的尖刺提供了一个横向连续的多孔空间,通过多价相互作用使其与基因分子的亲和力更强,并保护纠缠和隐藏在尖刺层中的基因分子不被核酸酶降解,最终达到高转染效率。因此,将治疗性核酸药物引入到这些化学光热纳米系统中,最近构建了一种由金纳米棒内核和带有尖刺的聚阳离子介孔二氧化硅壳组成的波纹状粗糙纳米胶囊,用于化学-基因光热三模治疗(图8B)。与具有光滑表面形貌的类似物相比,纳米胶囊粗糙的表面特征可显著增强细胞内化,促进基因转染。得益于AuNR核优异的光热特性,实现了光热增强化疗的协同治疗效果。这种带有粗糙尖刺纳米颗粒的多模式治疗纳米平台为联合治疗模式开辟了新的途径。
综上所述,无机VLPs由于其固有的物理化学性质,特别是其通用性,在生物医学应用方面具有相当大的应用潜力。从越来越多的相关文献来看,与尖刺结构相关的形态仿生在生物医学应用中引起了极大的兴趣。同时,它们展示了目前生物纳米颗粒所缺乏或未实现的特殊特性。结合表面生化修饰和特异性无机VLPs可以提高相应的性能。虽然初步研究结果表明,这些无机VLPs在生物医学应用方面有很大的前景,但在临床应用之前,仍有许多关键问题有待解决。
表1 不同类型的无机类病毒纳米材料汇总表
首先,无机VLPs在网状内皮系统(RES)中积累所引起的潜在长期毒性是阻碍其进一步临床转化的关键问题。其次,在实际应用中,监测无机VLPs的降解和清除,以确定其整个降解路径仍然是一个挑战。第三,纳米形态学诱导的粒子-生物相互作用机制需要进一步发展创新的纳米形态学、成熟的理论和分子模拟。最后,无机VLPs的未来发展不应局限于先前报道的纳米材料。未来工作的一个主要研究方向是扩大具有多种生物医学功能的无机VLPs的库存。目前,无机VLPs的临床应用障碍仍需进一步研究。
Liying Zhaoa,b, Jiahong Zhoub, Dawei Denga,b,*
a Department of Pharmaceutical Engineering, School of Engineering, China Pharmaceutical University, Nanjing 211198, China
b Department of Biomedical Engineering, School of Engineering, China Pharmaceutical University, Nanjing 211198, China
*Corresponding author.
Abstract
Nature has the ingenious capability to design spiky topological features at the macro-and nanoscales, which exhibits fascinating interface adhesive properties by means of multivalent interactions. Following a biomimetic approach, such as nanoscale virus particles are highly infectious toward host cells, a range of organic and inorganic spiky particles (virus-like nanostructures) have been precisely engineered for diverse biomedical applications. Generally, organic virus-like particles (VLPs) derived from viral capsids (often termed as virosomes) have been extensively studied and reviewed, but concomitant concerns regarding immunogenicity and risks of mutagenesis limit clinical potential of organic VLPs. In contrast, inorganic VLPs (viral-mimicking topography) possess fascinating physicochemical characteristics, such as excellent electrical, optical, magnetic, mechanical and catalytic properties, which make them particularly suitable for biomedical applications. Alternatively, there is no comprehensive review related to inorganic VLPs engineered with non-viral shell for biomedical applications. Hence, in this review, we present a brief overview on inorganic VLPs, followed by summarizing the construction and properties of virus-like nanostructures, as well as the mechanisms of nano-bio interface interactions initiated by spiky topography. Furthermore, we focus on the recent advances of VLPs for biomedical applications (including biosensing, antibacterial therapy and cancer treatment). Finally, the future outlook and emerging challenges will be presented. This review aims to provide future scope of the rational design of inorganic non-viral vectors, especially with respect to gene-based therapy platforms.
ZHAO L Y, ZHOU J H, DENG D W. Inorganic virus-like nanoparticles for biomedical applications: a minireview[J]. Journal of Future Foods, 2024, 4(1): 71-82. DOI:10.1016/j.jfutfo.2023.05.006.