在过去几十年中，纳米技术在生物医学领域做出很大了贡献，包括检测、诊断和通过光电特性或增强生物效应的药物输送。尽管通常被认为是惰性输送载体，但大量证据表明，纳米材料还具有基于成分、形状和表面功能化的独特内在生物活性。这些被称为自我治疗性质的内在生物活性有几种形式，包括细胞间相互作用的调节、生物分子间相互作用、生化反应的催化放大和生物信号转导的改变。此外，生物分子-纳米材料相互作用的研究为揭示生物学的分子机制和疾病的演变提供了一条很有前途的途径。在这篇综述中，美国俄克拉荷马大学Priyabrata Mukherjee教授概述了自治疗纳米材料的历史发展、合成和表征，讨论了纳米材料与生物系统的相互作用，将这种材料视角应用于生物医学领域内在纳米治疗的进展，从癌症治疗到微生物感染和组织再生的治疗。介绍了临床试验中的自我治疗纳米材料，并分享了其对未来几年该领域发展方向的看法。相关工作在2022年11月29日以“Self-therapeutic nanomaterials:Applications in biology and medicine”为题发表在《Mater. Today》上。

图1 用于生物医学应用的自治疗性纳米材料（STNMs）分类

STNMs是多样化的，将它们分为大致的四类，（1）金属基纳米材料调节细胞的相互作用和途径，灭活微生物，或改变蛋白质的构象。（2）基于无机化合物的纳米材料被用于组织再生的应用，（3）碳基纳米材料则被用于组织工程和生物分子聚集。（4）有机纳米材料用于体内清除、免疫调节或治疗神经炎性疾病。结构决定了功能，理解这些纳米材料的结构，为讨论它们的具体应用提供了依据。

图2纳米材料的生物分布和毒性

STNMs必须达到其作用区域。纳米材料的给药方法从直接局部应用到口服应用，这些方法都可能因疾病状态和转运特性的变化而变得复杂。NP的大小对生物分布至关重要：小的NPs（200 nm）被全身巨噬细胞吸收。100 nm以下的NPs可在骨髓、脾脏和肝脏中积累，而小于35 nm以下的NPs可从血液中通过肺毛细血管屏障扩散。直径为10-50nm的NPs倾向于在网状内皮系统中积累，而直径为50-200nm的长循环载体可沉积在大脑或肿瘤环境中。尽管本综述强调了人类医学中的STNMs，但必须承认将哺乳动物细胞暴露于有毒NP剂量的潜在有害影响。

图4 用于抗菌的自治疗纳米材料（STNMs）

自治疗纳米材料显示出抗菌性能（图4）。银纳米材料通过离子释放、ROS生成和细菌膜不稳定的结合，显示出固有的抗菌特性。AgNPs使革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌细胞壁不稳定，对抗分枝杆菌感染，降低原生动物卵囊活力，破坏生物膜形成，并使微生物对抗生素治疗敏感。例如，Huma等人描述了功能化的AgNPs和银纳米团簇（AgNC）如何通过抑制FapC蛋白纤化阻碍铜绿假单胞菌生物膜的形成，随着生物膜吸光度和细菌活性和AgNC浓度的增加而降低。非金属纳米材料的抗菌性能是多种多样的。Machelart等人报道，β-环糊精NPs通过直接抗菌作用和诱导巨噬细胞凋亡，对结核分枝杆菌表现出内在的抗菌特性，从而消耗感染细胞并消除内部的分枝杆菌。

图5 自我治疗性纳米材料（STNMs）作为抗病毒药物和疫苗佐剂

当寻找新的宿主细胞时，病毒颗粒存在于细胞外环境中，使它们容易被STNMs失活。AgNPs通过改变几种病毒的表面蛋白和破坏其结构完整性来预防感染（图5a），但由于它们具有细胞毒性作用，必须谨慎使用。为了解决这些问题，已经开发了有机硅NP杂交体，与纯AgNPs相比，其细胞毒性降低。STNMs在疫苗开发方面的进展补充了在治疗细菌、真菌和病毒感染方面的进展。一些免疫原性纳米材料，特别是那些基于铝的纳米材料，已被用作疫苗佐剂（图5b）

图8 用于治疗生物分子聚集性疾病的自治疗纳米材料（STNMs）

生物分子聚集的疾病，如淀粉样变性和阿尔茨海默病，通常对小分子干预反应较差。STNMs通过在大分子规模上与有害药物相互作用来治疗这些疾病。治疗生物聚集疾病的非金金属纳米疗法包括AgNPs、IONPs和氧化锌NPs（图8）。

我们期待自治疗纳米材料的相关研究将在未来几年扩大，并为未来的临床转化提供基础生物学依据。

文章来源：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2022.11.007