金纳米棒在生化分析及癌症治疗中的应用

金纳米棒在生化分析及癌症治疗中的应用摘要：金纳米棒作为一种新型的各向异性纳米材料，由于其独特的光学和光热性能，近几年受到科研人员的大力关注。

与球形纳米颗粒不同，金纳米棒显示出两个特征的横向和纵向表面等离子体吸收峰。

它能够在荧光共振能量转移测定中用作能量受体或将光转化为热能用于光热治疗。

特别地，金纳米棒的可控组装能引起其光学性质发生改变，使其特别适用于检测各种分析物。

金纳米棒在细胞成像和癌症治疗领域的应用，吸引了科学家们强烈的兴趣。

从而推动了金纳米棒的进一步发展，本篇文章总结了近年来金纳米棒及其组装体在生化分析及癌症治疗中的应用。

关键词：金纳米棒；组装；生化分析；光热治疗。

0 前言
从上世纪到现在，金纳米粒子一直是纳米科学领域的研究热点。

1990年马丁集团通过电化学还原与棒状“硬模板”法合成了金纳米棒，这为我们研究金纳米棒提供了机会[1]。

1997年，王小组采用十六烷基三甲基溴化铵作为表面活性剂采用电化学方法合成了高分散性的金纳米棒溶液[2]。

直到2001年，Murphy和他的同事们发明了种子介导湿化学合成技术，这种合成方法简单方便，极大地促进了高纵横比金棒的合成[3]。

随后，El-Sayed组使用CTAB-包被的单晶种子代替了柠檬酸盐包被的双晶晶种，这大大提高了合成金纳米棒实验的重现性和产量（产率超过95％）[4]。

到目前为止，金纳米棒的合成技术已经相当成熟，但合成机制仍然存在争议[5]。

已经提出了使用混合表面活性剂为软模板采用电化学还原法合成金棒的机制。

还有一些研究人员认为在金棒的合成过程中，CTAB 胶束本质上是棒状的，使得金棒以此为软模板生长。

尽管已知CTAB在特定的条件下能形成棒状胶束，但不清楚棒状胶束在合成条件下是否也形成了[6]。

然而，Murphy 及其合作者认为CTAB分子偏向于优先物理吸附到金棒的长轴上。

因此，目前关于其生长机制存在许多争议[7]。

1
现在，对金棒的研究兴趣主要集中在组装和应用方面（包括传感，成像和治疗癌症）[8]。

许多研究人员在金棒的合成、组装及应用中，已经取得了很大的成果。

比如Illinois大学的Murphy课题组，她的团队发现了简单，高效和可控的种子介导法制备金棒，大大的促进了金纳米棒的发展[9]。

乔治亚理工学院的El-Sayed小组在光热疗法和暗场成像中取得了很大的成就，引起了大量的研究人员对该领域的研究兴趣[10]。

在中国，大多数研究人员将注意力主要集中在生物传感，表面功能化和免疫反应等方面。

本篇文章将介绍金纳米棒及其组装体在生化分析及癌症治疗领域的最新进展，为了更好地了解金棒，将简单的介绍一下它的光学性能。

与普通球形纳米颗粒不同，金纳米棒有两个特征峰。

这两个峰的位置可通过调节金棒的纵横比使其红移或者蓝移，利用这一特性可用于化学和生物传感方面。

1 国内外研究现状
金纳米棒独特的光学和光热性质，使其已被广泛应用于传感包括化学品，生物分子，污染物和爆炸物。

此外，在细胞成像和癌症治疗方面，金纳米棒的应用前景广阔。

1.1在生化传感方面的应用
如上所述，金纳米棒的光学性质与纵横比、装配模式、周围环境密切相关。

因此，已经大量用于化学品或生物分子的传感。

传感可以通过组装、聚集或蚀刻，还可基于FRET策略将金纳米棒用作能量受体。

1..11 化学传感
到目前为止，金纳米棒已经全面应用于检测小分子，例如H+、Cl-、NO2-、K+、Fe3+、Cu2+、Pb2+、Hg2+[11]。

其检测原理主要基于聚集，组装或腐蚀。

图1为将金纳米棒作为光学探针来分析无机离子。

图1A是用于检测NO2-的原理图，NH3+和NO2+之间的脱氨反应，导致金纳米棒的聚集和
2
颜色变化，建立NO2-的裸眼检测。

图1B是检测Hg2+的原理图，通过二硫醇化合物与Hg2+和金纳米棒的竞争反应，当Hg2+不存在时，一个二硫醇分子能够通过Au-S共价键连接两个金纳米棒，导致金纳米棒的肩并肩组装[12]。

然而，在Hg2+的存在下，二硫醇分子与Hg2+有更强的亲和力，金纳米棒不发生组装。

图1A 检测NO2-的原理图；图1B检测Hg2+原理图[11]
Fig. 1. The analysis of (A) nitrite ; (B) Hg2+; (C) Fe3+ using AuNRs asoptical probes[11]
此外，一些金属离子的检测，如Hg2+ 、Fe3+ 和Cu2+ ，可以通过改变金纳米棒的纵横比来进行检测[13]。

如图1C，Fe3+能够催化H2O2以产生自由基（包括OH·和OOH·）蚀刻金纳米棒，产生红色球形的纳米颗粒，采用比色法检测Fe3+ 。

与Fe3+不同，Hg2+可以在NaBH4存在时，由于汞合金的作用使金纳米棒缩短。

1.1.2 生物传感
金纳米棒在生物分析领域应用也已经比较广泛，如氨基酸，多肽，DNA、蛋白、酶和毒素等。

这些分析方法的原理可以通过前述的组装，聚集或蚀刻
3
原理我们将介绍一些基于FRET的生物分析。

金纳米棒作为能量受体。

用于DNA检测如上所述，没有硫醇修饰的ssDNA与金纳米棒只有弱的静电作用。

而dsDNA可导致金纳米棒以肩并肩方式组装[14]。

当不存在靶物 DNA时，荧光染料标记的DNA不规则地卷曲，使染料与金纳米棒的距离较远，不能淬灭其荧光。

然而,当靶物DNA存在时，dsDNA或G-折叠结构的形成，使得荧光染料与金纳米棒的距离靠近使染料的荧光淬灭，从而用于人端粒DNA测定。

这个检测原理可进一步推广到凝血酶检测。

1.2在临床诊断及癌症治疗方面的
最近，研究人员发现金纳米棒能够识别病毒，细菌和癌细胞以及诊断和治疗一些疾病。

到目前为止，金纳米棒有用于靶向药物运输和释放[15]，导致肿瘤细胞凋亡。

科学家们还发现金纳米棒有作为DNA 疫苗佐剂的前景，用于HIV-1治疗[16]。

此外，金纳米棒在基因治疗中显示出巨大的潜力，它还能够吸收近红外光将光能变成热能，用于光热治疗[17]。

这种光诱导热能转换还可应用到质粒DNA的可控释放，并为遗传基因重组治疗提供有效工具。

1.2.1 临床检验
在临床检验上，金纳米棒可用于细菌、病原体鉴定[18]，乙型肝炎病毒检测，流感H1N1流感病毒复制抑制，细胞表面标志物识别，癌症诊断，急性心肌损伤试验等。

图2给出了细菌和癌细胞鉴定的原理图。

如图2A为金纳米棒表面修饰大肠杆菌抗体。

当大肠杆菌存在时，金纳米棒表面的大肠杆菌抗体与大肠杆菌抗原结合使金纳米棒聚集实现细菌的检测。

图2B是使用金纳米棒鉴定癌细胞的过程，其中，金纳米棒的表面用叶酸和拉曼信号分子标记，癌细胞表面能过量地表达叶酸受体。

能够通过叶酸和叶酸受体的识别结合癌细胞，产生拉曼信号鉴定癌细胞[19]。

4
图2A 金纳米棒用于检测大肠杆菌；图2B金纳米棒鉴定癌细胞[18] Fig.2. Bacteria and cancer cells identification. (A) Schematic representation of anti-E. coli antibody conjugated AuNRs-based sensing of E. coli bacteria (B) Dualmode probes based on mesoporous silica coated AuNRs for targeting cancer
cells[18]
1.2.2 药物运输和可释放
作为药物载体，金纳米棒可以将药物转运到细胞中用于癌症治疗。

如图3A将Pt（IV）前药修饰到胺功能化的金纳米棒上，表面包被上聚乙二醇（PEG）以增强稳定性和生物相容性。

当缀合物被吸收到癌细胞中时，Pt（IV）与顺铂相比显示出优异的细胞毒性杀死癌细胞[20]。

图3B异硫氰酸荧光素作为模型。

将金纳米棒作为光热试剂，在激光照射下进行光热治，进一步控制药物释放。

发现药物从缀合物上的释放速度依赖于近红外的激光辐射，其在连续和周期性的激光照射下，表现出零级和一级动力学特征。

抗癌药物紫杉醇（PTX）进一步用于乳腺癌细胞的体外研究。

PTX 从共轭物上的释放由激光照射触发，细胞的抑制率显示出与照射模式和时间的依赖性。

该结果表明药物从缀合物的释放能够通过调节激光照射时间来控制，这种治疗应用于乳腺癌的治疗有巨大的潜力[21]。

这些结果表明金纳米棒能够起到药物运输作用，并能够在近红外激光照射下控制药物的释放。

5
图3 金纳米棒用于药物运输和可控释放[20]
Fig. 3 drug delivery and controllable release. (A) Schematic illustration of PEG- AuNRs for platinum drug delivery. (B) Multiple releases of model drug from AuNRs embedded polyelectrolytes under NIR laser irradiation[20]
1.2.3 光热治疗
作为一个优良的光热转化材料，金纳米棒在光热治疗（PTT）方面已经得到了广泛应用。

最近，金纳米棒已用于多模式治疗[22]，由于多模式治疗引起了很多关注，可以提供更好的治疗效果。

Huang课题组设计了一个癌症治疗方案（图4B），用光敏剂标记的适配体作为开关探针分子连接到金纳米棒表面，可用于靶向光动力疗法和PTT。

当靶癌细胞适配体探针构象改变后，光敏剂远离金纳米棒表面，从而产生单线态氧，发生光动力学治疗。

此外，金纳米棒对辐射的光的吸收并释放热能使细胞被进一步破坏。

因此，这种多模态治疗结果优于单独的治疗方式。

6
图4 金纳米棒的多模式治疗[22]
Fig.4. (B) schematic diagram of the AuNRs-photosentiser complex for
tumor phototherapy[22]
为了得到有针对性和更好的治疗结果，一些靶向配体，例如转铁蛋白、叶酸、肽类和适配体，列于表1中。

这些靶向配体赋予金纳米棒癌症治疗的高特异性和高治疗效率。

在临床诊断和癌症治疗领域，金纳米棒发挥多种功能，如药物运输，光敏剂开关以及光热试剂。

此外，多模式治疗可以以金纳米棒为载体，例如，当金纳米棒携带光敏剂时，PTT 和PDT是可同时发挥作用.此外，金纳米棒可作为成像造影剂[23]，为临床诊断提供有用的信息。

7
尽管近年来在生物医学领域已经取得了巨大的进展，但是金纳米棒的毒性，分布，代谢，排泄等问题是不可忽视的。

包被剂CTAB在制备金纳米棒时至关重要，但其微摩尔浓度便有细胞有毒性[24]。

用无毒的包被剂替代CTAB或防止CTAB从金纳米棒表面解吸到溶液中，降低其在细胞培养中的毒性。

例如，Niidome及其同事用PEG分子置换金纳米棒表面的CTAB增加其循环半衰期，这与PEG预防/减少血浆蛋白质在金纳米棒表面上的非特异性吸附的能力有关，从而降低了网状内皮系统的调理作用和对金纳米棒摄取的程度[25]。

有关金纳米棒的体内毒性仍存在争议。

通常认为金纳米棒的细胞摄取率与它的物理性质如尺寸，形状和表面化学性相关。

在进行细胞摄取率试验时应该考虑的另一点是金纳米棒可以在细胞培养基中随孵育时间增加而发生聚集，其可以影响金纳米棒摄取的速率和程度。

Xia和同事已经实验证明，金纳米棒在细胞培养物中的沉降速率是评估其细胞摄取率的关键因素[26]，其通过受体介导的胞吞作用进入细胞。

金纳米棒的表面化学和净电荷也对其细胞摄取具有显著的影响。

许多报道声称用阳离子表面活性剂包被的金纳米棒比具有相同尺寸的阴离子包被的金纳米棒更有效地进入细胞，因为细胞膜带负电荷，因此阳离子金纳米棒能更有效地与细胞发生相互作用，然而，这种现象的机制仍然有争议。

金纳米棒的生物不可降解性是一个显著的事实。

因此，必须全面地研究其生物分布和排泄动力学。

网状内皮系统的器官是其积累的主要部位。

CTAB包被的金纳米棒分布限于肝脏，脾脏和肺，肝脏是最高的积累部位，几乎立即（15分钟）从血液循环中清除，而用PEG包被的金纳米棒，分布于肾脏，心脏，胸腺，脑和睾丸中，其中脾脏是最高的积累器官，血液循环半衰期为19h及更广泛的组织分布[27]。

现在，尽管有大量的研究是基于功能化的金纳米棒及其在生物医学上的应用，但市场上很少有基于金纳米棒的药物。

主要原因是其潜在的生物毒性。

2.总结
8
总之，从金纳米棒的第一次合成，到基础研究和技术方面的应用。

近年来，金纳米棒得到了广泛的应用，从检测和成像，到药物运输和癌症治疗。

这篇文章总结了金纳米棒在光学应用中的最新进展，金纳米棒的合成问题已经解决，进一步研究是基于光信号的变化来做进一步研究。

这是生物化学分析比较活跃的研究领域。

但是，尽管取得了巨大的进展，寻求金纳米棒的新性质和应用仍然存在。

一方面，阐明和减少由CTAB产生细胞毒性仍得继续研究。

金纳米棒的表面改性是必要的。

新的研究途径将继续建立金纳米棒组装体，以其独特的光学和光热性质
进一步应用到实际生活中，其独特的颜色变化和荧光感应使金纳米棒探针
可能引起更大的关注度。

金纳米棒的其他特征，如催化和Fano共振性质将
越来越多地被利用。

相信在长时间的努力之后，金纳米棒能更多地出现在技
术应用和临床领域上。

参考文献
[1] C.A. Foss, G.L. Hornyak, J.A. Stockert, C.R. Martin,Optical properties of omposite membranes containing arrays of nanoscopic gold cylinders, J. Phys. Chem. 96 (1992) 7497–7499.
[2].-Y.Yu,S.-S.Chang, C.-L. Lee, C.R.C. Wang,Goldnanorods:electrochemicalynthesis and optical properties, J. Phys. Chem. B 101 (1997) 6661–6664.
[3] A.M. Alkilany, L.B. Thompson, S.P. Boulos, P.N. Sisco, C.J. Murphy, Gold nanorods: their potential for photothermal therapeutics and drug delivery,tempered by the complexity of their biological interactions, Adv. Drug Deliv.Rev. 64 (2012) 190–199.
[4] B. Nikoobakht, M.A. El-Sayed, Preparation and growth mechanism of gold nanorods (NRs) using seed-mediated growth method, Chem. Mater. 15 (2003) 1957–1962.
[5] S.E.Lohse, C.J. Murphy, The quest for shape control: a history of gold nanorod synthesis, Chem. Mater. 25 (2013) 1250–1261.
[6] N.R. Jana, Gram-scale synthesis of soluble, near-monodisperse gold nanorods and other anisotropic nanoparticles, Small 1 (2005) 875–882.
[7] C.J. Johnson, E. Dujardin, S.A. Davis, C.J. Murphy, S. Mann, Growth and form of gold nanorods prepared by seed-mediated, surfactant-directed synthesis,J.Mater.Chem. 12 (2002) 1765–1770.
[8].H. Huang, S. Neretina, M.A. El-Sayed, Gold nanorods: from synthesis and properties to biological and biomedical applications, Adv. Mater. 21 (2009) 4880–4910.
9
[9] N.R. Jana, L. Gearheart, C.J. Murphy, Wet chemical synthesis of high aspect ratio cylindrical gold nanorods, J. Phys. Chem. B 105 (2001) 4065–4067.
[10].H. Huang, I.H. El-Sayed, W. Qian, M.A. El-Sayed, Cancer cell imaging and photothermal therapy in the near-infrared region by using gold nanorods, J.Am. Chem. Soc. 128 (2006) 2115-2120.
[11] M. Rex, F.E. Hernandez, A.D. Campiglia, Pushing the limits of mercury sensors with gold nanorods, Anal. Chem. 78 (2006) 445–451.
[12] N. Bi, Y. Chen, H. Qi, X. Zheng, Y. Chen, X. Liao, et al., Spectrophotometric determination of mercury(II) ion using gold nanorod as probe, Sensor. Actuat.B-Chem. 166–167 (2012) 766–771.
[13].-M. Liu, X.-X. Wang, L. Jiao, M.-L. Cui, L.-P. Lin, L.-H. Zhang, et al., Ultra-sensitive non- aggregation colorimetric sensor for detection of iron based on the signal amplification effect of Fe3+ catalyzing H2O2 oxidize gold nanorods, Talanta 116 (2013) 199–204.
[14] He, Y.F. Li, C.Z. Huang, J.P. Xie, R.G. Yang, P.F. Zhou, et al., One-step label-freeoptical genosensing system for sequence-specific DNA related to the human immunodeficiency virus based on the measurements of light scattering signals of gold nanorods, Anal. Chem. 80 (2008) 8424–8430.
[15] Wang, G. Zhu, M. You, E. Song, M.I. Shukoor, K. Zhang, et al., Assembly of aptamer switch probes and photosensitizer on gold nanorods for targeted photothermaland photodynamic cancer therapy, ACS Nano 6 (2012) 5070–5077.
[16] Min, C. Mao, D. Xu, J. Wang, Y. Liu, Gold nanorods for platinum based prodrug delivery, Chem. Commun. 46 (2010) 8424–8426.
[17] Takahashi, Y. Niidome, S. Yamada, Controlled release of plasmid DNA from gold nanorods induced by pulsed near-infrared light, Chem. Commun. (2005)2247–2249.
[18] Wang, Y. Li, H. Wang, Q. Fu, J. Peng, Y. Wang, et al., Gold nanorod-based localized surface plasmon resonance biosensor for sensitive detection of hepatitis B virus in buffer, blood serum and plasma, Biosens. Bioelectron. 26(2010) 404–410.
[19] K. Singh, D. Senapati, S.G. Wang, J. Griffin, A. Neely, P. Candice, et al., Gold nanorod based selective identification of Escherichia coli bacteria using two-photon Rayleigh scattering spectroscopy, ACS Nano 3 (2009) 1906–1912.
[20] Min, C. Mao, D. Xu, J. Wang, Y. Liu, Gold nanorods for platinum based prodrug delivery, Chem. Commun. 46 (2010) 8424–8426.
[21]-R. Kuo, V.A. Hovhannisyan, Y.-C. Chao, S.-L. Chao, S.-J. Chiang, S.-J. Lin, et al.,Multiple release kinetics of targeted drug from gold nanorod embedded polyelectrolyte conjugates induced by near-infrared laser irradiation, J. Am.Chem. Soc. 132 (2010) 14163–14171.
[22] S. Kuo, C.-N. Chang, Y.-T. Chang, M.-H. Yang, Y.-H. Chien, S.-J. Chen, et al.Gold
10
nanorods in photodynamic therapy, as hyperthermia agents, and in near-infrared optical imaging, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 49 (2010) 2711–2715.
[23] Huang, I.H. El-Sayed, W. Qian, M.A. El-Sayed, Cancer cell imaging and photothermal therapy in the near-infrared region by using gold nanorods, J. Am. Chem. Soc. 128 (2006) 2115–2120.
[24]. Alkilany, C.J. Murphy, Toxicity and cellular uptake of gold nanoparticles: what we have learned so far?, J. Nanopart. Res. 12 (2010) 2313–2333.
[25] Niidome, M. Yamagata, Y. Okamoto, Y. Akiyama, H. Takahashi, T. Kawano,et al., PEG- modified gold nanorods with a stealth character for in vivo applications, J. Control. Release 114 (2006) 343–347.
[26] Wang, S. Zong, J. Yang, J. Li, Y. Cui, Dual-mode probe based on mesoporous silica coated gold nanorods for targeting cancer cells, Biosens. Bioelectron. 26(2011) 2883–2889. [27] P.K. Lankveld, R.G. Rayavarapu, P. Krystek, A.G. Oomen, H.W. Verharen, T.G.van Leeuwen, et al., Blood clearance and tissue distribution of PEGylated and non-PEGylated gold nanorods after intravenous administration in rats,Nanomedicine 6 (2011) 339–349.
11。