3.3 金纳米粒子的生物效应及应用

金纳米粒子的生物效应及应用

1 金纳米颗粒的生物效应

1.1 吸附蛋白

由于具有较高的表面自由能，因此，金纳米颗粒会吸附血液中的蛋白，在其表面形成一层蛋白冕(protein corona)，以降低其表面的自由能。金纳米颗粒表面的蛋白冕可以分为硬蛋白冕(hard corona)和软蛋白冕(soft corona)。硬蛋白冕是指吸附在金纳米颗粒表面的内层蛋白，这一层蛋白的寿命大约有数小时，与周围环境中自由蛋白的交换很慢。软蛋白冕是指与金纳米颗粒作用力较弱的外层蛋白，其与周围自由蛋白的交换速度较快。表面吸附的蛋白在很大程度上决定了金纳米颗粒在体内的命运，包括在各器官及组织中的分布、细胞摄入和清除效率等。

金纳米颗粒的尺寸、形状、表面性质等会影响蛋白的吸附。而表面吸附的蛋白又进一步影响金纳米颗粒的电荷、流体力学尺寸等性质，进而影响金纳米颗粒与细胞的相互作用。

Walkey等人研究了不同尺寸、表面修饰PEG的金纳米颗粒(15 nm，30 nm，60 nm，90 nm)对血清蛋白的吸附，随着金纳米颗粒尺寸和表面PEG密度的增加，表面吸附的蛋白总量逐渐降低。Lacerda等人研究了不同尺寸、柠檬酸修饰的金纳米颗粒对血液中5种重要蛋白的吸附。随着金纳米颗粒尺寸的增加(尺寸不大于50 nm)，蛋白冕的厚度逐渐增加。表面电性也会影响血清蛋白的吸附。Deng等人研究了金纳米颗粒的表面电荷对蛋白吸附的影响。表面带正电和负电的金纳米颗粒对蛋白的吸附量高于电中性的金纳米颗粒。Hutul等人发现，表面带正电和负电的金纳米颗粒对人血清白蛋白的吸附量是相近的。Gagner等人发现，金纳米颗粒的形状影响其对溶解酵素(1ysozyme)和α-胰凝乳蛋白酶(α-chymotrypsin)的吸附。球形金纳米颗粒(11 nm)对两种蛋白的吸附量比金纳米棒(10 nm×36 nm)少一个数量级。两种金纳米材料表面积的差异可能是造成蛋白吸附量差异的原因，因为球形金纳米颗粒的表面积大约是520 nm2，而金纳米棒的表面积是1550 nm2。另外，球形金纳米颗粒较高的表面曲率也可能影响其对蛋白的吸附。Mahmoudi等人发现，超顺磁性氧化铁纳米颗粒表面金壳的粗糙度影响其对血液中蛋白的吸附。表面粗糙的金壳比表面平滑的金壳可以吸附更多的蛋白，原因可能是粗糙的表面与蛋白之间的范德华作用、氢键作用和静电作用更强。除了吸附量的差异，表面平滑和粗糙的金壳吸附蛋白的种类也有明显差异。

1.2 细胞摄入

Chithmi等人研究了HeLa细胞对不同尺寸、长径比的金纳米颗粒的摄入，包括直径为14、30、50、74和100 nm的金纳米球，以及尺寸为40×14 nm和74×14 nm的金纳米棒。

将金纳米颗粒与HeLa

球的摄入量最高。两种金纳米棒的细胞摄入量都小于其对应尺寸的金纳米球，而且随着长径比的增加，金纳米棒的细胞摄入量逐渐下降。在另一篇文章中，Chithrani等人以转铁蛋白修饰的金纳米颗粒为模型，研究了不同尺寸的金纳米球(14 nm、50 nm)和不同形状的金纳米棒(20×30 nm、14×50 nm、7×42 nm)的细胞摄入水平和机制。同样发现金纳米球的摄入量高于金纳米棒。叠氮化钠和低温环境(4℃)可以有效抑制金纳米颗粒的细胞摄入，说明金纳米颗粒的细胞摄入途径是受体介导的内吞。进一步的研究表明，蔗糖和低钾环境可以有效抑制金纳米颗粒的摄入。因此，细胞对金纳米颗粒的摄入由网格蛋白介导。郝赛汀被广泛应用于乳腺癌的治疗，其可以与细胞表面的ErbB2受体结合。Jiang等人研究了郝赛汀修饰、不同尺寸(2 nm-100 nm)的金纳米颗粒在ErbB2受体过表达的乳腺癌细胞SK-BR-3中的摄入。其中25-50 nm的金纳米颗粒的细胞摄入量最高。金纳米颗粒的摄入导致细胞表面ErbB2受体的内吞，从而影响下游信号通路，并最终引起细胞死亡。

HeLa细胞和A549细胞对单分散状态、转铁蛋白修饰的金纳米颗粒摄入量高于聚集状态的金纳米颗粒。然而，MDA-MB-435细胞对聚集状态的金纳米颗粒摄入量反而高于单分散状态的金纳米颗粒。考虑到上述3种细胞系中，MDA-MB-435细胞表面转铁蛋白受体的表达量比其他两种细胞低。因此，除了受体介导的内吞，MDA-MB-435细胞还可能通过其他机制摄入转铁蛋白修饰的金纳米颗粒。

图3.2.2 表面带正电和负电的金纳米颗粒在巨噬细胞及非巨噬细胞中的摄入量。红色箭头

宽度代表摄入量相对水平

Liang等人发现，在人结肠癌上皮细胞Caco-2中，表面带正电的金纳米颗粒(5、10、20 nm)的细胞摄入量高于相同尺寸下表面带负电和电中性的金纳米颗粒。Huhn及Freese等人在小鼠成纤维细胞3T3及原代人皮肤微血管内皮细胞中也观察到同样的规律。Liu等人对

比了表面带正电及负电的金纳米颗粒在巨噬细胞和非巨噬细胞中的摄入。在非巨噬细胞HepG2中，表面带正电金纳米颗粒的摄入量远高于表面带负电的金纳米颗粒。然而在巨噬细胞洲264.7中，两种金纳米颗粒的细胞摄入量相近(图3.2.2)。

1.3 细胞凋亡

尽管金纳米颗粒具有相对较高的生物相容性，但是大量文献报道，不同尺寸、形状及表面性质的金纳米颗粒仍会产生细胞毒性，如细胞凋亡。外源性凋亡是由死亡受体超家族蛋白介导，如cD95以及肿瘤凋亡因子受体I。而内源性细胞凋亡主要由线粒体和内质网介导。

金纳米颗粒的尺寸影响其引起细胞凋亡的能力。直径为13 nm、柠檬酸修饰的金纳米颗粒可以引起兔关节软骨细胞凋亡，而3 nm及45 nm的金纳米颗粒则不会引起凋亡。在另一项研究中，直径15 nm的金纳米颗粒比5 nm的金纳米颗粒更容易引起人外周血淋巴细胞和

金纳米颗粒的形状也会影响其引起细胞凋亡的能力。相比于三角形和球形，六角形金纳米颗粒更容易引起Calu-3细胞凋亡。另一项研究中，表面连接PEG的金纳米棒导致HacaT 细胞内ROS水平的上升、线粒体膜电位的下降，并最终导致细胞凋亡，而mercaptopropane sulfonate(MPS)修饰的金纳米球(20 nm)对细胞存活率无明显影响(图3.2.3)。

图3.2.3 PEG修饰的金纳米棒引起HaCaT细胞凋亡，而MPS修饰的金纳米球无明显的细胞

毒性

除了尺寸和形状，金纳米颗粒的表面电荷和疏水性也会影响其引起细胞凋亡的能力。正/负电配体修饰的金纳米颗粒(1.5 nm)可以引起人永生化表皮细胞HaCaT中caspase3表达水平的上调并导致细胞凋亡，而电中性配体修饰的金纳米颗粒则不会引起细胞凋亡。在另一篇文献中，负电配体修饰的金纳米颗粒(1-10 nm)可以引起人中性粒细胞凋亡。而正电配体修