牛血清白蛋白包覆金纳米簇的细胞毒性

由于具有高化学稳定性、良好的尺寸可控性、易于表面修饰、独特的吸收与光散射等物理化学性质,金纳米粒子在生物成像、疾病诊断、靶向药物输送和肿瘤光热治疗等领域已得到广泛的应用。当尺寸小到几个或几十个金原子时(小于费米波长,即<1 nm),由于小尺寸效应使金纳米粒子(即金纳米簇)能够发射很强的荧光。过去的十几年中,金纳米簇受到人们越来越多的关注。特别地,蛋白质包覆的金纳米簇具有更高的光稳定性和生物相容性,易于在生物医学、生命科学及环境分析等方面得到广泛应用。此外,亲水性蛋白或其他小分子修饰的金纳米簇具有良好的水溶性、表面可修饰性、血液中长循环时间、易于在肿瘤组织蓄积等优势,可用于生物成像、生物检测、纳米药物载体和靶向治疗等领域。

Small材料的生物相容性和安全性是其能够用于生物医学领域的前提。以往的报道普遍认为金纳米簇(特别是蛋白质包覆的金纳米簇)具有优异的生物相容性。然而,这些报道中通常选择单一的细胞系、孵育时间短、金纳米簇浓度范围窄等,因而对金纳米簇的毒性研究还远不够全面,还缺乏足够的实验数据来说明其是否有毒性。因此,金纳米簇的安全性仍然不明确,在将纳米材料运用到临床研究之前还有必要对其毒性进行系统和深入的研究。

最近,华中科技大学协和医院皮肤科陶娟教授课题组与华中科技大学化学与化工学院朱锦涛教授课题组合作,首次对牛血清白蛋白包覆的金纳米簇进行了系统、全面的体内外毒性研究。该研究选取了以生物相容性好的牛血清白蛋白作为模板来制备金纳米簇,消除了金纳米簇表面配体本身毒性的影响。同时,选取了三种肿瘤细胞系及两种正常细胞,提高了结果的适用性。在此基础上,在较宽的金纳米簇浓度及作用时间内,系统检测了细胞摄取、存活率、细胞凋亡、细胞内活性氧簇生成及细胞形态变化。研究结果表明,金纳米簇能很快进入细胞,并对不同细胞表现出不同程度的毒性,而金纳米簇溶液中游离的牛血清白蛋白分子能部分抵消金纳米簇的毒性作用,因而使金纳米簇仅在一定浓度范围内(5和20 nM)表现出毒性。实验证实,细胞内活性氧簇生成是金纳米簇产生毒性的重要机制之一。更为重要的是,金纳米簇的细胞毒性在小鼠皮下肿瘤模型上得到了证实,能够明显抑制肿瘤的生长。相关论文发表在Small (2015, DOI: 10.1002/smll.201403481) 上。与已有研究相比,该实验设计更加全面、深入,提高了实验结果的可靠性与适用性。

这项研究表明,为了发挥其生物成像和纳米药物载体的功能,可以将金纳米簇与生物活性小分子结合从而降低其毒性。另一方面,利用金纳米簇具有的细胞毒性,可以在一定程度上发挥抗肿瘤的作用。该项成果为进一步合理设计、构建生物成像探针和纳米药物载体,并用于生物医学领域提供了重要的指导和实验基础。