可运载活性生物大分子的新型介孔氧化硅纳米颗粒

53

        生物大分子药物的高效化是未来医药学发展的重要方向之一。蛋白质、抗体、核酸等生物大分子药物具有药效高,特异性强等特点,可用于治疗多种重大疾病。在2013年全球十大畅销药物中,有七种为生物大分子药物。然而,生物大分子药物亦有一些自身的缺陷,例如在体内易被酶解失活、半衰期较短,还受生物屏障的阻碍,难以穿透细胞膜进入细胞等,因此其利用效率较低,限制了其广泛应用。这些问题可以通过设计新型的纳米给药系统予以解决。

        传统的纳米载体存在生物大分子药物负载量低,药物易失活以及难以全部释放等问题。随着材料学和纳米科技的发展,多孔氧化硅纳米颗粒因其结构可控,生物相容性好,表面易修饰等特点成为研究热点之一。传统的介孔氧化硅纳米颗粒孔径通常很小,不能装载大分子量的蛋白或者抗体,而大孔氧化硅材料往往因为颗粒尺寸过大而不能进入细胞。设计合成大孔径、小粒径的多孔氧化硅纳米颗粒不仅可以提高对大分子量蛋白(分子量100 KDa以上)的负载量,并能在保证大分子蛋白生物学活性的前提下,将其转运到细胞内,因而具有重要的研究价值。

        澳大利亚昆士兰大学余承忠教授课题组最近设计合成了一种新型的介孔氧化硅纳米材料(命名为MSN-CC)。这种MSN-CC材料形貌类似大丽花,具有核-锥管状孔道。该课题组科研人员利用电子断层成像技术(Electron tomography)确定MSN-CC具有与以往报道的介孔氧化硅不同的独特结构:其内部为无序介孔小核,外部壳层具有锥管状放射性孔道结构单元。通过仔细研究,他们提出了一种新的超分子自组装机制来解释材料的形成机理。MSC-CC材料内部无序的核为表面活性剂形成球状胶束组装所致,而外部的类似大丽花花瓣的锥管状结构为层状结构卷曲所得。通过控制核的大小以及从球状胶束到层状结构转化速率的快慢,可设计合成具有不同孔径的MSN-CC。正是由于具有这种独特的结构,MSN-CC平均孔径可达45纳米,孔道开口可达60纳米,孔容可达2.59 cm3 g-1,而颗粒大小仅为180纳米。这种大孔径高孔容的纳米结构有利于提高对大分子蛋白的载药能力,而小粒径有利于细胞给药,提高药物的利用率。研究者选用一种具有催化活性的大分子酶作为模型,成功地将其装载到MSN-CC材料中并运送到活细胞内。测试结果表明,该大分子酶在细胞内依然具有生物学活性。

          该工作不仅提供了一类可以运载大分子蛋白进入细胞的新型载体,为生物大分子药物的高效化提供了新的手段, 而且为利用超分子组装化学设计合成新型介孔氧化硅纳米材料提供了新路线。相关工作已于近期发表在Small期刊上 (DOI: 10.1002/smll.201501449)。