基本信息
- 项目名称：
- 介孔硅/蛋白类复合型多功能纳米药物控释系统的构建与生物学评价
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本作品首先利用化学修饰方法，在介孔硅表面引入二硫键；然后，创新地采用生物相容性好、生物可降解的天然蛋白类分子—胶原封堵介孔，构建介孔硅/蛋白类复合型纳米系统；而后，用乳糖酸分子功能化该系统，实现颗粒与肝细胞的特异性相互作用；最后，评价了介孔硅/蛋白类复合型纳米颗粒与细胞间的作用机理以及复合型纳米颗粒在细胞内的存在位置与状态，为开发新一代多功能性介孔硅/蛋白类复合型纳米系统奠定了一定的理论基础。
- 详细介绍：
- 本作品分析了目前介孔硅功能复合纳米材料在生物医药领域的应用研究进展，并提出了构建一种兼具细胞特异性靶向性和细胞还原性物质/酶响应性的介孔硅/蛋白类多功能复合型控释系统的科学设想；通过对介孔硅纳米材料表面行特定的化学修饰与生物修饰，该系统不仅能实现细胞靶向性，还能针对病变细胞实现细胞内药物的还原响应性 “生物爆破”释放，这在药物可控释放、靶向癌症治疗、靶向基因递送等领域展示了其广阔的应用前景。 本作品利用简单的化学修饰方法，在介孔硅表面引入二硫键，实现控释系统的还原响应性。同时，创新的采用生物相容性好、生物可降解的天然蛋白类分子—胶原分子作为介孔硅纳米材料的纳米封堵器，构建介孔硅/蛋白类复合型纳米系统，而后通过乳糖酸分子功能化复合型纳米系统，其能与肝癌细胞膜表面受体（ASGP-R）的特异性吸附，实现功能性复合颗粒与肝细胞的特异性相互作用；最后，本作品评价了多功能性介孔硅/蛋白类复合型纳米颗粒与细胞间的作用机理，并实时评价了复合型纳米颗粒在细胞内的存在位置与状态，为开发新一代多功能性介孔硅/蛋白类复合型纳米系统奠定了一定的理论基础。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 本作品以介孔硅纳米颗粒为药物储存器，二硫键为分子纽带，将天然蛋白质—胶原作为纳米封堵器固定到介孔硅纳米材料表面，并利用乳糖酸功能化胶原大分子，构建一种新型的介孔硅/蛋白类复合型多功能智能响应性纳米储药池控释系统，其既能特异性识别靶细胞，又具有细胞还原性物质/酶响应性。同时，本作品还评价了上述复合型纳米颗粒与细胞间的作用机理，为设计新一代介孔硅/蛋白类复合型纳米系统奠定了理论基础。
科学性、先进性及独特之处
- 科学性：以功能性分子修饰介孔硅纳米材料，实现药物的智能控释和靶细胞的特异性识别。 先进性：首次构建出介孔硅/蛋白类复合型多功能还原响应性纳米储药池控释系统，并能特异性识别肝癌细胞。 独特之处：以介孔硅纳米颗粒为药物储存器，还原响应性有机分子（二硫键）为分子纽带，天然有机大分子—胶原做为纳米封堵器，乳糖酸作为靶细胞的特异性配体，为设计新型介孔硅/蛋白类复合型智能纳米系统建立了模型。
应用价值和现实意义
- 本作品报道的介孔硅/蛋白类复合型智能响应性纳米系统不仅能实现细胞靶向性，还能针对病变细胞实现细胞还原响应性“生物爆破”释放，这在药物可控释放、靶向癌症治疗、靶向基因递送等领域展示了其广阔的应用前景。本作品还系统地评价了多功能性介孔硅/蛋白类复合型纳米颗粒与细胞间的作用机理，并实时评价了复合型纳米颗粒在细胞内的存在位置与状态，这为开发新一代多功能性介孔硅/蛋白类复合型纳米系统奠定了一定的现实意义。
学术论文摘要
- 本作品分析了目前介孔硅功能复合纳米材料在生物医药领域的应用研究进展，并提出了构建一种兼具细胞特异性靶向性和细胞还原性物质/酶响应性的介孔硅/蛋白类多功能复合型控释系统的科学设想；通过对介孔硅纳米材料表面行特定的化学修饰与生物修饰，该系统不仅能实现细胞靶向性，还能针对病变细胞实现细胞内药物的还原响应性 “生物爆破”释放，这在药物可控释放、靶向癌症治疗、靶向基因递送等领域展示了其广阔的应用前景。 本作品利用简单的化学修饰方法，在介孔硅表面引入二硫键，实现控释系统的还原响应性。同时，创新的采用生物相容性好、生物可降解的天然蛋白类分子—胶原分子作为介孔硅纳米材料的纳米封堵器，构建介孔硅/蛋白类复合型纳米系统，而后通过乳糖酸分子功能化复合型纳米系统，其能与肝癌细胞膜表面受体（ASGP-R）的特异性吸附，实现功能性复合颗粒与肝细胞的特异性相互作用；最后，本作品评价了多功能性介孔硅/蛋白类复合型纳米颗粒与细胞间的作用机理，并实时评价了复合型纳米颗粒在细胞内的存在位置与状态，为开发新一代多功能性介孔硅/蛋白类复合型纳米系统奠定了一定的理论基础。
获奖情况
- 暂无。
鉴定结果
- 1.未见以天然蛋白质-胶原分子构建介孔硅/蛋白类智能纳米系统的报道；创新地用乳糖酸分子功能化该系统。2.本作品得到中国从事生物材料研究的张兴栋院士(唯一)及中国生物医学工程学会理事长樊瑜波教授的肯定。
参考文献
- 1.Mal N K, Fujiwara M, Tanaka Y. Photocontrolled reversible release of guest molecules from coumarin-modified mesoporous silica[J]. Nature, 2003, 421: 350-353. 2.J. Lu, M. Liong, J.I. Zink, F. Tammanoi. Mesoporous silica nanoparticles as a delivery system for hydrophobic anticancer drugs. Small, 2007, 3: 1341–1346. 3.Meng H, Xue M, Xia T, Zhao Y L, Tamanoi F, Stoddart J F, Zink J I, Nel A E. Autonomous in vitro anticancer drug release from mesoporous silica nanoparticles by pH-sensitive nanovalves[J]. J. Am. Chem. Soc., 2010, 132: 12690—12697. 4.Estela Climent, Ramón Martínez-Mańéz, Félix Sancenón, María D. Marcos, Juan Soto, Angel Maquieira, Pedro Amoroes. Controlled delivery using oligonucleotide-capped mesoporous silica nanoparticles. Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 4734–4737.
同类课题研究水平概述
- 一、智能药物控制释放系统：智能药物控制释放系统能特异性识别靶位组织，定时、定量地将所需剂量药物导入病灶部位，针对病变细胞实行定向“爆破”；提高药物疗效，减少药物毒副作用。 二、纳米介孔硅的生物相容性：合理控制载体材料的粒径大小与形貌特征可提高非吞噬类细胞对药物载体的摄入效率。介孔硅纳米材料孔道高度有序、比表面积高、孔容大，可以被开发为纳米储药池；粒径在50-1000 nm内可调控；其能被人体内的病变细胞和正常细胞所高效内吞，且具有良好的生物相容性。 三、介孔硅“纳米储存器”：单一纳米介孔硅释放系统不能有效控制药物释放行为且无生物靶向性，应用范围受限。Tanaka等以介孔硅纳米颗粒为药物储存器、香豆素为“有机纳米塞”，首次实现介孔硅纳米储存器的光控可逆释放。此外，对介孔硅表面进行合适的生物与化学官能团修饰，可实现对细胞、组织的定点、定时、定量控制释放。 四、纳米介孔硅智能药物控释系统的应用类型举例:(一）无机纳米塞控制器-介孔硅控释系统：以介孔硅为药物储存器、粒径小于10 nm的无机粒子为纳米塞、响应性小分子为连接纽带构建的智能药物控释系统。Lin等以万古霉素与三磷酸腺苷作为模型药物，负载到介孔内；并通过二硫键纽带将硫化镉量子点固定到介孔硅表面，构建生物还原响应型无机纳米塞控制系统。通过体外实验证明系统处于正常的生理条件下，能长时间保持“零释放”；而特定的还原性生理条件下(DTT、GSH)可断裂二硫键，开启纳米塞，释放出药物分子。但是，无机纳米塞颗粒不能生物降解，容易在体内造成富集，因此其应用还存在潜在的生物毒理学风险。（二）生物有机大分子-MSN控制释放系统：以介孔硅为药物储存器、响应性生物有机大分子为纳米塞构建的智能药物控释系统。Lin 等利用聚乙二胺树枝状聚合物（G2-PAMAM）作为“有机大分子纳米塞”，在封堵介孔硅纳米储存器的同时，改变了介孔硅纳米颗粒表面的电荷特性，使其能与DNA静电吸附，实现药物、基因的“双递送”。但其缺陷在于，药物的控制释放依赖于PAMAM的降解，属于“被动”控释过程，故系统响应性欠佳。 总之，表面功能化和封堵的介孔硅纳米颗粒是理想的刺激响应性载体，适用于控制药物和基因的递送。研发兼具细胞特异靶向性和特定刺激响应性的药物控释系统具有重要意义，这正是本作品拟展示的核心所在。
