微米和纳米科技材料

怎样实现定时定点轰炸病灶?让磁性纳米颗粒来远程启动化学反应!

撰文:孟凡霞 高兴发

最近美国乔治亚大学的研究人员发现,利用磁场来远程操控磁性纳米颗粒的聚集,可以定时定点启动生物体内的化学反应,及其后续的药物分子释放。该项技术有望实现在疾病治疗过程中药物分子的精准可控缓释,这篇题为Magnetic Field Remotely Controlled Selective Biocatalysis的论文近日在线发表于Nature Catalysis杂志(doi:10.1038/s41929-017-0003-3.)

众所周知,酶与底物分子可以特异结合。科学家们认为,这一特性可被应用于药物分子的输运和定点释放。也就是说,如果将药物分子连接在底物上,当底物进入酶的微环境时,底物将优先与酶结合并发生催化反应,引发药物释放。然而,这一技术在实际应用中遇到至少两个难题:第一,酶在输运过程中,会经历不同的化学环境,在经历这些不同环境后的酶将难以保持其稳定活性;第二,酶还可以与其它结构、性质相似的底物结合,这也会影响药物分子的精准释放。

针对以上难题,谢尔盖·明科和同事们研发了一个磁场响应型的药物缓释平台,利用磁场来远程启动催化反应,实现了药物分子在特定时长和特定地点的准确释放。

怎样实现定时定点轰炸病灶?让磁性纳米颗粒来远程启动化学反应!

利用磁场远程控制磁性纳米颗粒,实现药物分子的定时定点缓释 (Nature Catal, 2017)

如上图所示,该药物缓释平台由E-颗粒和S-颗粒(两类Fe3O4磁性纳米颗粒)组成,分别用于负载酶和底物。这两类颗粒具有完全相同的四层核壳结构:内核层为磁性Fe3O4;向外第二层为SiO2层,该层共价标记了红色或绿色的荧光染料分子,以区分两种颗粒的不同负载物;向外第三层为聚丙烯酸(PAA)层,该层结构负载酶或底物,其中丙烯酸为酶的催化活性提供了稳定适宜的酸性微环境;最外层为聚乙二醇甲醚丙烯酸酯(PPEGMA)层,该层和PAA层类似,具有毛刷状结构,可以提供屏障,以确保即使E-和S-颗粒相遇,其PAA层负载的酶和底物分子也不会接触从而引发不必要的化学反应。

当有外加磁场时,磁性Fe3O4内核产生较大的偶极矩,强的偶极-偶极相互作用使得E-颗粒和S-颗粒充分聚集,破坏了PAA和PPEGMA层的毛刷状结构,这时两种颗粒的PAA层所负载的酶和底物可以充分接触,从而启动酶和底物间的化学反应,引发药物分子的释放。目前该技术已被用于载带肿瘤化疗的药物阿霉素,并显示出了良好的安全性、远程可控性及治疗效果。

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