功能化金纳米材料在肿瘤诊疗中的研究与应用

doi:10.7503/cjcu20200639

摘要/Abstract

摘要：

作为一种重要的贵金属, 金具有表面等离子共振的光学特性, 在材料、催化和医学诊疗等领域有着广泛且重要的应用. 本文综合评述了表面功能化的金纳米材料在肿瘤诊断及治疗领域的相关研究, 并对金纳米材料在肿瘤诊疗领域的未来发展进行了展望.

Abstract:

As an important noble metal， gold exhibits unique surface plasmon resonance characteristics and has been widely applied in materials， catalysis， medical diagnosis and treatment and so forth. In this review， the surface functionalization of gold nanomaterials and their applications in imaging?based diagnosis and treatment of tumors are reviewed， and the problems that need to be solved in the future for clinical applications are summarized.

Key words: Gold nanomaterials, Surface plasmon resonance, Clinic diagnosis, Phototherapy, Combined treatment

中图分类号:

O614

TrendMD:

葛浩英, 杜健军, 龙飒然, 孙文, 樊江莉, 彭孝军. 功能化金纳米材料在肿瘤诊疗中的研究与应用. 高等学校化学学报, 2021, 42(4): 1202.

GE Haoying, DU Jianjun, LONG Saran, SUN Wen, FAN Jiangli, PENG Xiaojun. Surface Functionalized Gold Nanomaterials in Tumor Diagnosis and Treatment. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(4): 1202.

图/表 8

Fig.1 Absorption wavelengths of gold nanomaterials with different morphologies and sizes

Fig.2 Properties of gold nanoparticles in imaging and treatments(A) Gold bowtie nanostructures based on DNA origami for enhancing surface enhanced Raman signal[16]; (B) the multicolor nanoprobe for the detection of intracellular tumor[17]; (C) the chemo?photothermal theranostic platform based on polydopamine?coated gold nanorods[28]; (D) the efficient in vivo PDT system based on a nanomaterial, dihydrolipoic acid coated gold nanocluster[32].(A) Copyright 2018, Wiley‐VCH; (B) Copyright 2012, Wiley‐VCH; (C) Copyright 2016, American Chemical Society; (D) Copyright 2020, American Chemical Society.

Fig.3 Influence factors of gold nanometer for their enrichment in tumor(A) TEM images of Au nanocages with average edge lengths of 50 nm and 30 nm, and PA images of the axillary region of rats acquired at 0, 5, and 120 min after injection of the AuNCs with different concentrations[36]. (B) gold nanoshell?coated rod?like mesoporous silica nanoparticles which integrated cascade tumor targeting(mediated by photothermal effect and molecular receptor binding) and photothermal treatment enhanced gemcitabine chemotherapy, under mild near?infrared laser irradiation condition[37]. (C) RBC?membrane?coated gold nanocages, followed by PTT cancer treatment in mice[41]. (D) mechanism of mitochondria?templated gold nanoparticle accumulation for tumor?selective therapy[42].(A) Copyright 2011, American Chemical Society; (B) Copyright 2017, American Chemical Society; (C) Copyright 2014, American Chemical Society; (D) Copyright 2018, American Chemical Society.

Fig.4 Gold nanomaterials?based tumor imaging(A) The novel activatable theranostic nanoprobe strategy for in vivo cancer imaging[48]. (B) the synthesis of magnetic gold nanowreath and their applications as glutathione?responsive T1?weighted imaging contrast agents[52]. (C) fabrication of gold nanoframeworks?Dox nanosystem and it for SERS?based Raman?photoacoustic imaging[14]. (D) a new class of nanosized cathepsintargeted activity?based probes for functional CT imaging of cancer.(A) Copyright 2014, Royal Society of Chemistry; (B) Copyright 2018, American Chemical Society; (C) Copyright 2020, Wiley‐VCH.

Fig.5 Colorimetric assay of creatinine based on AuNPs via synergistic coordination chemistry of creatinine with adenosine and Ag+(A)[6] and nanocatalyst signal amplification sensing system(B)(A) Copyright 2016, American Chemical Society.

Fig.6 Schematic diagram of synthesis and mechanism of gold plasmonic blackbodies and UV?Vis?NIR transmittance of 45 nm AuPBs at different concentrations[23]Copyright 2018, American Chemical Society.

Fig.7 Gold materials as drug carriers for treatments(A) Gold nanocages with thermal initiator for therapeutics[75]. (B) fabrication of PEI?gold nanorods for the delivery of siRNA[77].(A) Copyright 2018, American Chemical Society; (B) Copyright 2014, Wiley‐VCH.

Fig.8 Gold nanomaterials?based therapeutic strategies(A) Synthesis of HSA/CAT@gold nanoclusters and photodynamic therapy; (B) ultrasmall gold nanoparticles with upconversion nanoparticles for synergistic cancer therapy?driven PDT through cascade catalytic reactions[80]. (C) the use of a hierarchical multiplexing nanodroplet enhances DNA damage and prevents DNA repair[83]. (D) passive accumulation and ROS production mechanism of nanoparticles[84].(B) Copyright 2020, Wiley‐VCH; (C) Copyright 2018, American Chemical Society; (D) Copyright 2016, American Chemical Society.

参考文献 85

1	Rastinehad A. R.， Anastos H.， Wajswol E.， Winoker J. S.， Sfakianos J. P.， Doppalapudi S. K.， Carrick M. R.， Knauer C. J.， Taouli B.， Lewis S. C.， Tewari A. K.， Schwartz J. A.， Canfield S. E.， George A. K.， West J. L.， Halas N. J.， Proc. Natl. Acad. Sci. USA，2019， 116（37）， 18590—18596
2	Du J.， Ge H.， Gu Q.， Du H.， Fan J.， Peng X.， Nanoscale，2017， 9（48）， 19139—19144
3	Du J.， Wang Z.， Fan J.， Peng X.， Sensor. Actuat. B⁃Chem.，2015， 212， 481—486
4	Du J.， Du H.， Li X.， Fan J.， Peng X.， Sensor. Actuat. B⁃Chem.，2017， 248， 318—323
5	Dreaden E. C.， Alkilany A. M.， Huang X.， Murphy C. J.， El⁃Sayed M. A.， Chem. Soc. Rev.， 2012， 41（7）， 2740—2779
6	Du H.， Chen R.， Du J.， Fan J.， Peng X.， Ind. Eng. Chem. Res.，2016， 55（48）， 12334—12340
7	Du J.， Du H.， Ge H.， Fan J.， Peng X.， Sensor. Actuat. B⁃Chem.，2018，255， 808—813
8	Du J.， Zhu B.， Peng X.， Chen X.， Small，2014， 10（17）， 3461—3479
9	de Puig H.， Tam J. O.， Yen C. W.， Gehrke L.， Hamad⁃Schifferli K.， J. Phys. Chem. C.，2015， 119（30）， 17408—17415
10	Du J.， Shao Q.， Yin S.， Jiang L.， Ma J.， Chen X.， Small，2012， 8（22）， 3412—3416
11	Du J.， Yin S.， Jiang L.， Ma B.， Chen X.， Chem. Commun.，2013， 49（39）， 4196—4198
12	Shuker R.， Gammon R. W.， Phys. Rev. Lett.，1970， 25（4）， 222—225
13	Zumbusch A.， Holtom G. R.， Xie X. S.， Phys. Rev. Lett.， 1999， 82（20）， 4142—4145
14	Wang J.， Sun J.， Wang Y.， Chou T.， Zhang Q.， Zhang B.， Ren L.，Wang H.， Adv. Funct. Mater.，2020， 30（9）， 1908825
15	Lee M.， Lee S.， Lee J. H.， Lim H. W.， Seong G. H.， Lee E. K.， Chang S. I.， Oh C. H.， Choo J.， Biosens. Bioelectron.，2011， 26（5）， 2135—2141
16	Zhan P.， Wen T.， Wang Z. G.， He Y.， Shi J.， Wang T.， Liu X.， Lu G.， Ding B.， Angew. Chem. Int. Ed.，2018， 57（11）， 2846—2850
17	Li N.， Chang C.， Pan W.， Tang B.， Angew. Chem. Int. Ed.，2012， 51（30）， 7426—7430
18	Jauffred L.， Samadi A.， Klingberg H.， Bendix P. M.， Chem. Rev.，2019， 119（13）， 8087—8130
19	Cheng X.， Sun R.， Yin L.， Chai Z.， Shi H.， Gao M.， Adv. Mater.，2017， 29（6）， 1604894
20	Xiang H.， Lin H.， Yu L.， Chen Y.， ACS Nano，2019， 13（2）， 2223—2235
21	Zhang Z.， Wang J.， Nie X.， Wen T.， Ji Y.， Wu X.， Zhao Y.， Chen C.， J. Am. Chem. Soc.，2014， 136（20）， 7317—7326
22	Yang X.， Yang M.， Pang B.， Vara M.， Xia Y.， Chem. Rev.，2015， 115（19）， 10410—10488
23	Zhou J.， Jiang Y.， Hou S.， Upputuri P. K.， Wu D.， Li J.， Wang P.， Zhen X.， Pramanik M.， Pu K.， Duan H.， ACS Nano，2018， 12（3）， 2643—2651
24	Xu Q.， Wan J.， Bie N.， Song X.， Yang X.， Yong T.， Zhao Y.， Yang X.， Gan L.， Theranostics， 2018， 8（19）， 5362—5378
25	Chen Y. S.， Zhao Y.， Yoon S. J.， Gambhir S. S.， Emelianov S.， Nat. Nanotechnol.，2019， 14（5）， 465—472
26	Ye X.， Zheng C.， Chen J.， Gao Y.， Murray C. B.， Nano Lett.，2013， 13（2）， 765—771
27	Huang X.， Neretina S.， El⁃Sayed M. A.， Adv. Mater.，2009， 21（48）， 4880—4910
28	Zhang L.， Su H.， Cai J.， Cheng D.， Ma Y.， Zhang J.， Zhou C.， Liu S.， Shi H.， Zhang Y.， Zhang C.， ACS Nano，2016， 10（11）， 10404—10417
29	Bi C.， Chen J.， Chen Y.， Song Y.， Li A.， Li S.， Mao Z.， Gao C.， Wang D.， Möhwald H.， Xia H.， Chem. Mater.，2018，30（8）， 2709—2718
30	Hainfeld J. F.， Slatkin D. N.， Smilowitz H. M.， Phys. Med. Biol.， 2004， 49， N309—N315
31	Her S.， Jaffray D. A.， Allen C.， Adv. Drug Deliv. Rev.， 2017， 109， 84—101
32	Han R.， Zhao M.， Wang Z.， Liu H.， Zhu S.， Huang L.， Wang Y.， Wang L.， Hong Y.， Sha Y.， Jiang Y.， ACS Nano， 2020， 14（8）， 9532—9544
33	Inkpen M. S.， Liu Z. F.， Li H.， Campos L. M.， Neaton J. B.， Venkataraman L.， Nature Chemistry， 2019，11， 351—358
34	Roya T.， Joshua M. C.， Marion L. G.， Nicholas A.， Wolfgang S.， Eric B.， Nature Nanotechnology， 2018， 13， 1066—1071
35	Zakaria H. M.， Shah A.， Konieczny M.， Hoffmann J. A.， Nijdam A. J.， Reeves M. E.， Langmuir， 2013， 29（25）， 7661—7673
36	Cai X.， Li W.， Kim C. H.， Yuan Y.， Xia Y.， ACS Nano， 2011， 5（12）， 9658—9667
37	Zhao R.， Han X.， Li Y.， Wang H.， Ji T.， Zhao Y.， Nie G.， ACS Nano，2017， 11（8）， 8103—8113
38	Wang Y.， Ma S.， Dai Z.， Rong Z.， Liu J.， Nanoscale，2019， 11（35）， 16336—16341
39	Benjamin C. E.， Chen Z.， Kang P.， Wilson B. A.， Li N.， Nielsen S. O.， Qin Z.， Gassensmith J. J.， J. Am. Chem. Soc.，2018， 140（49）， 17226—17233
40	Gao L.， Fei J.， Zhao J.， Li H.， Li J.， ACS Nano， 2012， 6（9）， 8030—8040
41	Piao J. G.， Wang L.， Gao F.， You Y. Z.， Xiong Y.， Yang L.， ACS Nano， 2014， 8（10）， 10414—10425
42	Ma Z.， Han K.， Dai X.， Han H.， ACS Nano，2018， 12（6）， 6252—6262
43	Huang N.， Liu Y.， Fang Y.， Zheng S.， Wu J.， Wang M.， Zhong W.， Shi M.， Xing M.， Liao W.， ACS Nano，2020， 14（7）， 7940—7958
44	Mosquera J.， Henriksen⁃Lacey M.， Garcia I.， Martinez⁃Calvo M.， Rodriguez J.， Mascarenas J. L.， Liz⁃Marzan L. M.， J. Am. Chem. Soc.，2018， 140（13）， 4469—4472
45	Chen D.， Li B.， Cai S.， Wang P.， Peng S.， Sheng Y.， He Y.， Gu Y.， Chen H.， Biomaterials，2016，100， 1—16
46	Wang R.， Luo Y.， Yang S.， Lin J.， Gao D.， Zhao Y.， Liu J.， Shi X.， Wang X.， Sci. Rep.，2016， 6， 33844
47	Xu S.， Nie Y.， Jiang L.， Wang J.， Xu G.， Wang W.， Luo X.， Anal. Chem.，2018， 90（6）， 4039—4045
48	Shi H.， Ye X.， He X.， Wang K.， Cui W.， He D.， Li D.， Jia X.， Nanoscale，2014， 6（15）， 8754—8761
49	Yang K.， Liu Y.， Wang Y.， Ren Q.， Guo H.， Matson J. B.， Chen X.， Nie Z.， Biomaterials，2019， 223， 119460
50	Li X.， Xing L.， Zheng K.， Wei P.， Du L.， Shen M.， Shi X.， ACS Appl. Mater. Interfaces，2017， 9（7）， 5817—5827
51	Wu Y.， Ali M. R. K.， Chen K.， Fang N.， El⁃Sayed M. A.， Nano Today，2019， 24， 120—140
52	Liu Y.， Yang Z.， Huang X.， Yu G.， Wang S.， Zhou Z.， Shen Z.， Fan W.， Liu Y.， Davisson M.， Kalish H.， Niu G.， Nie Z.， Chen X.， ACS Nano，2018， 12（8）， 8129—8137
53	Zhang Y.， Chang J.， Huang F.， Yang L.， Ren C.， Ma L.， Zhang W.， Dong H.， Liu J.， Liu J.， ACS Biomater. Sci. Eng.，2019， 5（3）， 1589—1601
54	Liu Y.， Ashton J. R.， Moding E. J.， Yuan H.， Register J. K.， Fales A. M.， Choi J.， Whitley M. J.， Zhao X.， Qi Y.， Ma Y.， Vaidyanathan G.， Zalutsky M. R.， Kirsch D. G.， Badea C. T.， Vo⁃Dinh T.， Theranostics，2015， 5（9）， 946—960
55	Li H.， Li H.， Wan A.， Analyst，2020， 145（2）， 348—363
56	Tsvirkun D.， Ben⁃Nun Y.， Merquiol E.， Zlotver I.， Meir K.， Weiss⁃Sadan T.， Matok I.， Popovtzer R.， Blum G.， J. Am. Chem. Soc.，2018， 140（38）， 12010—12020
57	Du J.， Zhu B.， Chen X.， Small， 2013， 9（24）， 4104—4111
58	Du J.， Zhu B.， Leow W. R.， Chen S.， Sum T. C.， Peng X.， Chen X.， Small，2015， 11（33）， 4104—4110
59	Loynachan C. N.， Soleimany A. P.， Dudani J. S.， Lin Y.， Najer A.， Bekdemir A.， Chen Q.， Bhatia S. N.， Stevens M. M.， Nat. Nanotechnol.，2019， 14（9）， 883—890
60	An L.， Cao M.， Zhang X.， Lin J.， Tian Q.， Yang S.， ACS Appl. Mater. Interfaces，2020， 12（7）， 8050—8061
61	Wang Y.， Wan D.， Xie S.， Xia X.， Xia Y.， ACS Nano， 2013， 7（5）， 4586—4594
62	Christopher P.， Xin H.， Linic S.， Nat. Chem.，2011， 3（6）， 467—472
63	Vigderman L.， Zubarev E. R.， Adv. Drug. Deliv. Rev.，2013， 65（5）， 663—676
64	Wang S.， Ma X.， Hong X.， Cheng Y.， Tian Y.， Zhao S.， Liu W.， Tang Y.， Zhao R.， Song L.， Teng Z.， Lu G.， ACS Nano， 2018， 12（1）， 662—670
65	Vankayala R.， Lin C. C.， Kalluru P.， Chiang C. S.， Biomaterials，2014， 35（21）， 5527—5538
66	Ali M. R. K.， Wu Y.， El⁃Sayed M. A.， J. Phys. Chem. C，2019， 123（25）， 15375—15393
67	Aioub M.， El⁃Sayed M. A.， J. Am. Chem. Soc.，2016， 138（4）， 1258—1264
68	An L.， Wang Y.， Lin J.， Tian Q.， Xie Y.， Hu J.， Yang S.， ACS Appl. Mater. Interfaces，2019， 11（17）， 15251—15261
69	Cai K.， Zhang W.， Zhang J.， Li H.， Han H.， Zhai T.， ACS Appl. Mater. Interfaces，2018， 10（43）， 36703—36710
70	Vijayaraghavan P.， Liu C. H.， Vankayala R.， Chiang C. S.， Hwang K. C.， Adv. Mater.，2014， 26（39）， 6689—6695
71	Zhang Q.， Cobley C. M.， Zeng J.， Wen L. P.， Chen J.， Xia Y.， J. Phys. Chem. C， 2010， 114（14）， 6396—6400
72	Wijaya A.， Schaffer S. B.， Pallares I. G.， Hamad⁃Schifferli K.， ACS Nano， 2009， 3（1）， 80—86
73	Kolemen S.， Ozdemir T.， Lee D.， Kim G. M.， Karatas T.， Yoon J.， Akkaya E. U.， Angew. Chem. Int. Ed.，2016，55（11）， 3606—3610
74	Koo M.， Oh K. T.， Noh G.， Lee E. S.， ACS Appl. Mater. Interfaces，2018， 10（29）， 24450—24458
75	Wang X. Q.， Peng M.， Li C. X.， Zhang Y.， Zhang M.， Tang Y.， Liu M. D.， Xie B. R.， Zhang X. Z.， Nano Lett.，2018， 18（11）， 6804—6811
76	Lei Y.， Tang L.， Xie Y.， Xianyu Y.， Zhang L.， Wang P.， Hamada Y.， Jiang K.， Zheng W.， Jiang X.， Nat. Commun.，2017，8， 15130
77	Shen J.， Kim H. C.， Mu C.， Gentile E.， Mai J.， Wolfram J.， Ji L. N.， Ferrari M.， Mao Z. W.， Shen H.， Adv. Healthc. Mater.，2014， 3（10）， 1629—1637
78	Vankayala R.， Sagadevan A.， Vijayaraghavan P.， Kuo C. L.， Hwang K. C.， Angew. Chem. Int. Ed.，2011， 50（45）， 10640—10644
79	Chen Q.， Chen J.， Yang Z.， Zhang L.， Dong Z.， Liu Z.， Nano Research，2018， 11（10）， 5657—5669
80	He L.， Ni Q.， Mu J.， Fan W.， Liu L.， Wang Z.， Li L.， Tang W.， Liu Y.， Cheng Y.， Tang L.， Yang Z.， Liu Y.， Zou J.， Yang W.， Jacobson O.， Zhang F.， Huang P.， Chen X.， J. Am. Chem. Soc.， 2020， 142（14）， 6822—6832
81	Zhang Y.， Zhang X.， Yuan Q.， Niu W.， Zhang C.， Li J.， He Z.， Tang Y.， Ren X.， Zhang Z.， Cai P.， Gao L.， Gao X.， Nanomaterials，2018， 8（12）， 1040
82	Li J.， Koo K. M.， Wang Y.， Trau M.， Small，2019， 15（50）， 1904689
83	Jiang W.， Li Q.， Xiao L.， Dou J.， Liu Y.， Yu W.， Ma Y.， Li X.， You Y. Z.， Tong Z.， Liu H.， Liang H.， Lu L.， Xu X.， Yao Y.， Zhang G.， Wang Y.， Wang J.， ACS Nano，2018， 12（6）， 5684—5698
84	Deepagan V. G.， You D. G.， Um W.， Ko H.， Kwon S.， Choi K. Y.， Yi G. R.， Lee J. Y.， Lee D. S.， Kim K.， Kwon I. C.， Park J. H.， Nano Lett.，2016， 16（10）， 6257—6264
85	Lin X.， Liu S.， Zhang X.， Zhu R.， Chen S.， Chen X.， Song J.， Yang H.， Angew. Chem. Int. Ed.，2020， 59（4）， 1682—1688

[1]	张婵婵, 张方辉, 丁磊, 倪振杰, 江浪, 董焕丽, 张小涛, 李荣金, 胡文平. 基于表面等离子共振效应的有机光敏晶体管[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(1): 102.
[2]	滕小波, 张春霞, 张颖. 负载金纳米粒子的聚苯乙烯/聚丙烯酸微球的合成及pH响应性能[J]. 高等学校化学学报, 2016, 37(8): 1509.
[3]	金新天, 刘刚, 李君哲, 孙丽丽, 王俊荣, 李俊锋, 李沛, 陈文庆, 王强, 佟倜. 透明质酸修饰的介孔二氧化硅包覆金纳米棒的制备及在肿瘤化疗-热疗联合治疗中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2016, 37(2): 224.
[4]	陈柔, 杨金荣, 杨晓英, 王玉玫, 李蓉珊, 王润玲, 王银松. 壳聚糖基多功能纳米药物载体的体外研究[J]. 高等学校化学学报, 2012, 33(07): 1586.
[5]	张轶鸣, 陈畯, 廖滔, 许吉英, 陈义. 固定光路可变焦宽调角表面等离子共振成像装置[J]. 高等学校化学学报, 2012, 33(02): 251.
[6]	高锦航, 刘瑞, 童欢, 李献, 强鸥 , 唐承薇. 表面等离子共振技术测定生长抑素含量[J]. 高等学校化学学报, 2010, 31(7): 1327.
[7]	林炳承, 秦建华. 微流控芯片分析化学实验室 [J]. 高等学校化学学报, 2009, 30(3): 433.
[8]	申刚义,韩志强,刘巍,陈义 . 彩色表面等离子体共振成像初探[J]. 高等学校化学学报, 2007, 28(9): 1651.
[9]	邹向宇, 周建光, 冯国栋, 张磊, 李明, 金钦汉 . 表面等离子体子共振技术用于分析手性药物与蛋白作用差异的研究[J]. 高等学校化学学报, 2006, 27(9): 1631.
[10]	李燕 ; 王成伟 ; 赵新宏 ; 王建 . Cu/AAO纳米有序阵列复合结构的光吸收特性[J]. 高等学校化学学报, 2006, 27(6): 1101.
[11]	聂松, 陈平, 梁宋平. 表面等离子共振-质谱法对相互作用的生物分子在10^-15mol水平的微量鉴定[J]. 高等学校化学学报, 2005, 26(1): 68.
[12]	林炳承. 功能型微流控芯片实验室的高通量和规模集成[J]. 高等学校化学学报, 2004, 25(S1): 121.