手性纳米材料: 生物成像、 生物传感与治疗

doi:10.7503/cjcu20220683

摘要/Abstract

摘要：

手性无机纳米结构不仅形貌和结构可调控、易于表面功能化修饰, 而且光学性质独特, 在生物领域的应用上展现了很大的优异性. 本文综述了近年来手性纳米技术在生物医学领域的研究进展, 重点介绍了手性金属和手性半导体纳米结构的合成策略、圆二色效应、光手性机制及在生物成像、生物传感、肿瘤以及神经退行性疾病等医学领域的应用. 手性纳米材料的研究丰富了生物化学的纳米技术手段, 促进了肿瘤等重大疾病诊断与治疗技术的进步, 推动了手性在生命科学中的发展, 鼓励了研究者对这一新兴领域的持续探索与挑战.

关键词: 手性, 纳米结构, 生物成像, 生物传感, 治疗

Abstract:

Chiral inorganic nanostructures not only display great flexibility in morphology and structure regulation and simplicity in surface functionalization， but also exhibit unique optical properties， showing great excellence in the application of biological field. This review comprehensively discusses the research progress of chiral nanotechnology in the biomedical field in recent years， focusing on the chiral metal- or semiconductor-based nanostructures in terms of the synthesis strategy， circular dichroism effect， mechanisms of optical chirality and their performances in biomedical applications such as bioimaging， biosensing， tumours and neurodegenerative diseases therapies. These researches of chiral nanomaterials enrich biochemical nanotechnology means， promote the progress of diagnosis and therapeutic techniques for major diseases such as cancer， give a boost to the chirality in life sciences， and encourage researchers to continue to explore and challenge this emerging field.

Key words: Chirality, Nanostructure, Bioimaging, Biosensing, Therapy

中图分类号:

O621

TrendMD:

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图/表 5

Fig.1 Morphology and spectroscopy of chiral nanoparticles（A） Surface ligand introduction and circular dichroism spectra of chiral tungsten oxide nanoparticles［21］；（B） surface ligand introduction and circular dichroism spectra of chiral cadmium selenide quantum dots［20］；（C） morphology， spectroscopy， and light transmitting characteristics of L- or D-cysteine-capped chiral Co3O4 nanoparticles［3］；（D） morphology and circular dichroism spectra of truncated tetrahedral shape CdTe nanoparticles［15］；（E） three-dimensional plasmonic helicoids controlled by L- or D-cysteine and the morphological development oriented in the opposite directions［4］；（F） asymmetric morphology and circular dichroism spectra of strong chiral gold nanoparticles［17］.（A） Copyright 2017， American Chemical Society；（B） Copyright 2013， American Chemical Society；（C） Copyright 2018， American Association for the Advancement of Science；（D） Copyright 2018， Springer Nature；（E） Copyright 2018， Springer Nature；（F） Copyright 2022， Springer Nature.

Fig.2 Structure and spectroscopy of chiral nano⁃assemblies（A） Up-conversion nanoparticle inserted Au@Ag yolk-shell nanopyramid［25］；（B） nanopyramid self-assembled with gold nanoparticles and up-conversion nanoparticles［26］；（C） illumination of CdTe quantum dots with right- and left-handed circularly polarized light induces the formation of right- and left-handed twisted nanoribbons， respectively［32］；（D） helical assemblies of gold nanorods with human islet amyloid polypeptides［29］.（A） Copyright 2018， Springer Nature；（B） Copyright 2016， American Chemical Society；（C） Copyright 2015， Springer Nature；（D） Copyright 2021， American Association for the Advancement of Science.

Fig.3 Bioimaging and sensing of chiral nanostructures（A） Chiral Au（core）-silver（shell） satellite nanostructures for CT and PA imaging in the tumor-bearing mice［34］；（B） magneto-chiral cobalt hydroxide nanoparticles for ROS detection in mouse tumor through fluorescence and MRI dual imaging［37］；（C） the nanostructures of up-conversion nanoparticle（core） and a zeolitic imidazolate framework-8（ZIF）（shell） encapsulated with chiral NiS x nanoparticles for in vitro and in vivo ROS monitoring based on up-conversion luminescence imaging［14］；（D） chiral Au-upconversion heterodimer for quantitative detection drug-resistant bacteria［39］.（A） Copyright 2017， Wiley-VCH；（B） Copyright 2022， American Chemical Society；（C） Copyright 2019， American Chemical Society；（D） Copyright 2018， Wiley-VCH.

Fig.4 Applications of chiral nanoparticles in tumor therapy（A） Combination of photodynamic and photothermal effects of chiral Cu2-x S nanocrystals promotes tumor cell death［43］；（B） chiral Au（core）-silver（shell） satellite nanostructures for tumor photodynamic therapy［34］；（C） strong chiral gold nano-adjuvants enhancing the humoral immunity and cellular immunity for tumor immunotherapy and prevention［53］.（A） Copyright 2020， the Royal Society of Chemistry；（B） Copyright 2017， Wiley-VCH；（C） Copyright 2022， Wiley-VCH.

Fig.5 Application of chiral nanomaterials in neurodegenerative disease treatment（A） The inhibition and disassembly effects of chiral Fe x Cu y Se nanoparticles on β-amyloid aggregation in an AD mice model［16］；（B） effect of chiral Au NPs on β-amyloid fibrillization both in vitro and in vivo［60］；（C） chiral Cu x O nanoclusters for eliminating reactive oxygen species against oxidative-stress-mediated neurotoxicity in PD mice and rescuing the memory loss of mice with PD［59］.（A） Copyright 2020， Wiley-VCH；（B） Copyright 2020， Springer Nature；（C） Copyright 2019， American Chemical Society.

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