纳米药物特点及其分析与评价

纳米药物特点及其分析方法

纳米科技作为一种新兴的科学和技术，它的基本涵义是在纳米尺（10-9-10-10）范围内认识和改造自然，通过直接操纵和安排原子、分子，创造新物质。纳米技术的出现标志着人类改造自然的能力已延伸到原子、分子水平，表明人类科学技术已进入一个新时代———纳米时代。纳米技术被国际上公认为21世纪最有前途的科学领域之一。纳米技术的诞生是以扫描隧道电子显微镜和原力显微镜的发明为先导的。1981年美国IBM 公司在瑞士苏黎世实验室工作Binning 和Rohrer 博士发明了扫描隧道电子显微镜，并因此获诺贝尔物理奖。纳米不仅是一个空间尺度上的概念，而且是一种新的思维方式，即生产过程越来越细，以致在纳米尺度上直接由原子、分子排布制造具有特定功能的产品。纳米科技是一门多学科交叉的基础研究和应用研究密切相联系的高新科技，如纳米材料学、纳米电子学、纳米机械学、纳米化学和纳米生物学等。

纳米药物的定义

当物质加工到纳米尺寸时，它的粒子尺寸已接近光的波长，同时粒子还具有很大的表面积，使得它具有一些特殊效应，如量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，而且在光学、磁学、电学、化学及生物学方面表现出许多特殊性质。这种特性既不同于微观原子、分子，也不同于该物质在整体状态时所表现的宏观性质。随着纳米技术的发展，新的纳米材料不断研制和开发出来。纳米微粒表面具有很强的活性，具有特殊的光学、热学、力学和磁学特性，有大量的界面或自由表面，各纳米微粒间存在着或强或弱的相互作用。这些特点使纳米材料具有小尺寸效应和界面效应，表现出许多优异性能和全新的功能。随着新纳米材料的开发和利用，纳米科技已经渗透到物理、化学和生物等领域，同时人们也预见到在医药学方面，纳米科技将有巨大的发展潜力。2002年12月，美国国家健康研究院宣布进行一项为期4 年的纳米科学和纳米技术应用于医学的研究计划。该计划的提出促成了纳米医学这一新领域的形成。广义上，纳米医学是指将分子器械和人体分子生物学知识应用于诊断、治疗、预防疾病和外伤、减轻疼痛，并且保护和提高人体健康的过程。简而言之，纳米医学就是将纳米技术应用 于医学领域。纳米材料在医学中的应用目前看来最有意义和前景的领域主要包括 18个方面，其中大部分领域有可能发展形成纳米药物。纳米药物一词虽然在国际

和国内文献中频繁出现，并且作为关键词被列出和检索，但是尚未见到它的严格定义。根据文献中有关内容的阐述，纳米药物是指在疾病的诊断、治疗、预防以及提高和保护人体健康方面以药物形式所使用的一类纳米材料。

纳米药物的主要特点

纳米材料具有某些特殊的效应，如量子尺寸效应、界面效应和宏观量子隧道效应等，在生物学方面表现出许多特殊性质，如良好的透过性、较大的溶解性和吸附性等。因此纳米药物作为一种纳米材料将会具有某些不同于传统药物的优异特性。

首先，由于纳米微粒的超小体积和巨大比表面，纳米药物具有较高的载药量，容易穿透血管而不引起血管内皮损伤，保护药物免受酶降解，药物在体内局部聚集浓度高，从而能提高疗效，同时还可以降低药物毒副作用。纳米药物目前已初步用于肿瘤、糖尿病和血管疾病等疾病的试验和临床治疗。例如，Damge 等研究了胰岛素聚氰基丙烯酸酯(PACA)纳米粒。由于在强酸性条件下，胰岛素和PACA 纳米粒之间存在强烈的静电吸引作用，因此胰岛素分子可牢固吸附于PABA 纳米粒表面。体外研究表明，胰岛素吸附于纳米粒表面后，胃蛋白酶、胰蛋白酶等蛋白水解酶对其的降解作用显著降低，纳米粒表现出良好的保护胰岛素活性的作用。又如，尹宗宁等研制的注射用胰岛素纳米微囊大鼠实验表明：皮下注射胰岛素纳米微囊对糖尿病大鼠降糖作用可持续7 日，药物的吸收相具有明显的量效关系，3 日1 次给药降糖作用可接近1日3次常规的胰岛素治疗效果，药效优于相同剂量的胰岛素。在肿瘤扩散的早期诊断方面，Schneebaum 等描述了在探测恶性皮肤黑色素瘤的SLN （前哨淋巴结）活检时，使用放射性纳米药物获得成功。

其次，纳米微粒还具有表面反应活性高、活性中心多、催化效率高和吸附能力强等特性。因此纳米药物可以制成缓释药物，改变药物在体内的半衰期，延长药物的作用时间；制成导向药物后作为“生物导弹”达到靶向输药至特定器官的目的；在保证药效的前提下，减少用药量，减轻或消除毒副作用；提高药物的稳定性，有利于存储；改变膜运转机制，增加药物对生物膜的透过性，有利于药物透皮吸收及细胞内药效的发挥，增加药物溶解度。例如，采用纳米级脂质体碘油乳剂及聚氰基丙烯酸正丁酯纳米微粒碘油乳剂用于肝癌栓塞化疗，具有良好的肝靶向性、缓释性及生物可降解性，还具有抗耐药性，临床上用阿霉素纳米微粒I

碘油乳剂治疗肝癌效果良好。HIV 患者卡氏肺囊虫感染或利什曼病有效治疗新药“bupravaquone ”和“atovaquone ”，其微粉化制剂口服吸收差、生物利用度低、剂量大，将两药制备成纳米微粒混悬剂后生物利用度提高到40%，疗效提高2.5倍，剂量因此可大大降低。口服给予纳米脂质体、聚合物纳米粒能增加在肠道上皮细胞的吸附，延长吸收时间，增加药物通过淋巴系统的转运，且能通过肠道M 细胞吞噬进入体内循环等。

总之，纳米药物具有缓释特性，能够延长药物作用时间，靶向输送药物，保证药物作用前提下减少给药剂量，减轻或避免药物毒副作用，提高药物作用稳定性，利于药物储存。能够建立一些新的给药途径，通过修饰实现药物的智能化。而且能够实现药物向高产、自动化、大规模、低成本、携带储存方便、服用方便、小剂量和低副作用方面发展。

纳米药物分析方法及其进展

由于纳米药物目前正处于起步阶段，研究工作主要集中在两个方面：一方面是发明和发现新纳米材料的药用功效，开发新的纳米药物；另一方面是将目前的药物纳米化和寻找新的纳米药物载体等，进而开发药物的新剂型，提高药效。新纳米材料的药用功效研究及其分析在新纳米材料的药用功效方面，研究工作多是处于基础研究阶段。由于对纳米材料的环境效应和在生物体中遗传效应、长期效应等尚不清楚，因此将新纳米材料转化为纳米药物需要投入大量的资金、人力和时间；此外社会公众对纳米材料的认可也需要一个过程，因此风险很大。但是，由于目前的药物对许多疾病的治疗效果不尽如人意，促使研究人员寻找新的更有效、更安全的药物，纳米药物被研究人员寄予了很大希望。例如，纳米纤维聚交酯PIA 可以作为支架使骨细胞和叶间干细胞生长。实验结果表明，这些细胞牢固地粘贴在纳米纤维上，并开始生长。这一结果说明纳米纤维PLA 在骨伤治疗方面有很好的前景。又如，基于荧光发射原理发展起来的量子点和电磁原理发展起来的磁纳米颗粒既可以作为纳米传感器应用于影像学诊断，也可以作为载体应用于药物治疗领域。半导体量子点具有很大的光吸收截面和连续的激发光谱，因此其发光亮度高，发射谱线狭窄而对称，并且发射光的波长可以通过调整纳米粒尺寸控制；但是其原材料多是对生物体有害的重金属，因此必需进行修饰。近几年这方面研究取得了突破性进展，如ZnS 包被的CdSe 量子点体外试验结果表明，其对

胚胎细胞无毒性。又如Gao 等将修饰后的半导体量子点注入小鼠体内，量子点表现出对植入小鼠体内的人类癌细胞良好的靶向作用。将磁纳米粒加入载药系统，在外磁场作用下将药物导入病灶，制成导向药物，这种载药系统已在大鼠和兔子的动物试验中获得初步成功。Sukhorukov 等提出了纳米工程多功能药物的概念，既对药物进行导向又可以监测周围的值或温度条件等，使药效最大化，而其副作用尽可能小。Zhou 等制备了具有荧光发射和磁效应的双功能纳米球（FBNs ），对癌细胞具有靶向性，在癌症的诊断和治疗方面有很好的应用前景。

对于这类纳米药物的分析，目前集中在纳米材料结构和性质的表征，如粒度及粒度分布、分散性、分散稳定性、表面电性能、表面成分及价态、表面自由能和结构等。对于纳米材料上述结构和性质的了解有利于探索它们的生物特性和药理药效学机理。其中粒度及粒度分布检测所用分析技术主要包括光子相关光谱（PCS ）、透射电镜（TEM ）、扫描探针显微技术、扫描电镜、X 射线小角散射和气体低温吸附法；表面电性能检测采用动电位（ξ电位）测量技术；表面成分及价态检测采用X 射线光电子能谱（XPS ）又称为电子能谱化学分析（ESCA ）和俄歇电子能谱（AES ）测量技术；表面自由能检测主要采用接触角法；分散性和分散稳定性检测可以采用电镜技术、电位技术、粒度及其分布测定技术、黏度检测技术、浊度检测技术；结构检测采用JX 射线衍射（XRD ）分析技术。同时，新发展起来的微流控芯片系统对研究新型纳米材料与细胞的相互作用也提供了一种很好的分析手段。

新药物载体和药物新剂型的开发及其分析

对于新药物载体以及药物新剂型的开发方面，由于这类开发是针对药效和药理基本明确的药物，通过载体或剂型的改进达到提高药效的目的，因此风险小、见效快，是目前纳米药物研究领域最为活跃的一个分支，并且取得了许多令人注目的结果。这类纳米药物产品按照功能主要分为：释药系统、显像剂和生物传感器，其中释药系统发展最为迅速。例如，两性霉素和阿霉素的纳米脂质体和纳米隐性脂质体制剂对正常组织与病灶部位毛细血管通透性存在差异，利用此特性可以有效地增加药物在病灶位的聚集度，同时明显降低毒副作用。这两种制剂在美国已获得批准上市。又如，潜在药物约40%以上水溶性差，常使重要的潜在药物品种不能上市或充分发挥疗效。现今，伊兰公司已与几家大制药公司合作，采用

纳米结晶技术开发产品和新制剂。应用纳米结晶技术将确保成功地开发许多这类潜在的药品。免疫抑制药西罗莫司片剂就是采用伊兰公司纳米结晶专利技术首个上市的产品。虽然，应用树状聚合物、胶体金纳米粒和富勒烯等纳米载体释放药物、基因和疫苗尚处于研发的初级阶段，但这些纳米载体显示出不少引人瞩目的特点。它们提供了一个新的技术平台，通过多种机制吸附药物或基因，而后进行释放。这些纳米颗粒可通过细胞，作为载体能将药物、基因物质和化学标记物准确释放至细胞内，可有效地治疗心脑血管疾病和中枢神经系统疾病（如脑癌、中风、阿尔茨海默病和帕金森病等）。其中，富勒烯具有独特的球形键结构，作为一种新型纳米材料在医药领域有一定的应用前景。目前富勒烯的衍生化及新型富勒烯的合成是这一领域研究热点之一。树状聚合物、胶体金纳米粒和富勒烯等纳米载体在制药工业和生物医药领域具有重要的技术和商业意义。

关于国内外纳米药物载体特点、制备和应用以及纳米中药的发展情况，最近新出版的专著中进行了较全面的论述，在此简单介绍如下：作为载药系统的纳米微粒可分为以下6 种类型：微乳、生物可降解高分子纳米粒、脂质体、固体脂质纳米粒、磁性纳米粒和基因转导的纳米颗粒。它们各有特点适于不同制剂的开发，例如，微乳作为载药系统，可以增加难溶性药物的溶解度，提高水溶性药物的稳定性，提高药物的生物利用度，同时具有药物的缓释性和靶向性，并且适于工业化制备。微乳具有高扩散性和皮肤渗透性，使其在透皮吸收制剂的研究方面得到极大关注。生物可降解纳米颗粒可以改变药物的体内分布，具有控释性和靶向性，增加药物的稳定性，提高药物的生物利用度，特别适用于多肽和蛋白质等基因工程药物口服剂型的研究。脂质体载药系统同样具有药物的缓释性和靶向性，增加药物在体内和体外的稳定性，降低药物毒性，提高药物治疗指数，特别是脂质体结构的可修饰性，使开发具有特殊功能的载药系统如隐形脂质体、免疫脂质体成为可能。固体脂质纳米粒的显著特点：一是采用生理相容性好的低毒类脂材料为载体；二是可采用已成熟的高压乳匀法进行工业化生产，同时固体脂质纳米粒载药系统还具有控释性、靶向性、较高的载药量及改善药物的稳定性等优点。磁性纳米粒载药系统，可以通过外加磁场将药物导向靶位，适用于潜表部位病灶或外加磁场易触及部位病灶的诊断和治疗。纳米载体介导的遗传物质能高效地进入靶细胞，并且不易被血浆或组织细胞中各种酶所破坏。因此基因能透过核膜进入细

胞核，并整合于染色体DNA 中，从而获得转基因的高效稳定表达而发挥治疗作用。

其次，将成熟的药物本身进行纳米化，改善药效方面也获得令人注目的研究成果。例如，将雄黄纳米化后，发现随着药物粒径减小，雄黄药效有提高的趋势。又如将纳米技术中的分子成像技术应用于疾病的诊断和治疗，可以提高疾病诊断的准确性以及治疗的精确性。目前我国新药研究和开发人员已经开始将纳米技术应用于中药开发过程中，提出了纳米中药的观点以及发展战略。某些实验小组在这方面已经取得了初步结果，例如：华中科技大学徐辉碧领导的研究组开展了矿物类中药雄黄纳米化研究；清华大学罗国安领导的研究组以中药灯盏花素为模型药物开展了纳米中药制备、纳米载体载药机理及传输的研究，目前正在进行代谢组学方面的研究工作。

关于这类纳米药物的分析以及质量控制必将不同于它们的前体药物。由于颗粒直径与药效直接相关，因此药物粒径及粒度分布应进行分析和控制；药物载体的性质与药物分布、疗效密切相关，所以也应对其进行分析和控制；药物载体的载药量和包封率与给药剂量和给药方式密切相关，因此有必要对它们分析和控制。此外，对于某些特殊的纳米药物要增加相关的分析和控制参数，如放射性纳米药物的活度等。由于纳米药物总体用药量的减少以及局部用药等，将迫使药理学和药代动力学的研究采用具有更高选择性和灵敏度的药物分析方法。特别是针对纳米药物的体内药物代谢研究，需要在复杂背景和高背景下定性和定量研究微量药物及其代谢产物的情况，对药物分析方法提出了更高的要求。

目前采用经典的高效液相色谱法已不能满足体内药代动力学研究的需要，近几年发展起来的液相色谱质谱和液相色谱核磁共振技术可以解决一部分问题，但是对于纳米药物研究显然是不够的。最近开发的毛细管液相色谱、纳米液相色谱、超高压液相色谱、微流控芯片分析、纳米传感器等新技术有希望在纳米药物分析中发挥重要作用。特别是纳米传感器技术最近获得了突破性进展：Fehr 等研制的荧光纳米传感器可以监测糖代谢过程，可望在糖尿病的药物研究中发挥作用；Haes 等建立的纳米光学生物传感器在阿尔茨海默病的诊断、药物开发和治疗中具有巨大的应用潜力。

展望

纳米科技的迅速发展，将带动纳米医学特别是纳米药物的快速研究和开发，为分析化学研究人员提供了巨大的研究机遇。纳米医学是一类复杂体系，它需要综合采用多种学科的研究手段才能有效地解决问题。有关体外的分析检测例如：对纳米尺度的生物化学反应进行高灵敏和时间过程的检测分析，对单个活细胞的行为进行实时多方面监测等。这些课题将继续成为分析化学最基本的挑战，因为这种分析监测所提供的信息对于理解细胞机制非常重要，进而为理解疾病的发作机理提供非常有价值的资料。这种研究进一步发展，对大批细胞的性质进行分析研究，则有可能对大量细胞受药物作用后的效果进行扫描。由上述设计得到的信息将比盲目测量那些独立的生化小分子受体得到的信息更接近于体内的效果。更富于挑战性的课题是分析测量细胞的自组装，其中细胞间通讯信息的获得尤为重要。这一课题与迅速发展的系统生物学相交叉，与传统的简化科学方法不同，系统生物学更强调利用整体的方法进行医药研究。对于体内的分析检测，可以参考纳米分析技术进行研究。例如，分析监测某种高度定位的化学物质，如CO 和NO 在小肺部血管的监测结果对于高血压和心血管疾病的诊断和治疗尤为重要。由纳米分析技术发展起来的纳米传感器在纳米药物分析中有可能成为新一代强有力的分析手段，如可植入的糖传感器对于糖尿病的诊治具有重要意义。

总之，纳米药物是一个刚刚起步的研究领域，随着对纳米药物的药效学和药代动力学方面的深入研究，必将推动纳米药物分析方法和手段的发展和提高。