智能生物響應(yīng)材料的最新進(jìn)展
專欄：行業(yè)資訊
發(fā)布日期：2017-03-07
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最近，北卡羅來納大學(xué)教堂山分校顧臻教授和生物材料界大牛Robert Langer（共同通訊作者）等在Nature Reviews Materials上發(fā)表綜述概括了智能生物材料的最新進(jìn)展，以及其設(shè)計(jì)原則、面臨的挑戰(zhàn)、未來的發(fā)展方向以及臨床轉(zhuǎn)化等 。
1 簡介
最近，如何將刺激-響應(yīng)的智能材料應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)中受到人們的廣泛關(guān)注，這些應(yīng)用包括藥物遞送、診斷、組織工程和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備。其中的研究焦點(diǎn)是設(shè)計(jì)生物相容性好、并且能對(duì)特定生物刺激（如生物信號(hào)、病理性異常）做出響應(yīng)的材料，這些刺激響應(yīng)可以增強(qiáng)材料和生物目標(biāo)的作用或者激勵(lì)藥物的釋放。
為什么需要智能響應(yīng)材料呢？在藥物遞送中，治療效率直接與給藥方法相關(guān)，這就要求藥物的精確釋放（box 1）；對(duì)于診斷來說，智能生物材料能夠進(jìn)行非侵入或者低程度侵入式的實(shí)時(shí)成像；在組織工程和再生醫(yī)療方面，智能生物材料能夠與細(xì)胞交流和作用。
生物響應(yīng)材料通?？梢苑纸鉃樵S多對(duì)生物敏感的功能片段，通過適當(dāng)?shù)姆椒▽⑦@些功能片段組建成需要的配方、支架或者裝置。為了避開在臨床轉(zhuǎn)化中遇到的困難，作者討論了智能生物材料的基本設(shè)計(jì)原則（主要是藥物遞送和組織工程）。
Box 1 藥物受控釋放的生物響應(yīng)模式。大部分的受控藥物釋放可以分成以下三類：直接激活、逐步激活和自調(diào)節(jié)激活。
（a）直接激活 材料直接對(duì)目標(biāo)生物體做出響應(yīng)促進(jìn)藥物釋放（b）逐步激活 材料被第一種生物刺激激活，在第二種刺激的作用下藥物被釋放（c）自調(diào)節(jié)激活 也叫信號(hào)反饋控制系統(tǒng)，在這種模式中，受到刺激時(shí)藥物會(huì)直接釋放，但是被釋放的藥物會(huì)影響周圍的環(huán)境，反過來影響藥物的釋放，直到達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡
2 對(duì)生理環(huán)境敏感
病變（如癌癥、自身免疫性疾病感染、心血管疾病等）通常會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域生理環(huán)境發(fā)生特定的改變，這些改變就成為生物響應(yīng)材料的理想目標(biāo)。通常這些刺激可以分為三類：器官層次的刺激、與生理環(huán)境相關(guān)的刺激和細(xì)胞組分的刺激（圖1）。
圖1 與生理學(xué)刺激因素相關(guān)的生理環(huán)境。生理環(huán)境的差異存在于器官、組織和細(xì)胞層次，并且與各類的病理學(xué)相關(guān)，如癌癥、心血管疾病、糖尿病、中風(fēng)、慢性創(chuàng)傷。ATP（三磷酸腺苷）、GI（腸胃）。
2.1 pH
能對(duì)pH做出響應(yīng)的材料通常能進(jìn)行物理或化學(xué)的變化，如溶脹、收縮、離解、降解等（box 2），pH響應(yīng)性來源于可電離基團(tuán)的質(zhì)子化或者化學(xué)鍵的酸降解。
這些材料包括由丙烯酸、甲基丙烯酸、順丁烯二酸酐、N，N-二甲氨基甲基丙烯酸乙酯聚合形成的聚合物。在制藥工業(yè)上，氨基烷基甲基丙烯酸酯共聚物，一種美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）許可的陽離子聚合物，在酸性條件下溶解度增加，已經(jīng)被用來作為味覺掩體（在口腔中溶解度低，從而藥物釋放緩慢，使人感覺不到）。
Box 2 典型的生物響應(yīng)動(dòng)作。生物響應(yīng)材料能夠與生物支架、裝置等結(jié)合從而與生物刺激因素產(chǎn)生不同的作用，理想的生物響應(yīng)行為是高選擇性和高敏感性的，這就要求目標(biāo)特異響應(yīng)。如圖中所示，刺激響應(yīng)能通過物理變化、化學(xué)變化或者兩者的結(jié)合實(shí)現(xiàn)。
pH響應(yīng)材料的設(shè)計(jì)與選擇也與藥物分子的性質(zhì)有關(guān)，含有羥基的陰離子聚合物在堿性條件下溶解度更高，可以用來將對(duì)酸敏感的藥物輸運(yùn)到腸中。聚陽離子作為非病毒運(yùn)輸基因的載體非常有吸引力，因?yàn)樗芡ㄟ^靜電相互作用與帶負(fù)電的核酸結(jié)合。雖然其它藥物的效率和安全性能已經(jīng)超過了聚乙烯亞胺，但是聚乙烯亞胺還是評(píng)估新的聚合物作為核酸運(yùn)輸載體的性能的標(biāo)準(zhǔn)，比如高產(chǎn)量的屏蔽種類聚β-氨基酯被作為制備聚陽離子的指導(dǎo)。另外由帶相反電荷的兩親嵌段共聚物自組裝形成的微囊是另一類對(duì)pH敏感的材料，比如pH敏感的肽雙親物可以被用來進(jìn)行pH引發(fā)的可逆自組裝（納米纖維）。在DNA組裝的納米線團(tuán)中，內(nèi)涵體中pH的下降會(huì)釋放被包圍的脫氧核糖核酸酶（DNase），DNase會(huì)攻擊DNA納米線團(tuán)，最終實(shí)現(xiàn)在細(xì)胞內(nèi)的藥物釋放，這可以被認(rèn)為是一個(gè)逐步激活系統(tǒng)（box 1）
除了直接誘導(dǎo)藥物釋放外，生理環(huán)境中的pH梯度也可以用來實(shí)現(xiàn)藥物的釋放。在某些情況下，裝飾有pH響應(yīng)片段的納米載體在弱酸性的腫瘤環(huán)境中會(huì)進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移，從而通過內(nèi)吞作用被癌細(xì)胞攝取。這種電荷轉(zhuǎn)移的方法也可以用來改善癌癥診斷。pH敏感的細(xì)胞穿透肽（CPPs），可以被腫瘤處的酸性環(huán)境激活，從而促進(jìn)其在腫瘤內(nèi)的富集。在最近的研究中，樹性分子共軛物前藥可以在腫瘤內(nèi)特異釋放，由于其酰胺鍵在弱酸性的腫瘤環(huán)境中斷裂。其它種類的生理環(huán)境pH梯度，如慢性傷口和發(fā)炎地點(diǎn)的酸化，也可以作為pH響應(yīng)藥物的目標(biāo)。
最近研究人員利用在酸性條件下穩(wěn)定但是在中性環(huán)境下可溶的pH敏感超分子凝膠來制造可以安置在胃中的裝置。超分子中的羥基在酸性環(huán)境中可以形成分子間氫鍵，從而形成彈性的含水超分子網(wǎng)絡(luò)。然而在中性環(huán)境中，由于羥基的去質(zhì)子化，超分子凝膠會(huì)快速分解。
除了制造智能載藥系統(tǒng)外，pH響應(yīng)水凝膠也被用在再生醫(yī)療中，比如甲基丙烯酸二甲胺乙酯基的支架在酸性環(huán)境中可以通過伸展來改變氧和營養(yǎng)的運(yùn)輸，可以產(chǎn)生促愈合效應(yīng)。
2.2 氧化還原
在組織和細(xì)胞中都存在氧化還原電勢(shì)差，比如谷胱甘肽/氧化谷胱甘肽對(duì)是動(dòng)物中含量最高的氧化還原對(duì)，并且谷胱甘肽在細(xì)胞質(zhì)中的含量比在細(xì)胞外體液中高2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，此外對(duì)嚙齒類動(dòng)物的研究表明，癌細(xì)胞中谷胱甘肽的含量比正常組織中的要高。除了還原物外，在很多疾病中，如癌癥、中風(fēng)、動(dòng)脈硬化等，活性氧簇（ROS）也大量存在。
二硫化物在在還原劑（如谷胱甘肽）存在下能轉(zhuǎn)化為硫醇，硫醇在氧化條件下又能生成二硫鍵，硫醇-二硫化物轉(zhuǎn)化的反應(yīng)條件溫和，使得含二硫化物的材料很吸引人，甚至可以將二硫化物作為交聯(lián)劑。二硒鍵是另一種常用的氧化還原片段，在最近的研究中，由含聯(lián)[二]硒化物的嵌段共聚物自組裝形成的微球同時(shí)對(duì)氧化劑和還原劑敏感。
氧化響應(yīng)性的材料的主要靶向目標(biāo)是ROS（如過氧化氫、羥基自由基），硫基材料是其中主要的一類。研究人員用聚丙硫醚和聚乙二醇共聚形成可以自組裝的雙親性物質(zhì)，酮縮硫醇用于基因輸送也取得了成功。
監(jiān)控局部的ROS含量對(duì)一系列疾?。ㄈ缧难芗膊『退幬镎T導(dǎo)的器官衰竭）的診斷和治療有重要意義，包含硫代氨基甲酸酯鍵的水凝膠聚合物可以通過監(jiān)控血液中的氧化應(yīng)激來檢測藥物誘導(dǎo)的肝損傷。
2.3 酶
由于酶在不同生物過程中發(fā)揮的重要作用，與疾病相關(guān)的酶異常也可以成為醫(yī)學(xué)的一個(gè)靶向目標(biāo)，比如酯鍵可以靶向磷酸酶、細(xì)胞內(nèi)酸性水解酶和其它幾種酯酶。酰胺雖然在生理?xiàng)l件下相對(duì)穩(wěn)定，但是很容易被酶消化，已經(jīng)被制成對(duì)水解蛋白酶敏感的材料，如前列腺特異抗體。
2.4 葡萄糖
1979制造了第一個(gè)葡萄糖響應(yīng)胰島素遞送系統(tǒng)，使用的是伴刀豆球蛋白A（一種糖結(jié)合凝集素，ConA），葡萄糖能夠使ConA-聚合物復(fù)合物解離從而釋放胰島素。研究人員在這個(gè)領(lǐng)域做了大量的研究，特別是在實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)、方便注射和生物相容性方面。通常按照控制血糖濃度的原理，可以將胰島素遞送系統(tǒng)分為兩類，一種是直接由高含量的血糖觸發(fā)胰島素的釋放（如ConAn），另一種要利用葡萄糖氧化酶，酶反應(yīng)使高濃度血糖區(qū)域的pH值或氧含量降低，繼而促進(jìn)胰島素的釋放。
亞硼酸與二醇之間的相互作用使得含亞硼酸的聚合物成為葡萄糖響應(yīng)的潛在材料之一，在最近的研究中，研究人員將含脂肪酸族基團(tuán)和PBA基團(tuán)的小分子連接到胰島素中，這種結(jié)合體能與血清或血清中的其它疏水性成分結(jié)合，從而延長它們的循環(huán)周期和胰島素的葡萄糖響應(yīng)釋放。
葡萄糖酶能在氧氣存在時(shí)將葡萄糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖酸，從而降低局部的pH值，這會(huì)增強(qiáng)賴氨酸的溶解度從而觸發(fā)水凝膠的溶脹或者毀壞使胰島素釋放。其中的一個(gè)例子就是包含葡萄糖酶的陽離子聚合物水凝膠在葡萄糖的作用下的溶脹和退溶脹。除了利用局部酸化效應(yīng)外，研究人員還利用酶產(chǎn)生的局部乏氧條件來建立葡萄糖響應(yīng)的微針陣列小塊，快速葡萄糖響應(yīng)胰島素釋放可以通過2-硝基咪唑共軛透明質(zhì)酸自組裝形成的囊泡實(shí)現(xiàn)。
除了藥物遞送系統(tǒng)外，葡萄糖響應(yīng)材料也能用來進(jìn)行長期的血糖監(jiān)控。如用葡萄糖類似物功能化的單壁碳納米管就被做成葡萄糖傳感器。單壁碳納米管在ConA或者PBA的作用下能夠聚集從而發(fā)生熒光猝滅，而葡萄糖可以使團(tuán)聚又重新分離從而恢復(fù)熒光。由含葡萄糖識(shí)別位點(diǎn)和熒光位點(diǎn)單體制備的熒光性聚丙烯酰胺水凝膠微球已經(jīng)顯示出連續(xù)監(jiān)控血糖含量的潛力。
2.5 離子
不同體液中的離子強(qiáng)度不同，如每個(gè)腸胃點(diǎn)都有特定的離子濃度，因此對(duì)離子強(qiáng)度敏感的材料作為藥物運(yùn)輸載體引起了人們的興趣。
離子交換樹脂是一大類離子響應(yīng)材料，經(jīng)常被用做味覺掩體、反離子響應(yīng)藥物釋放和持續(xù)藥物釋放，這些樹脂通常是不可溶的聚合物，由聚苯乙烯主鏈和包含離子活性的基團(tuán)（如磺酸、羧酸）側(cè)鏈交聯(lián)而成。口服之后，唾液和腸胃液中的反離子會(huì)促進(jìn)藥物的釋放，這是由離子交換平衡反應(yīng)控制的。比如，含有季銨基的陽離子聚合物會(huì)對(duì)唾液中的離子敏感。有下部臨界會(huì)溶溫度（LCST）的聚合物對(duì)離子強(qiáng)度也敏感，在鹽中LCST會(huì)降低。聚離子復(fù)合膠束是另一類離子敏感材料，離子復(fù)合膠束隨著鹽濃度的變化而可逆形成和解離已經(jīng)被用來控制藥物的釋放。
除了對(duì)離子強(qiáng)度的變化響應(yīng)外，材料也可以通過形成復(fù)合物而對(duì)特定的離子類型敏感，在最近的報(bào)道中，用β-環(huán)式糊精和疏水2,2’-聯(lián)吡啶改性的金屬離子響應(yīng)粘性水凝膠的化學(xué)選擇粘附性能通過金屬配體與宿主基團(tuán)的反應(yīng)而改變。
2.6 ATP
三磷酸腺苷（ATP）通常被稱為細(xì)胞內(nèi)能量傳輸?shù)姆肿迂泿艈挝唬湓诩?xì)胞內(nèi)的含量比在細(xì)胞外環(huán)境高。
ATP控制的藥物遞送系統(tǒng)通常用靶向ATP的適體作為‘生物閘門’來實(shí)現(xiàn)藥物的按需釋放，近些年一系列的材料（如介孔二氧化硅、聚離子膠束、適體交聯(lián)的DNA微膠囊）已經(jīng)被證明在細(xì)胞內(nèi)高含量ATP條件下可以釋放治療藥物或者恢復(fù)熒光信號(hào)。
2.7 乏氧
乏氧與一系列的疾病相關(guān)，如癌癥、心肌病、缺血、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、血管疾病等。
乏氧在腫瘤轉(zhuǎn)移、抵抗治療中扮演重要角色，已經(jīng)被廣泛利用進(jìn)行診斷和治療。硝基芳香化合物衍生物在乏氧條件下能夠轉(zhuǎn)化為親水性的2-氨基咪唑，并且靈敏度很高，使其成為被研究最廣泛的乏氧成像和生物還原前藥功能基團(tuán)。
2.8 溫度
含有低臨界會(huì)溶溫度（LCST）的聚合物在溫度接近LCST時(shí)會(huì)發(fā)生劇烈的相變，而LCST能夠通過聚合物中親水性和疏水性成分的比例來調(diào)控。當(dāng)LCST在室溫和人體體溫之間時(shí)，聚合物就對(duì)生理溫度敏感。
聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAM）在LCST（32℃）發(fā)生溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變，并且這個(gè)溫度可以通過與疏水性單體共聚或者通過引入疏水性基團(tuán)來使其更加接近體溫。用PNIPAM進(jìn)行溫度響應(yīng)藥物釋放在80年代發(fā)展起來，在一些雜化系統(tǒng)中，可以通過引入無機(jī)材料（如金納米顆粒）改變LCST。為了加速溫度響應(yīng)轉(zhuǎn)變過程，研究人員將可控、可激活的納米膠作為交聯(lián)劑來建造溫度響應(yīng)水凝膠，這種水凝膠在保持高彈性的同時(shí)展示出快速并且可逆的響應(yīng)特性。丙烯?；量┩?甲基丙烯酸2-羥基乙酯均聚物和共聚物已經(jīng)被合成并且用來實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)胰島素釋放。蛋白質(zhì)中溫度敏感的卷曲螺旋域已經(jīng)被引入可溶性聚合物中來產(chǎn)生溫度響應(yīng)雜化材料。
其它的溫度響應(yīng)材料包括幾類合成多肽，其中類彈性蛋白多肽（ELPs）引起了相當(dāng)?shù)年P(guān)注。ELPs是由Val–Pro–Gly–X–Gly (X ≠ Pro)重復(fù)序列組成的可基因編碼多肽。這些具有可控成分和長度的多肽的LCST可以在0-100℃內(nèi)精確調(diào)節(jié)以使其應(yīng)用在不同方面。LCST低于體溫的ELP-治療藥物共軛物在局部注射后能夠由溫度誘導(dǎo)凝聚成藥物倉庫。在類似的方法中，ELP與可酶解的類胰高血糖素肽-1融合得到可注射的藥物倉庫。
2.9 機(jī)械因素
血管變窄或者堵塞會(huì)在正常血管和收縮血管之間產(chǎn)生明顯的流體切變力差別，利用受阻位點(diǎn)的高切變應(yīng)力來靶向阻塞的病變血管近來受到關(guān)注。
比如球狀脂質(zhì)體在切變力中很穩(wěn)定，而扁豆?fàn)钪|(zhì)體在高切變力時(shí)會(huì)形成瞬時(shí)小孔而釋放藥物。另一種策略是使用在靜態(tài)條件下穩(wěn)定而在高切變應(yīng)力下變形的微米級(jí)團(tuán)聚物，由幾種納米顆粒組成的血小板狀微團(tuán)聚物在異常高切變應(yīng)力的地方會(huì)解離，解離形成的納米顆粒由于受到更小的拖拽力而更有效的附著在血管壁中。這種設(shè)計(jì)使藥物在病變區(qū)域富集，降低偏靶藥物釋放。
另一種與體內(nèi)壓力梯度相關(guān)的方法是精確調(diào)控納米顆粒的尺寸以利用高通透高滯留效應(yīng)，提高平均動(dòng)脈血壓可以提高效率并且增強(qiáng)藥物在腫瘤的富集。
最近發(fā)展了一種可穿戴、由可拉伸彈性體薄膜組成的拉伸應(yīng)變敏感的裝置，這種裝置里面嵌入加載藥物的PLGA膠囊，在施加應(yīng)變時(shí)，膠囊收到表面拉伸與收縮從而釋放藥物。
2.10 核酸
核酸，包括RNA和DNA，由于其在不同生物進(jìn)程中的多種作用以及獨(dú)特的雜交特性已經(jīng)成為重要的生物觸發(fā)因素。
miRNA的變性與腫瘤的形成與生長相關(guān)，使其成為癌癥治療的潛在目標(biāo)。在一種設(shè)計(jì)中，多組分核酸酶被修飾到二氧化硅包覆的金納米棒表面上，其中由兩種多組分核酸酶組成的非活性DNA片段可以在目標(biāo)miRNA存在時(shí)發(fā)生構(gòu)型改變而被激活，被激活的多組分核酸酶解離釋放出熒光探針進(jìn)行生物成像，而DNA片段構(gòu)型的改變可以觸發(fā)治療藥物的釋放。用DNA適體作為‘閘門’的介孔硅納米載體在遇到目標(biāo)miRNA時(shí)能夠特異釋放Dox。另外載有核糖核酸內(nèi)切酶的仿生納米系統(tǒng)用寡核苷酸作為識(shí)別片段來實(shí)現(xiàn)位點(diǎn)特異的靶向RNA解離。
DNA能夠?qū){米顆粒系統(tǒng)進(jìn)行高精度的物理化學(xué)控制，而DNA寡核苷酸特異作用輔助組裝的金納米顆粒增加了這種能力。最近用DNA控制膠體鍵合取得了重大突破，在這種方法中，無機(jī)納米顆粒在DNA鏈的引導(dǎo)下像原子一樣形成類晶體結(jié)構(gòu)。在另外的動(dòng)態(tài)膠體納米系統(tǒng)中，DNA被用來控制納米顆粒的形貌使細(xì)胞靶向性的葉酸配體隱藏或者暴露從而調(diào)節(jié)納米顆粒-細(xì)胞間的相互作用。
為了控制適體在治療時(shí)的活性以及減少副作用，研究人員開發(fā)出了匹配的寡核苷酸來中和治療中使用的寡核苷酸，另外，聚合物與蛋白質(zhì)或適體之間的序列無關(guān)的相互作用被用作普適的手段來抵消循環(huán)適體的活性。
3 對(duì)生物顆粒敏感
除了制備對(duì)生理信號(hào)敏感的材料以外，現(xiàn)在的趨勢(shì)是制備能與生物顆粒（如真核細(xì)胞、細(xì)菌和病毒）作用的材料，這種設(shè)計(jì)策略主要包括化學(xué)工程（合成和改性）和生物工程（圖2）。
圖2 對(duì)生物顆粒敏感的材料。有兩種可以建造能與生物顆粒交流的智能材料的方法：化學(xué)工程（a-c）和生物工程（d-g）。（a）細(xì)胞響應(yīng)支架可以擁有一系列有用的性質(zhì)（b）材料表面可以用細(xì)胞粘附的配體修飾或者設(shè)計(jì)成分形結(jié)構(gòu)以可逆捕獲和釋放癌細(xì)胞（c）擁有特定內(nèi)化通道以及對(duì)細(xì)胞誘導(dǎo)環(huán)境改變敏感納米顆粒的運(yùn)輸載體不同的生物工程方法包括使用抗原（d）真核細(xì)胞（e）以及T細(xì)胞（f）（g）經(jīng)典的方法
3.1 支架與表面
再生醫(yī)療的最終目的是用材料代替病變的組織以取代器官移植，除了要維持所需的物理性能之外還需要加入生物活性的配體來制備生物響應(yīng)材料。理想的生物材料應(yīng)該能夠指導(dǎo)細(xì)胞的行為（如輸運(yùn)、粘附和繁殖），對(duì)于干細(xì)胞還要引導(dǎo)它們的分化。
一種理性的策略是利用天然細(xì)胞外基質(zhì)中的功能組分，在某個(gè)研究中，多孔、可注射的凝膠晶膠（cryogels）在注射之后能夠快速回復(fù)它們的初始形狀。除了凝膠固有的生物活性之外，這些纖維表面的微槽能夠促進(jìn)細(xì)胞的包裹和粘著來誘導(dǎo)細(xì)胞排列。此外，蛋白質(zhì)水凝膠由于其生物相容性和容易引人生物活性基團(tuán)而受到關(guān)注。
與天然支架相比，合成支架具有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)，包括預(yù)設(shè)定的物理和化學(xué)性質(zhì)以及價(jià)格較低。一種使用最廣泛的策略是用MMPs輔助模仿入侵天然細(xì)胞外基質(zhì)以促進(jìn)組織再生。在這種情況下，整聯(lián)蛋白結(jié)合位點(diǎn)和MMP基底都要提供生物特異降解的合成網(wǎng)絡(luò)。MMP響應(yīng)母體已經(jīng)被用來制備細(xì)胞響應(yīng)藥物遞送系統(tǒng)以及合成可注射的母體來進(jìn)行組織再生。通過原位加成反應(yīng)能夠形成PEG和生物響應(yīng)寡肽水凝膠，里面的母體能夠被細(xì)胞表面的蛋白酶降解而建立三維的細(xì)胞入侵通道。在一種基于PEG可MMP降解的母體中，生物活性的肽胸腺素（Tβ4）被與人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（HUVEC）共同包裹，Tβ4能激發(fā)MMP-2和MMP-9從HUVEC中釋放出來，而MMP進(jìn)一步降解基底觸發(fā)Tβ4的釋放。
除了純凈的天然或者合成材料外，雜化材料也被用來模擬細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的功能。除了直接對(duì)母體進(jìn)行改性，研究人員最近將包裹kartogenin（一種可以誘導(dǎo)分化的小分子）的PLGA納米顆粒引入透明質(zhì)酸水凝膠中來促進(jìn)軟骨再生。
細(xì)胞粘附配體是ECM的重要組成部分，因此經(jīng)常被加入生物支架中，具有天然粘附性能的蛋白質(zhì)和肽（如膠原蛋白和RGD）已經(jīng)被廣泛用來模仿ECM的微環(huán)境。此外，研究表明DNA適體能夠被引入水凝膠中來特異的粘附細(xì)胞，同時(shí)最大限度降低對(duì)支架機(jī)械性能的影響。用小分子修飾的合成母體已經(jīng)被用來引導(dǎo)細(xì)胞的分化。
在支架中加入細(xì)胞粘附性的配體的方法已經(jīng)被用在醫(yī)學(xué)裝置中來特異的吸附并且無損的釋放細(xì)胞（如淋巴細(xì)胞和循環(huán)腫瘤細(xì)胞）。一種由重復(fù)DNA適體區(qū)域組成的3D網(wǎng)絡(luò)可以高效的捕捉并且釋放癌細(xì)胞。同樣，抗體也可以與細(xì)胞有效粘附，可以使用的基底包括柔性的有機(jī)材料（聚苯乙烯）和剛性的無機(jī)材料（如金納米結(jié)構(gòu)和硅納米線）。除了拓?fù)湫蚊驳南嗷プ饔?，由PNIPAM薄膜產(chǎn)生的疏水相互作用已經(jīng)被用來與抗體結(jié)合來提高細(xì)胞捕獲效率。值得注意的是，在時(shí)間和空間上控制水凝膠的物理化學(xué)性質(zhì)和生物相容性至關(guān)重要，一種方法是光圖案化，光化學(xué)技術(shù)能用光遠(yuǎn)距離并且精確的控制水凝膠的性質(zhì)。
細(xì)胞響應(yīng)材料的另一種應(yīng)用是在體外和體內(nèi)創(chuàng)建人工腫瘤微環(huán)境以改變免疫系統(tǒng)從而促進(jìn)基因療法的效果，比如將免疫療法與能夠調(diào)節(jié)腫瘤微環(huán)境的生物活性材料結(jié)合以促進(jìn)治療效率。
3.2 合成載體
納米材料是另一種能夠?qū)ι镱w粒響應(yīng)的材料，尤其是細(xì)菌，兩種主要的響應(yīng)途徑包括：直接靶向細(xì)菌（如通過特異攝取通道的微器官識(shí)別）和靶向感染的微環(huán)境。與細(xì)菌相關(guān)第二生物線索（cue）包括：毒性、酶的過度表達(dá)以及局部酸化。
一類基于麥芽糊精的成像探針被直接用來靶向細(xì)菌，這些探針通過細(xì)菌特異的麥芽糊精運(yùn)輸通道有效被細(xì)菌攝取進(jìn)而在細(xì)菌內(nèi)富集。
70余年抗生素的濫用創(chuàng)造了超級(jí)細(xì)菌，超級(jí)細(xì)菌對(duì)傳統(tǒng)藥物的抗性極強(qiáng)。與傳統(tǒng)治療相比，抗病毒的方法可以延緩抗藥性的產(chǎn)生。在一些重度感染的情況下，靶向毒素是一種更好的策略，比如混合單層膜保護(hù)的金簇能夠識(shí)別并且穩(wěn)定肽鏈ɑ-螺旋。
此外還發(fā)展了一種能夠被青霉素G酰化酶（PGA）解離而釋放藥物和發(fā)出熒光的載體-藥物共軛物，這種載體降低了殺死細(xì)菌的藥物使用量并且為靶向結(jié)合治療提供了途徑。
靶向細(xì)菌引起的局域酸化也成為對(duì)抗細(xì)菌感染的途徑之一，比如在酸性pH條件下會(huì)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移的聚合物納米顆粒被用來進(jìn)行細(xì)菌壁靶向的抗生素運(yùn)輸。
能夠防止感染和抑制生物膜生長的抗菌醫(yī)療設(shè)備在臨床中發(fā)揮重要作用，因?yàn)樵O(shè)備中的感染經(jīng)常是致命的。比如固定有細(xì)胞溶解酶-肽的表面可以感知細(xì)菌的粘附并且殺死粘附的細(xì)菌，因此適合作為醫(yī)療植入體的抗菌表面。
3.3 工程生物顆粒
最近幾十年，開發(fā)了數(shù)量可觀的工程生物顆粒用于靶向治療，其中的一些已經(jīng)進(jìn)入臨床應(yīng)用。
對(duì)于粘膜靶向運(yùn)輸來說，嗜酸乳桿菌重組子被改造以表達(dá)炭疽桿菌保護(hù)性抗原，然后與靶向樹突狀細(xì)胞的肽融合以識(shí)別以及粘附到粘膜樹突狀細(xì)胞。另外已經(jīng)證明某種菌株能特異的生長于腫瘤細(xì)胞中，顯示出天然的腫瘤靶向性。利用這種靶向性，這些細(xì)菌已經(jīng)被基因改性表達(dá)某種治療蛋白來治療腫瘤。
病毒也被用來作為天然載體。由改性病毒制造的細(xì)胞靶向載體主要利用它們對(duì)一系列目標(biāo)的天然取向性。
干細(xì)胞也具有腫瘤特異性，因此被基因改造在特定的腫瘤點(diǎn)表達(dá)抗癌蛋白。由于細(xì)胞能夠內(nèi)吞納米顆?；蛘邔⒓{米顆粒吸附到它們的表面，也可以用干細(xì)胞作為運(yùn)輸納米顆粒的腫瘤靶向載體。
免疫細(xì)胞與目標(biāo)細(xì)胞的相互作用已經(jīng)被廣泛研究以建造生物響應(yīng)的載體。在最近發(fā)展起來的方法中，表達(dá)淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移受體的活的T細(xì)胞被用來運(yùn)輸加載有藥物的納米顆粒到癌變淋巴組織中。
4 總結(jié)與展望
過去十年間生物響應(yīng)材料得到了廣泛開發(fā)，同時(shí)材料科學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)和納米生物技術(shù)也取得了很大的進(jìn)步。雖然發(fā)表的結(jié)果很多，但是很少能被商業(yè)化或者進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段。對(duì)于抗癌藥物運(yùn)輸來說，Cerulean Pharma 公司的基于環(huán)糊精的pH響應(yīng)納米顆粒已經(jīng)完成階段二的試驗(yàn)，而他與FDA許可的藥物聚APD核糖聚合酶抑制劑LYNPARZA的共同使用已經(jīng)進(jìn)入臨床試驗(yàn)1和2階段。幾種用于診斷的智能材料已經(jīng)進(jìn)入臨床階段，包括腫瘤靶向的修飾有NIR熒光團(tuán)和放射標(biāo)記肽的二氧化硅納米顆粒。對(duì)于糖尿病治療來說，默克生產(chǎn)的對(duì)葡萄糖敏感的胰島素已經(jīng)進(jìn)入臨床第1階段，Selecta Biosciences生產(chǎn)的用于治療痛風(fēng)的SEL-212 已經(jīng)開始進(jìn)入臨床階段。
生物響應(yīng)材料的設(shè)計(jì)應(yīng)該以易于轉(zhuǎn)化為主，而不是修飾復(fù)雜的結(jié)構(gòu)或者使用新的方法。
在圖3 和box 3我們總結(jié)了生物響應(yīng)材料的設(shè)計(jì)原則以及著重表明了加速轉(zhuǎn)化的幾個(gè)指導(dǎo)原則。有兩個(gè)基本的準(zhǔn)則應(yīng)該遵守：響應(yīng)效率—高選擇性、高敏感性以及準(zhǔn)確的時(shí)間響應(yīng)；轉(zhuǎn)化潛力—所需的穩(wěn)定性、優(yōu)異的生物相容性以及易于產(chǎn)業(yè)化。
圖3 生物響應(yīng)材料的設(shè)計(jì)原則。多方面的考慮，包括響應(yīng)模式、生理刺激因素、響應(yīng)動(dòng)作、材料性質(zhì)、設(shè)計(jì)策略和轉(zhuǎn)化標(biāo)準(zhǔn)是制造生物響應(yīng)材料的原則。
更準(zhǔn)確地，從材料的角度來說是實(shí)現(xiàn)在體內(nèi)復(fù)雜的環(huán)境中既能有好的安全性能的同時(shí)又能擁有穩(wěn)定的性能。比如在藥物遞送中，材料在臨床中的性能經(jīng)常被系統(tǒng)毒性和致免疫性所損害，所以生物相容性是驗(yàn)證所使用的方法正確與否的第一步。另外，生物響應(yīng)材料要取得進(jìn)展必須清楚材料在體內(nèi)的行為，因此理解基本的生物物理和生物化學(xué)以及能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測材料在體內(nèi)活動(dòng)的技術(shù)至關(guān)重要。在大多數(shù)情況下，藥物要經(jīng)過運(yùn)輸才能到達(dá)響應(yīng)的地點(diǎn)從而有效與生物環(huán)境響應(yīng)，因此有效作用的時(shí)間點(diǎn)非常重要。在一些編程的刺激-響應(yīng)系統(tǒng)中，使用兩種或多種刺激協(xié)同或者順序作用還需要進(jìn)行全面的體內(nèi)測試以便對(duì)每個(gè)觸發(fā)因素進(jìn)行精準(zhǔn)的時(shí)空控制。
對(duì)于發(fā)展新的響應(yīng)機(jī)制以實(shí)現(xiàn)高的選擇性和敏感性來說，通過評(píng)估生物分析化學(xué)中的大量文獻(xiàn)可以鑒別具有高性能的新觸發(fā)源。比如最近用一氧化碳敏感的DNA寡核苷酸修飾熒光單壁碳納米管來檢測發(fā)炎位點(diǎn)的反應(yīng)性一氧化碳衍生物，再加上驅(qū)動(dòng)組分的話就可以建立一個(gè)閉環(huán)的藥物運(yùn)輸系統(tǒng)。在最近的例子中，水濃度梯度也被作為刺激因素，這種水響應(yīng)的聚合物薄膜由剛性組分多吡咯和柔性的多元醇硼酸基水響應(yīng)單元組成，復(fù)合物的機(jī)械性能可以通過水觸發(fā)元調(diào)節(jié)，它的動(dòng)作主要由硼酸酯的水解和重新形成而實(shí)現(xiàn)，通過與周圍環(huán)境的水交換使薄膜膨脹或者收縮，使其成為對(duì)皮膚濕度敏感的智能材料。研究人員進(jìn)一步在這種薄膜中加入壓電薄膜以實(shí)現(xiàn)水濃度梯度驅(qū)動(dòng)的能量輸出。
另外新出的策略是利用仿生系統(tǒng)來模擬身體中的自然生物響應(yīng)機(jī)制。比如通過模仿胰腺β細(xì)胞的顆?；蚰覡畹慕Y(jié)構(gòu)和響應(yīng)機(jī)制，加載胰島素的合成囊泡可以幫助實(shí)現(xiàn)快速的葡萄糖響應(yīng)胰島素釋放。受到病毒對(duì)細(xì)胞的穿透力強(qiáng)的啟發(fā)，制備了仿病毒來實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的攝取和深度腫瘤穿透。我們注意到仿生不僅僅限制在生物化學(xué)方面，天然材料的物理性質(zhì)，如形狀和機(jī)械性能，也可以啟發(fā)智能生物材料的制造。比如性質(zhì)和表面生物類似于血小板的納米顆粒能靶向受損的血管，包裹有高濃度PEG刷的仿病毒納米顆?？梢杂行Т┩刚衬?。
個(gè)體生物信號(hào)的差異阻礙了生物響應(yīng)材料的轉(zhuǎn)化，對(duì)于受外部刺激響應(yīng)的生物材料，如商業(yè)化的熱響應(yīng)脂質(zhì)體、氧化鐵納米顆粒，刺激因素能夠手動(dòng)控制。相反對(duì)內(nèi)部刺激因素敏感的材料則受到病人之間生物參數(shù)不一致的影響，另外動(dòng)物與人之間的差異會(huì)更大，因此與被靶向的生物信號(hào)相關(guān)的信息應(yīng)該被仔細(xì)分析。重要的是生物信號(hào)能人為的調(diào)節(jié)，如通過信號(hào)放大。在最近發(fā)展的包裹β細(xì)胞微針小塊中，研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)由 GOx、α-淀粉酶和葡糖淀粉酶組成的乏氧響應(yīng)信號(hào)放大器，放大器首先將BGL轉(zhuǎn)化為局部乏氧以釋放被包裹的酶，被釋放的酶消化先前嵌入的α-淀粉酶以產(chǎn)生高濃度的局部葡萄糖從而誘導(dǎo)胰島素的產(chǎn)生。另外生理環(huán)境也可以通過基因工程調(diào)節(jié)，如創(chuàng)造乏氧條件。在某些情況下，物理或者生物化學(xué)的觸發(fā)因素可以原位生成，比如研究人員利用無線電波來?xiàng)l件Ca2+的運(yùn)輸從而遙控體內(nèi)胰島素的合成。在另外的實(shí)驗(yàn)中，光被用來在特定地點(diǎn)和時(shí)間產(chǎn)生乏氧條件以促進(jìn)藥物的釋放。更進(jìn)一步，植入的無線生物芯片或者可穿戴的裝置能動(dòng)態(tài)監(jiān)測生理信號(hào)從而產(chǎn)生或者放大信號(hào)以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制的藥物釋放。
文獻(xiàn)鏈接：
http://www.nature.com/articles/natrevmats201675
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