张 乐 段林海 | 分子筛在生物医学中的研究进展
文摘
2024-09-29 11:11
上海
由于分子筛具有良好的生物相容性、生物稳定性和生物活性(阴性或者阳性)等特点[1,2]，近些年，大量研究证实了其在生物技术与医学领域存在巨大的发展潜力和应用价值。动物实验研究发现，一些肠道疾病会引发腹泻，伴随着病情的发生有可能导致死亡，而分子筛可以作为止泻药物来减少肠道疾病，效果显著。同时，小分子能被分子筛可逆性地携带，如氧气、小分子药物、一氧化氮等，并发挥解毒、凝血、预防血栓等作用。由于分子筛具有分子水平的孔径和狭窄的孔径分布范围、规则的骨架结构、较好的水热稳定性，对人体无毒、无不良反应，非常适合作为缓慢控制释放药物分子的骨架载体。例如，斜发沸石(Clinoptilolite)具有免疫刺激和抗氧化剂的作用，可作为抗癌辅助剂，也是控释阿司匹林的最常见载体。此外，分子筛材料在药物传递系统、伤口愈合、组织工程支架、抗菌、种植体涂层、造影剂、体外有害离子去除、气体吸收剂、血液透析、牙根充填等领域均已获得应用。本文对分子筛材料在生物技术和医学领域中的研究进展进行综述，重点介绍了分子筛在有条件/可控释放药物、抗菌素等方面的作用机制与应用现状。1 分子筛在抗微生物领域的应用
1.1 抗菌治疗
随着细菌对抗生素的耐药性问题日益严重，细菌感染不仅增加了医疗系统的经济负担，也增加了病人的死亡风险[3,4]，如今已成为全球关注的疾病治疗难题。分子筛具有一定的抗菌性，并且可以结合其他元素(如具有抗菌性较强的金属)一起使用，以增强抗菌性能[5,6]。通过离子交换法、浸渍法、溶胶凝胶法和水热合成法等不同制备方法，将金属阳离子(钠、铜、锌、银和钙等)引入各类分子筛中，并对制得的改性分子筛进行抗菌水平(大肠杆菌、酵母菌等)的对比分析，结果显示，锌、银两种元素在分子筛的结合作用下，均表现出了优越的抗菌性能[7-10]。在无氧条件下，Kawahara等[11]通过研究含银分子筛对口腔细菌的抗菌效果发现，在厌氧状态下，含银分子筛仍然对多种细菌的生长存在抑制作用，革兰阴性细菌对银离子比革兰阳性细菌更敏感，该差异可能是由于两种细菌的细胞壁不同引起的。Zhou等[12]利用含银分子筛增加了牙科材料的抗菌性能，并对载银抗菌分子筛(Ag-Z)的最佳制备条件进行了探索。此外，有研究表明，365.73 mg/g的载银分子筛对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的最低抑菌浓度分别为1 mg/g和3.5 mg/g， 最低杀菌浓度分别为3.5 mg/g和5 mg/g[13,14]。由此可见，分子筛材料与金属离子结合后，其较强的抗菌作用可以减少由细菌感染引发的炎症反应，减少抗生素治疗或手术清创的需要。1.2 抗病毒治疗
在病毒感染的情况下，宿主免疫系统是高度受损的。病毒通过释放自身的DNA或RNA并在宿主细胞内复制来破坏宿主细胞的行为，对抗病毒治疗的发展提出了挑战。近年来，大数据技术、基因检测与剪辑技术、“纳米疫苗”等多种技术已被探索用于诊断、预防和治疗病毒感染。而分子筛可以通过静电作用吸附病毒，从而达到抗病毒性。斜发沸石无毒性，属单斜晶系，具有强大的吸附能力和离子交换能力。Grce等[15]发现，天然斜发沸石有一定的抗病毒性，结果显示，斜发沸石的抗病毒性与其浓度高低和病毒种类有关，斜发沸石不仅可以治疗局部皮肤病毒感染而且可以口服使用，还可净化饮用水中的病毒等。金属改性分子筛可用于减少污染物的病毒污染，抑制病毒性疾病的传播。由于纯分子筛抗病毒性有限，而金属离子本身具有一定的病毒抑制能力，为了提高其抗病毒能力，将分子筛与金属离子进行离子交换后，发现其具有更优异的抗菌性[16-18]，并迅速成为研究热点。Bright等[19]使用人冠状病毒229E、猫传染性腹膜炎病毒(feline infectious peritonitis virus，FIPV)和猫杯状病毒F-9评估了金属离子修饰的分子筛粉末的抗病毒性能，结果发现，3.5% Ag/6.5% Cu抗菌效果最好，1 h内，3种病毒数量都显著下降。李丹等[20]发现，分子筛的负电表面可以与新型冠状病毒(SARS-CoV-2)的受体结合域(receptor binding domain，RBD)发生静电作用，再与金属离子改性后的分子筛接触，发生相互作用，从而使病毒活性丧失，有效抑制病毒。2 分子筛在抗肿瘤治疗中的应用
癌症是严重威胁人类健康和生命的疾病，以尽可能低的成本治愈癌症，是一个迫切需要解决的问题。传统的癌症治疗，如手术、化疗、放射治疗以及免疫治疗，都存在一定的不良反应。近年来，发现诸多分子筛，如Y型分子筛、LTL分子筛以及斜发沸石分子筛等，在免疫刺激和抗肿瘤药物的相关研究中，可被用作抗肿瘤药物载体或辅助剂。Vilaça等[21]将抗癌药物5-氟尿嘧啶(5-FU)装载到两种不同结构的分子筛中，即八面沸石(NaY)和L型(LTL)沸石中。研究结果显示，封装在L型沸石中的5-氟尿嘧啶被赋予一定的药物增强作用，上述方法得到的两种分子筛都对Hs578T乳腺癌细胞表现出了良好的抗癌效果。研究发现，在患有不同类型肿瘤的小白鼠和狗的食物中添加斜发沸石粉末，结果显示使用后，动物寿命延长，肿瘤体积明显减小[22-24]。另外，给注射黑色素瘤细胞后的小鼠再注入斜发沸石微粒后，结果显示黑色素肿瘤细胞的数量同样显著下降。最后，将斜发沸石微粒与阿霉素联合治疗肿瘤，其中斜发沸石微粒的使用降低了肿瘤细胞的代谢率和肿瘤肺转移的可能性，使化疗的治疗效果显著提升。另外，研究发现，微孔-介孔的复合多级孔结构分子筛可用于提高抗肿瘤治疗效果。Popova等[25]采用ZSM-5/KIT-6复合分子筛进行修饰后负载戊酸丙胺，研究了复合载体中戊酸丙胺的体外释放时间。研究发现，戊酸丙胺在24 h内的释放速率显著提升。与普通药物相比，微孔-介孔复合分子筛材料承载的药物能够更准确地传递到肿瘤靶细胞，提高了治疗效果。目前，包括纳米沸石颗粒、金属有机框架(metal-organic frameworks，MOFs)在内的新型纳米材料在生物医学领域的应用，为癌症研究人员提供了新的方向，也引起了广泛关注。纳米材料可用于促进受控药物运输，减少这些药物在正常组织中的不良反应，并提高癌症治疗疗效。如沸石咪唑酸酯骨架-8(zeolitic imidazolate framework-8，ZIF-8)是一种常见的金属有机框架，由锌离子和2-甲基咪唑构建而成，具有孔隙率高、结构规整以及良好的可调性、固有pH诱导生物降解等独特优点[26]。Carrillo-Carrión等[27]研制了纳米金@ZIF-8核壳纳米复合材料，使其与光热疗法(photothermal therapy，PTT)联合，达到协同抗肿瘤作用。3 分子筛在药物载体及缓释性能中的应用
纳米材料通过最小的毛细血管，利用高载药量、较大相对表面积、不同给药途径(包括口服、鼻腔、肠外和眼内的优化)，以便达到快速治疗目的[28-30]。研究表明，分子筛具有孔道结构均一、较高比表面积、孔径可调节等特点，同时有很强的吸附能力，作为药物载体可以增加药物的溶解度和稳定性，大大降低了药物分子对人体的刺激作用，使药物分子的传播速度得到控制，延长了药物的持续时间，有利于针对性治疗并增强药物分子的疗效[31,32]。纳米载体的物理化学性质可以根据需要进行调整，并且可以通过改变其粒子大小、形状、组成和表面性质等来实现。作为新型药物传递系统，纳米粒子应用的最重要特点是：通过添加涂层/表面活性剂可以控制药物释放特性、改变电荷分布与循环时间、改善药物的效力，以及同时具有主动和被动药物靶向性的表面特性等方面的优势，从而提高了生物降解性能，增强了稳定性。王知平等[33]通过制备具有磁导向性的智能药物载体，初步研究其生物毒性及其对阿糖胞苷的控释效果。该研究利用高压水热反应制备载体内 核——超顺磁性Fe3O4，将磁引导性引入药物载体(图1)，在分子筛孔道内部连接4,5-二氮杂芴-9-酮(4,5-diazafluoren-9-one，DAFO)，可以限制药物分子孔道释放，实现智能控释(图2)。结果显示，该实验制得的纳米药物载体在给药过程中，有效降低了药物毒副作用，药物载体光控释效果明显，具有良好的生物适应性。由此也可以看出，药物物质与分子筛(如斜发沸石)的混合物制备技术也为生物医药领域的未来发展带来了巨大空间[34]。![]()
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肠道在吸收药物和维生素的同时，会对消化系统中的酸性pH值敏感，但发现在生育酚(维生素E)的吸收过程中，采用天然分子筛作为载体，可以更好实现药物在理想部位的传递[35]。一些口服药物如甲硝唑、磺胺甲恶唑和阿司匹林等，会引起一些严重或不良的胃肠道问题。因此，需要载体将这些药物从上消化系统进行转运并减少其不良反应。在上述问题中，天然分子筛可被用作抗酸材料，在强酸性pH值范围内仍能保持其结构，并且在使用过程中不改变其他药物疗效[36]。在传统化疗中，由于药物载体的不稳定性和缺乏特异性，极少能够将其限制在靶器官或病变部位释放，从而导致正常组织或机能产生多药耐药性和致死效应[37,38]。考虑到肿瘤细胞呈酸性，针对肿瘤细胞生理条件和酸性环境之间pH梯度的智能药物传递系统对治疗癌症至关重要。在纳米载体中，沸石咪唑酯骨架材料(ZIFs)作为药物载体起到了关键作用。Reshmi等[39]以沸石咪唑酯骨架构造体ZIF-8作为药物载体进行研究，开发出一种新型pH缓释药物载体用于姜黄素(curcumin，CUR)的靶向释放，结果显示其具有较高的载药量和良好的化学稳定性，在酸性条件下CUR@FA-g-aZIF-8仍能保持较高的细胞活力和无毒性。Uglea等[40]分析研究了CuX沸石与环磷酰胺组合的作用效果，实验表明，环磷酰胺-分子筛的抗癌作用与环磷酰胺相似，而环磷酰胺-分子筛的抗癌作用使血浆中环磷酰胺浓度保持在100~ 1 000 ng/mL，表明环磷酰胺-分子筛具有药物缓释控制剂的作用。研究人员将布洛芬和吲哚美辛封装在X和Y分子筛中，并追踪它们在不同pH下胃肠模拟溶液中的释放情况以及抗炎情况，结果显示，上述分子筛能够以持续和可控的方式释放吲哚美辛和布洛芬，并减少口服非甾体抗炎药带来的不良反应，使抗炎效果增强[41]。Shatiei等[42]利用KIT-6介孔分子筛负载聚乙二醇二甲基丙烯酸酯[KIT-6/Poly(AA-EGDMA)]，结果表明，KIT-6/Poly(AA-EGDMA)能控制布洛芬的释放，呈现了良好的吸附和缓释药物的作用。在磁性药物传递中，分子筛作为外壳，与阿霉素一起保护金属核心，使磁性纳米颗粒的制备更易实现[43]。Mohseni-Bandpi等[44]利用天然沸石和涂抹在天然沸石上的磁性Fe3O4纳米颗粒，评估了从水溶液中去除头孢氨苄(Cefalexin)的效果，利用其良好的吸附性能，装载药物至靶向部位并稳定释放，从而达到理想的释放速率。将纳米粒子与“智能化”或“刺激响应”技术结合，制备新型聚合物，在利用收缩或膨胀特性、温度、pH值和磁场变化等[45,46]实现药物缓释的基础上，进一步耦合分子筛与药物组分的协同作用来提升药物疗效等方面，也取得了一些研究进展。ZIFs因载药量高、孔径适宜、pH值响应良好等特点，在纳米医学中得到广泛应用，但由于药物在循环过程中的快速释放、对小鼠主要器官的意外毒性、肺部可能的有害积聚和潜在的死亡风险，在一定程度上阻碍了它们在人体内的生物医学应用。虽然通过ZIF-8表面改性[47]、金属氧化物涂层[48]等路径改善了上述毒副作用，提高了ZIF-8的生物相容性并扩大了其在体内的应用，但与此同时，药物负载率和pH响应能力显著下降。Jiang等[49]对ZIFs的存在状态进行了研究，利用无定型ZIFs(aZIFs)制备了aZIF-8和5-氟尿嘧啶(5-Fu)负载的aZIF-8纳米系统(aZIF-8/5-Fu)，给荷瘤小鼠静脉注射aZIF-8/5-Fu，aZIF-8可显著降低肿瘤细胞循环中5-氟尿嘧啶的释放，通过对低pH条件的反应，可促进肿瘤细胞内5-氟尿嘧啶更有效、更快的释放(图3)。![]()
图3 ZIF-8/5-Fu制备方法及其在癌症治疗中的生物应用和潜在机制示意图综上，分子筛材料作为药物载体，可以调控药物作用的靶点和释放速率，极大地提高药物治疗效果，同时也增强了药物安全性和稳定性。但也存在一些不足，如分子筛的孔径和孔体积有限，很大程度上限制了其承载大分子药物的能力。大分子药物通常具有较高的相对分子质量和体积，难以进入分子筛的微孔结构中，从而无法充分利用其吸附能力。由于分子筛孔道的限制，孔径过大会导致载药量低和缺乏选择性，同时可能会允许不同分子尺寸的药物进入其中，从而导致多种药物相互干扰，影响释放性能和稳定性。为了克服这些问题，需要进一步研究和改进，以提高分子筛作为药物载体的性能和应用前景。可以预见，分子筛材料将在未来医药行业中进一步发挥重要作用。由于分子筛材料具有生物活性，可有效用于骨组织工程支架的构建，模拟天然骨基质的矿物成分来控制出血和伤口愈合。分子筛的多孔结构(包括微孔和介孔)对环境液体具有较高的吸收能力，同时分子筛内在的负电荷有助于防止出血。Ahuja等[50]研究发现，使用分子筛止血剂可以控制出血，显著降低致命性腹股沟伤口的死亡率，减少放热反应并减轻组织损伤。除此之外，还对天然沸石颗粒(natural zeolite granules，NZG)的止血性能进行了评估，并用NZG和快速止血或凝血剂(Quickclot)在一个猪致命腹股沟损伤模型中进行了比较。结果显示，NZG组和Quikclot组的两项研究都达到了100%的凝血效率，在NZG组中存活的所有动物都获得了良好的愈合特性，而Quikclot组中四分之三的动物出现了严重的坏死组织。该研究表明，NZG在致命性腹股沟损伤中的应用显著降低了死亡率，加速了伤口愈合过程。它们的低成本、易于制造和高生物相容性使其成为合成分子筛型止血产品的优良替代品。研究发现分子筛释放Ca2+进入血液，是加速凝血的内在途径，能缩短凝块形成时间[51]。通过阳离子交换，分子筛在与血液接触时释放Ca2+并吸收Na+和K+。随着Ca2+浓度的上升，体外APTT和凝块形成时间缩短了。相关研究还发现，选择0.5%明胶分子筛支架效果最佳，其空腔尺寸为10~350 μm[52-54]。共聚焦显微镜显示，随着明胶中分子筛含量的增加，细菌的死亡率增加，支架提高了细胞的氧含量，使NIH 3T3成纤维细胞的存活率较高。Neidrauer等[55]研究发现，负载一氧化氮(NO)的A型分子筛可应用于伤口愈合软膏，与对照组(未负载分子筛药膏治疗)伤口相比，一氧化氮-分子筛药膏治疗的伤口闭合更早。5 分子筛在血液透析中的应用
在人工肾领域，分子筛可作为潜在的血液透析液过滤器。考虑到分子筛良好的选择性吸附能力，通过分子筛的收集，从透析系统的透析液中分离出酸性尿素、对甲酚、肌酐和吲哚基硫酸盐等，该方式可实现血液透析溶解液的重复使用。Namekawa等[56]研究制备得到沸石-聚合物复合纳米纤维网，由具有血液相容性的基质聚合物聚乙烯-乙烯醇(EVOH)和能够选择性吸附肌酐等尿毒症毒素的分子筛组成，用于去除和净化血液中的尿毒症毒素。有研究通过具有MFI和MOR结构的分子筛去除尿毒症毒素，MOR沸石去除了75%的肌酐，MFI沸石去除了60%的甲酚硫酸盐；而传统透析系统只去除了67%的肌酐和29%的对甲酚[57-60]。该结果再次证实了分子筛在血液透析系统中具备良好的应用前景。6 分子筛在骨修复材料中的应用
在骨修复和骨分化领域中，分子筛可通过离子交换等方法诱导促进细胞增殖，实现细胞再生。池明翰等[61]研究发现，钙离子交换的纳米EMT型分子筛均能促进细胞增殖，且无细胞毒性，经过1~12 h的钙离子交换样品的对比分析，认为钙离子交换时间、钙离子交换律以及细胞增殖程度呈正比，时间越长，促进mRNA表达效果越明显。综上可以看出，分子筛材料可以促进细胞增殖和骨分化，并且安全稳定。朱荣[62]进行了以负载成骨药物SC79通过冷冻干燥合成的ZSM-5/壳聚糖的多孔支架(ZSM-5/CS/SC79支架)和以硅铝比为60的ZSM-5分子筛为基础，结合壳聚糖(CS)制备出的ZSM-5/CS复合型粉末和支架材料(ZSM-5/CS支架)在小鼠颅盖骨体内的成骨实验，他们利用支架负载PFTα药物进入人骨髓间充质干细胞(human bone marrow mesenchymal stem cells，hBMSCs)，进行成骨分化，其过程主要是Wnt信号传导刺激使β-catenin增多，刺激T细胞因子/淋巴增强因子-靶基因介质的转录，从而实现成骨分化。结果表明，ZSM-5/CS/SC79支架负载药物能显著提升人骨髓间充质干细胞的ALP、BMP2和OCN的mRNA表达，增强细胞增殖，对诱导成骨分化发挥着重要作用。同时，分子筛粉末具有优异的细胞相容性且无毒性，ZSM-5/CS/SC79支架和ZSM-5/CS支架为骨组织再生开辟了新的研发路径。7 结论与展望
分子筛的抗菌性、生物相容性、无毒性和高吸附选择性扩大了其在生物与医学各领域的应用。选择分子筛与聚合物结合，对于抗微生物、药物传递系统、伤口止血愈合、血液透析、骨再生等均有重要的发掘利用潜力。对分子筛的生物学性质、理化性质的深入理解，将更有利于后续研究和拓展分子筛的其他用途。在生物医学方面，分子筛尺寸和形状的精确控制尤为关键，也是如今的难题，这需要发展更先进的纳米制造技术(如自组装技术、模板法等)，实现对分子筛尺寸和形状的精确控制，以确保其能有效进入目标细胞或组织。目前，分子筛在医学领域的突出贡献主要在抗微生物、药物传递以及抗癌药物的吸收释放等方面，其在生物医学中的应用正在不断扩大，基于分子筛作为载体的药物传递系统不断更新与完善，结合“互联网+”和智能医学的迅猛发展，未来可能需要进一步利用现代智能科技，协助实现分子筛智能药物输送系统向高精度、高效率的方向不断深入探索。《生命的化学》创刊于1980年，中国生物化学与分子生物学会主办、向国内外公开发行的生物综合类学术期刊。月刊，中国科技核心期刊，中国期刊网来源期刊，科技期刊世界影响力指数报告(WJCI)(2021)来源期刊，被化学文摘(CA)(美)、日本科学技术振兴机构数据库(JST)(日)等国际数据库收录。重点刊登生物化学、分子生物学及生命科学相关领域原创性研究论文、综述，反映当前领域国内外最新研究进展，介绍最新研究技术与方法。设有研究论文、综述、教学、科普等栏目。投稿网址：http://smhx.cbpt.cnki.net/
