近年來，納微顆粒憑借其特殊的尺寸效應(yīng)和物理化學性質(zhì)，在醫(yī)藥、物理、光學和電學等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，尤其是在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，納微顆粒被廣泛用作緩釋制劑、靶向制劑和疫苗佐劑等。顆粒在體內(nèi)輸運過程中，其與體內(nèi)細胞接觸并相互作用，相關(guān)研究表明這種相互作用會對細胞的生長、遷移和細胞因子的分泌等生理過程產(chǎn)生重要影響，從而調(diào)控顆粒攜帶的生物藥劑的藥效發(fā)揮、靶向性以及顆粒的佐劑MIAN疫效果等。因此，研究顆粒與細胞的相互作用對于促進納微顆粒在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用有著重要的意義。
已有研究表明，顆粒與細胞的相互作用與顆粒的理化性質(zhì)密切相關(guān)，顆粒的粒徑、表面性質(zhì)、形狀等都會影響其與細胞的作用過程，并且隨著微納米制造技術(shù)的發(fā)展，定向調(diào)控顆粒的理化性質(zhì)成為可能。為了系統(tǒng)深入地研究顆粒與細胞的相互作用，定量檢測作用過程的重要參數(shù)和闡明其微觀作用機制，近年來發(fā)明和改進了許多先進的檢測設(shè)備和技術(shù)，例如光鑷、磁鑷和原子力顯微鏡等。其中，afm原子力顯微鏡由于具有高靈敏度、高分辨率以及可在生理環(huán)境中進行實時檢測等優(yōu)勢備受關(guān)注。雖然有研究報道原子力顯微鏡在生物醫(yī)藥中的應(yīng)用，但對于afm原子力顯微鏡檢測顆粒與細胞相互作用的文獻綜述卻很少，因此，本文中筆者系統(tǒng)闡述原子力顯微鏡在研究顆粒與細胞相互作用的原理及應(yīng)用，以期為后續(xù)的研究提供參考。afm原子力顯微鏡可以在真空、大氣或者溶液環(huán)境中操作，檢測對象可以是導體、半導體或者絕緣體，克服了之前掃描隧道顯微鏡只能對導電樣品表面進行檢測的局限。
顆粒與細胞的相互作用會受到顆粒理化性質(zhì)的影響，包括顆粒的大小、形狀、表面電荷和官能團等，利用顆粒制備技術(shù)，比如物理性質(zhì)優(yōu)化、化學修飾或者生物合成等，可以制備需要的顆粒，從而滿足其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用。利用原子力顯微鏡檢測顆粒與細胞之間的相互作用，獲得相應(yīng)的力學性能，這些力學性能和體系中的生理現(xiàn)象相結(jié)合有助于解釋顆粒在生物醫(yī)藥領(lǐng)域應(yīng)用，如藥物遞送、MIAN疫響應(yīng)和細胞力學等涉及深層次的作用機制，包括顆粒進入體內(nèi)后，影響其作為藥物遞送系統(tǒng)靶向性、高效性的因素和對細胞毒性的影響;顆粒與MIAN疫細胞相互作用從而介導炎癥反應(yīng)的機制以及作為疫苗佐劑的MIAN疫響應(yīng)機制;顆粒與細胞相互作用對細胞結(jié)構(gòu)以及力學性能的影響等。
隨著生物技術(shù)的發(fā)展，越來越多的生物藥物得到發(fā)明和開發(fā)，例如，蛋白質(zhì)、多肽、抗體和核酸等。然而生物藥物存在體內(nèi)易降解、半衰期短、患者要接受頻繁注射、血藥濃度波動大、藥效不理想或產(chǎn)生毒副作用等問題，特別是抗腫瘤藥物存在瘤內(nèi)滲透困難和細胞攝取不足的難題，這些都會導致實際治療效果不佳。為了提高生物藥物的利用率、靶向性并減少毒副作用，研究者們進行了大量藥物遞送系統(tǒng)的研究工作。藥物遞送基本的原則是直接將藥物輸送到目標組織或細胞以獲得好的治療效果和ZUI小的毒性影響，而阻礙治療效果的原因主要是藥物遞送系統(tǒng)與各種生理和病理環(huán)境的復(fù)雜相互作用。生物納米技術(shù)的應(yīng)用使得納微級顆粒的藥物遞送系統(tǒng)得以快速發(fā)展并備受關(guān)注，這些載體可包裹靶向細胞或組織的表面受體的成分，并具有膜內(nèi)外運輸?shù)哪芰Α?/span>
藥物遞送到指定位置時首先是載體顆粒與生物膜接觸發(fā)生相互作用，如果要將更多的藥物遞送到靶向細胞，那么載體與細胞膜之間強烈的相互作用可能會引起細胞膜的不穩(wěn)定，從而產(chǎn)生細胞毒性。afm原子力顯微鏡成像能在時空尺度上對細胞膜接觸藥物分子、納米顆粒或藥物復(fù)合物后產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變化和膜重組過程進行監(jiān)測。Banaszak研究組的Hong等、Leroueil等利用原子力顯微鏡成像揭示了具有氨基末端的聚酰胺聚合物與細胞膜相互作用對細胞膜的影響，研究發(fā)現(xiàn)，帶正電的PAMAM會引起細胞膜的無序排列，在磷脂雙分子層區(qū)域形成直徑約30nm的孔，且會使膜變薄甚至發(fā)生膜擾動，而在這些無序排列的部位發(fā)現(xiàn)了藥物遞送系統(tǒng)的聚集，然而不帶電的顆粒卻不會產(chǎn)生這些變化。通過膠體探針afm原子力顯微鏡，可以檢測影響藥物遞送系統(tǒng)與細胞作用的各種影響因素，比如細胞、顆粒的性質(zhì)和生理環(huán)境等。Pyo等利用原子力顯微鏡研究了不同的細胞及細胞培養(yǎng)密度對納米硅藥物遞送系統(tǒng)與細胞相互作用的影響，結(jié)果顯示不同的細胞培養(yǎng)密度以及細胞表面的褶皺形貌都會對相互作用產(chǎn)生影響。Shinto等利用膠體探針研究了不同條件下聚乳酸微球與小鼠黑色素瘤細胞的相互作用，研究表明，微球表面包裹了羥磷灰石納米顆粒后，相較于光滑的PLLA顆粒，其與細胞的黏附力增大，并且在有血清的環(huán)境中比在無血清環(huán)境中黏附力也會增大，這可能是由于HAp/PLLA顆粒表面呈正電并會吸附較多血清中黏附蛋白的原因。Pyrgiotakis等研究了功能化的納米顆粒CeO2和Fe2O3在不同的生理環(huán)境中與肺的上皮細胞之間的相互作用，結(jié)果表明，它們之間的相互作用力很大程度上依賴于生理環(huán)境，在生理液中蛋白冠的存在減弱了顆粒與細胞之間的相互作用，另外，這種作用也受顆粒大小和材質(zhì)的影響。
上述研究表明:要減少藥物遞送系統(tǒng)對正常細胞的毒性并且提高對于靶向細胞的靶向效率，其理化性質(zhì)以及所處的生理環(huán)境等都會產(chǎn)生重要的影響。因此，構(gòu)建高效安全的藥物遞送系統(tǒng)，需要評價各種因素，從而進行篩選。傳統(tǒng)的篩選方法費時費力，而利用afm原子力顯微測量藥物遞送系統(tǒng)與細胞之間的相互作用，通過測量黏附力，可以快速準確地評價各因素對相互作用的影響，這為設(shè)計和制備更加高效安全的藥物遞送系統(tǒng)提供了直觀準確的理論依據(jù)。