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生物介导纳米粒子合成作为潜在绿色策略:原理、方法及制药应用

期刊:PharmaceuticsDOI:10.3390/pharmaceutics18091151

类型b

本文是一篇发表于 Pharmaceutics 期刊(2026年9月14日)的叙述性综述,题为《Biologically mediated nanoparticle synthesis as a potential green strategy: principles, methods, and pharmaceutical applications》。该综述由来自埃及多所大学及研究机构的研究者共同完成,主要作者包括 Misr University for Science and Technology 药学院的 Mahmoud M. Mokhtar 和 Rehab Abdelmonem,以及来自 Helwan University、Modern University for Technology and Information、Cairo University 和 German University in Cairo 的多位合作者。文章系统回顾了以生物介导方式合成纳米颗粒(nanoparticles)作为绿色策略的潜力,涵盖了合成原理、生物来源、主要颗粒类别、表征方法、药物应用及转化瓶颈。

全文的核心论点可归纳为以下五个主要观点,并各有其支撑证据与子观点。

第一个主要观点:生物介导合成是一个受多变量控制的设计依赖性过程,而不是简单地用生物提取物替代化学还原剂。

作者明确指出,绿色合成不能被理解为仅将化学还原剂替换为植物提取液。相反,它是一个由还原、成核、生长、表面包覆和胶体稳定化等多个重叠步骤构成的协调过程。支撑这一观点的子观点包括:植物提取物中的多酚、黄酮、皂苷等可作为电子供体将银离子还原为元素银;硝酸还原酶等酶类在微生物体系中直接参与金属离子还原;生物分子随后吸附在颗粒表面,兼具“封端”(capping)与“稳定”(stabilization)双重功能。此外,pH、温度、金属离子浓度、反应时间和提取物浓度均被证明可改变纳米颗粒的粒径、形貌、zeta电位和分散性。作者进一步从药物质量源于设计(Quality by Design)的角度提出,生物源组成、前驱体特性和提取物浓度可被视为关键物料属性(CMAs),而pH、温度、反应时间等可作为关键工艺参数(CPPs),粒径、形貌、结晶度和胶体稳定性则为关键质量属性(CQAs)。这一框架为后续讨论不同合成路线的可重复性差异奠定了理论基础。

第二个主要观点:植物介导、微生物介导和生物分子介导三条路线在操作复杂度、成分控制力和放大潜力上存在本质差异,应根据目标应用进行选择。

作者将生物介导合成系统性地分为三类。植物介导路线使用植物粗提取液,其优势在于操作简便、成本较低、无需微生物培养,适合快速筛选和比较性研究;但其提取物组成受植物种类、部位、产地、成熟度和提取条件影响较大,可重复性差。微生物介导路线使用细菌、真菌或藻类的完整细胞、生物量提取物或无细胞上清液,可利用特定菌株和可控培养体系实现更高的生物可溯源性,并能区分胞内与胞外合成;但需要维持培养、控制污染,且下游分离纯化步骤更复杂。生物分子介导路线使用分离或富集的酶、蛋白质、多肽或多糖,在还原和表面化学方面提供了最高的分子定义度和可调性,适合机理研究和对表面性质要求严格的体系;但其成本较高、适用范围较窄,且当前原始研究数量少于前两类。这一比较性的分类框架是全文方法学讨论的核心,也为后续药物应用选择提供了逻辑依据。

第三个主要观点:不同类别的生物合成纳米颗粒在理化特性、作用机制和生物医学适用性上存在显著差异,不能将其视为同质化平台。

综述重点讨论了银、金、氧化锌、二氧化钛和铜基五类纳米颗粒。银纳米颗粒(AgNPs)具有最广泛的抗菌和抗生物膜证据,其机制与活性氧(ROS)生成和表面反应性有关,同时也有抗癌和抗炎活性的报道;但剂量依赖性细胞毒性和溶血问题要求进行浓度安全性评估。金纳米颗粒(AuNPs)因化学稳定性和可功能化表面而特别适用于药物递送和诊断,多项体外和动物研究表明其可通过ROS依赖通路增强阿霉素的细胞毒性,并在关节炎模型中显示抗炎作用。氧化锌纳米颗粒(ZnO NPs)兼具锌离子释放和氧化损伤双重抗菌机制,并在癌细胞中表现出选择性细胞毒性,但其长期毒性和体内分布仍需系统评价。二氧化钛纳米颗粒(TiO₂ NPs)的光催化特性和抗菌活性突出,在伤口愈合和药物递送方面有实验证据,但其治疗转化受光照条件和晶相影响较大。铜基纳米颗粒(Cu-based NPs)被明确界定为包含元素铜、氧化亚铜和氧化铜的异质类别,其抗菌和抗癌活性已被多篇实验研究所证实,但化学和表面异质性限制了研究间的横向比较。这一部分为读者提供了按应用需求选择纳米颗粒类别的依据。

第四个主要观点:绿色合成纳米颗粒的表征必须采用多种互补技术组成的收敛性证据框架,单一技术无法充分确认颗粒的身份和稳定性。

作者强调,在生物合成体系中,有机冠层、团聚现象和部分无定形特征使解释变得复杂。紫外-可见光谱可作为纳米颗粒形成的初步光学证据,但无法区分晶态产物与团聚副产物。傅里叶变换红外光谱可支持生物分子与颗粒表面的关联,但重叠谱带限制了精确的分子归属。X射线衍射用于识别晶相和结晶度,但在小晶粒或有机包覆层干扰下解释力下降。扫描电镜适合观察整体形貌和团聚结构,而透射电镜对核心粒径和形貌的报告更为可靠。动态光散射测得的是水动力学直径,通常显著大于电镜所测核心粒径,这反映了有机冠层和溶剂层的影响,并非方法误差。zeta电位分析有助于评估静电稳定性的贡献,但不应机械套用±30 mV的固定阈值,因为生物包覆层可能提供空间位阻稳定。文章以多个具体研究数据为例,说明各技术之间的差异及其解释逻辑,构成了绿色纳米颗粒质量控制的方法学基础。

第五个主要观点:尽管生物合成纳米颗粒在药物递送、抗癌、抗菌和诊断等领域显示出临床前潜力,但其药物转化仍受限于来源变异性、批次不一致性、放大纯化困难、安全证据不完整和监管不确定性。

在药物递送方面,多项研究以金纳米颗粒为载体负载多柔比星,通过光热效应或表面修饰实现可控释放和增强细胞摄取;但这些结果均来自特定制剂,动物数据不足以确立临床疗效。在抗癌方面,银、硒、金和氧化铬纳米颗粒在多种癌细胞模型中展现出凋亡、自噬或铁死亡等不同机制,部分动物异种移植模型显示肿瘤体积缩小;然而研究之间存在模型、终点和制剂的高度异质性,无法进行通用比较。抗菌方面,银和铜基纳米颗粒对革兰阳性菌、革兰阴性菌、真菌及耐药菌株均有抑制作用,但其宿主相容性和感染部位的体内有效性仍缺乏系统性证据。诊断应用,尤其是CT对比剂开发,仍处于极早期的体模验证阶段。作者最后提出,未来的进展需要标准化的过程控制、生命周期比较评估、技术经济分析、可放大的制造工艺,以及严格的药代动力学、生物分布、毒理学和监管验证。

总体而言,这篇综述的价值在于其将分散在植物学、微生物学、材料科学和药学文献中的绿色纳米颗粒研究整合为一个统一的框架,突出了表征的收敛性要求和转化的关键瓶颈,为后续研究者和制药开发人员提供了系统性的参考。

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