摘要

奈米金具有獨特的物化性質，例如：尺寸微小、大表面積與質量比、顏色、螢光、表面電漿共振效應、表面增強拉曼散射及電化學等性質，使它廣泛被應用在偵檢、診斷及遞送系統，有些證據指出奈米金的大小、表面電荷及形狀可能與其潛在毒性有關，本文將探討奈米金特性、應用及安全性。

關鍵字： 奈米技術、奈米金、生物科技、nanotechnology、gold nanoparticles、biotechnology

壹、前言

奈米（nanometer）是一個長度的單位，表示10^-9米。相較於其他金屬奈米粒，目前奈米金（gold nanoparticles, AuNP）是最常被運用的，大小約為1~200 nm，與其他生醫尺標比較詳如圖一所示。金是極為惰性的，然而，將金奈米化之後，除了表面積顯著增加外，活性也增加，若奈米金表面經特殊標記後，即可用來與小分子作鍵結，擴大奈米金的應用性，另外，奈米金還具有特殊的光學、電磁學、化學性質，可被運用在生醫研究及臨床應用。

 

 

貳、奈米金在臨床之應用

一、體外偵檢工具¹

（一）奈米金之表面電漿共振效應（surface plasmon resonance, SPR）

奈米金可以用來偵測小分子，球型奈米金不同的核心大小（1~100 nm）會產生顏色變化，此為奈米金表面電漿共振效應而產生光子（photon）所致，周圍的環境，配體（ligand）、溶劑及溫度等因子也會影響，奈米金會因為聚集反應由紅變藍，稱為藍移效應（blue-shift），這個特性作為對金屬離子的偵檢工具，鉀離子會與18 nm奈米金聚集形成15：5皇冠型的結構，當鉀離子的濃度由淡到濃（由μM至mM），奈米金的顏色也會從紅逐漸變成藍色。

另外，奈米金也可用來偵檢葡萄糖，將奈米金附著一層高分子的葡萄聚醣（dextran），加入洋刀豆血球凝集素（concanavalin A，conA），此時奈米金聚集呈現藍色，當加入葡萄糖時，conA會與葡萄糖鍵結，奈米金分散變回紅色。

（二）奈米金之光學性質與螢光能量轉移作用（effective fluorescent energy transfer, FRET）

由於奈米金在500~550 nm有最強吸光作用，將奈米金連結生物素（biotin）與接有鏈黴卵白素（streptavidin）的量子點（Quantum dots, QDs）混合後，生物素與鏈黴卵白素相互結合，會使奈米金與量子點彼此靠近，此時，量子點所放出的發散光（emission）波長即可被奈米金所吸收，若溶液中有卵白素（avidin），他會與量子點上的鏈黴卵白素競爭生物素，使奈米金與量子點分開，量子點的發散光即可被偵測到，量子點放光的強度可用來作為卵白素定性及定量。

另外，奈米金也可以用來篩選蛋白質辨識片段，帶正電之奈米金也可接上各式的蛋白質片段，加入帶負電的PPE（poly p-phenylene- ethynylene），奈米金的發散光會被PPE所吸收，當溶液內有可辨識此蛋白質片段之物質存在時，他就會與PPE競爭，當PPE離開奈米金，奈米金的發散光訊號就可以被偵測到，此方法用來作為蛋白質親和力之檢測。

（三）奈米金之修飾作用（modification）

奈米金以硫醇基修飾後，許多小分子都可以經此與奈米金結合，在奈米金基礎生物條碼分析中（AuNP-based bio-bar-code assay），利用此一特性，將一段當作生物條碼的DNA片段，以及另一個可辨識目標物的抗體或是核酸探針，同時接到奈米金上，此目標物可能是病原之表面蛋白或核酸，將此奈米金與可辨識目標物之磁珠相混合，若溶液內具有目標物，就會形成（磁珠-目標物-奈米金）這樣的鍵結，利用磁力以磁珠將目標物分離出來後，加熱將奈米金上當作生物條碼的DNA變性（denature），藉由偵測此DNA即可推算目標物的數量，利用這樣的設計，可以將微量的訊號放大數百倍。

（四）奈米金之表面增強拉曼散射原理（Surface enhanced Raman spectroscopy,SERS）及電化學性質

生物晶片或紙碟常利用表面增強拉曼散射原理，外加銀離子，其表面之電漿子會與光子作用，增強奈米金的訊號，此方法結合奈米金高線性關係與奈米銀高敏感性之優點。奈米金的電學或是電化學特性，也可當作生物偵測器（biosensor），利用奈米金上的寡核酸（oligonucleotide）探針與互補之DNA結合，奈米金產生氧化還原反應，造成一個氧化波，將DNA結合的訊號轉為電訊號。有些複合奈米金屬顆粒也可以加強奈米金原有之訊號，使奈米金的應用層面更加廣泛。以上體外偵檢之多元應用複合示意圖，詳如圖二。

 

二、體內遞送系統方面

奈米金有幾個特性可用於體內：(1)金是鈍性無毒，以往就曾當作藥物使用，使用較為安全無慮；(2)目前奈米金的製備方法已相當成熟且簡單，可以控制大小及形狀；(3)奈米金容易被修飾成為有功能性的奈米金。

（一）藥物遞送系統（drug delivery system）²

藥物遞送系統非常多元，其中一種是利用穀胱甘肽（glutathione, GSH）在胞內外濃度差之原理，將藥物與奈米金以雙硫鍵結合，由於血中蛋白質表面的半胱氨酸（cysteine）會產生硫醇基-雙硫鍵對換（thiol- disulfide exchange），利用奈米金的立體結構可以避免此作用之產生，奈米金帶正電之特性也可幫助此藥物遞送顆粒順利通過細胞膜，進入細胞後由於GSH濃度較高，會使GSH與藥物競爭奈米金的結合位，確保藥物被遞送至細胞內後才釋出。

奈米金也可被用來攜帶單重氧（singlet oxygen）或是一氧化氮（nitric oxide），單重氧具有細胞毒性，利用金屬奈米粒攜帶phthalocyanines（PCs）PCs可產生單重氧，奈米金可增加PCs的溶解度並提升單重氧的生成量，加強PCs毒殺癌症細胞之能力。一氧化氮在細胞中扮演相當多的角色，包括血管舒張或參與免疫反應，利用polyamine-stabilized金屬奈米粒與酸性不穩定N-diazeniumdiolate結合，當此藥物遞送顆粒進入微酸環境後，如核內體（endosomes）或是溶小體（lysosomes），一氧化氮才會被釋放，可達到標的治療的效果。在我們的研究中也發現，奈米金可以加強藥物的抗氧化作用並增加其安定性（三總98年民診基金）。

（二）基因治療之核酸遞送系統（nucleic acid delivery system）

奈米金也可以用來攜帶蛋白質或核酸，病毒雖然是個理想的核酸載體，但是研究指出病毒載體可能會有一些難以預料的細胞毒性，進入體內也可能產生一些免疫反應，造成效力下降。微脂粒（liposome）則常有遞送效率過低的問題。奈米金體積很小，具有高表面積/體積比，大大提升了核酸負載量，由於金屬微粒改變電荷性質，使得傳遞的效率增加毒性減低，另外以附有四極胺陽離子（cationic quaternary ammonium）的奈米金與核酸以靜電力結合，可以保護DNA不被酵素降解。

（三）分子標的治療（molecular targeted therapy）

奈米金也被利用在分子標的治療（molecular targeted therapy），在胰臟癌發現tyrosine kinase（TKs）會有大量表現，例如：上皮細胞生長因子接受器（epidermal growth factor receptor, EGFR），利用奈米金為載體，結合抗EGFR的抗體當作辨識癌細胞的工具，另外鍵結一個抗癌藥物gemcitabine，將藥物帶到目標組織，針對癌細胞進行毒殺，不但可以將低抗癌藥物劑量並可減少副作用。

（四）奈米金其他臨床應用

射頻消融術（radio frequency ablation, RFA）是利用微電極在腫瘤組織中，經由交流電在體內產生迴路，產生局部高熱，而將腫瘤細胞燒死，經由奈米金可產生更多熱能，增加腫瘤死亡的數量。由於人體是強吸光體，光熱治療法（photothermal therapy, PTT）僅侷限於皮膚癌症之治療，利用雷射光可將光子的能量集中，加強穿透力，但無組織選擇性。利用奈米金結合抗體後，可以專一性的到達腫瘤的位置，利用表面電漿共振效應加強可見光及近紅外線的吸收，克服穿透力以及專一性的問題，且共振效應產生極大熱能，可達到光熱治療的效果稱為電漿光熱治療（Plasmonic photothermal therapy, PPTT）³。另外，利用奈米金也可以增強X光斷層掃描之訊號，對於疾病的診斷及判讀會更有幫助。奈米金在生物體內之應用詳如圖三。

 

 

參、奈米金之健康風險及安全性

由於奈米金獨特的物化性質，其安全性也開始受到重視，奈米金的大小、表面帶電多寡及形狀對細胞產生不同反應，不同尺寸的奈米金在體內具有分佈相差異，10~50 nm小顆粒可以分布到身體各個組織，100~200 nm大顆粒只會到達肝、肺、腎、脾等器官。1.4 nm奈米金顆粒會與DNA結合而造成損傷，18 nm奈米金顆粒則無反應。奈米金顆粒表面帶正電荷，可以增加基因遞送的效率，但正電荷對細胞膜會造成機械性的破壞而引起毒性⁴。帶有蛋白質之奈米顆粒，進入細胞後被送至核內體，由組織蛋白酶L（Cathepsin L.）對奈米顆粒外的蛋白質進行降解⁵，在設計體內奈米金之應用時都要注意。

肆、結語

奈米金在生物科技及臨床上的應用上已經越來越廣泛，它具有放大偵測訊號、降低訊號背景值、增加藥物吸收、降低藥物副作用、標的目標組織、殺死癌細胞等優點；奈米金目前已運用於單一目標之檢驗，如何進一步應用在多重偵檢，是個研究重點，在體內由於奈米金的長期毒性及其代謝機制還不是很明確，不同大小及形狀的毒性，代謝產物是否會造成組織之損傷有待更多研究證實。奈米金的物化性質還一直被發掘中，在安全無虞的狀況下，利用奈米金進行更多非侵入性生物造影之研究是趨勢，具標的作用的藥物或基因遞送系統，或是利用奈米金本身的性質來毒殺癌症細胞，是未來繼續努力的目標。

參考資料：

1. Agasti SS, Rana S, Park MH, et al: Nanoparticles for Detection and Diagnosis. Adv Drug Deliv Rev, 2009.

2. Patra CR, Bhattacharya R, Mukhopadhyay, D, et al: Fabrication of gold nanoparticles for targeted therapy in pancreatic cancer. Adv Drug Deliv Rev, 2009.

3. Huang X, Jain PK, El-Sayed IH, et al: Plasmonic photothermal therapy (PPTT) using gold nanoparticles. Lasers Med Sci 2008; 23(3): 217-28.

4. Aillon KL, Xie Y, El-Gendy N, et al: Effects of nanomaterial physicochemical properties on in vivo toxicity. Adv Drug Deliv Rev 2009; 61(6): 457-66.

5. See V, Free P, Cesbron Y, et al: Cathepsin L digestion of nanobioconjugates upon endocytosis. ACS Nano 2009; 3(9): 2461-8.