Nature子刊综述：纳米等离激元如何在生物医药中大显神通！

纳米人

2018-07-25

作者：Hongbao Xin

通讯作者：Luke P. Lee

通讯单位：新加坡国立大学

核心内容：

系统综述了纳米等离激元在生物医药中的重点应用，包括：1）细胞分子信息的探索；2）细胞内mRNA的检测；3）体内基因的传递和对基因环路的光学控制；4）在体外分子诊断领域的应用。

在金属纳米颗粒或其他纳米结构的表面等离激元共振效应越来越多地受到科学家的关注。通过和生物体系相互联系，表面等离激元在生命科学和转化医学领域内的应用潜能被逐渐开发出来。

有鉴于此，新加坡国立大学Luke P. Lee课题组系统总结了目前利用等离激元共振效应在细胞内检测分析、基因的表达管理和精确分子诊断等方面的应用，并对纳米等离激元技术未来在人类健康领域尤其是智能化检测方面的应用进行了展望。

1. 细胞内检测分析

对DNA、RNA和蛋白质等分子的实时检测和定量分析可以帮助我们对细胞内分子的变化有更清晰的认识。通过单个纳米粒子光学“天线”之间光的等离子体耦合产生的光谱响应，可以对活细胞中的信使RNA进行实时检测。局域表面等离基元共振（LSPR）激发了光学“天线”表面附近分子的振动和电子激发态。这些激发态可被视作分子指纹，用于体内分子的指纹成像，具有很高的时空分辨率。

图1. 细胞分子信息的探索

图2. 细胞内mRNA的检测

2. 基因的表达管理

研究者们做了诸多尝试去设计和改变细胞的基因使其表达治疗型核酸，或者干预某些治病基因的表达从而实现基因治疗。在体内临床应用中，以金纳米材料为代表的纳米等离基元光学天线被证明能通过光热触发选择性和高空间分辨率的基因传递和基因环路重构，这也是传统的基因干扰方法所无法做到的。

图3. 体内基因的传递和对基因环路的光学控制

3. 精确分子诊断

除了对体内分子的检测以及基因表达中调节之外，纳米等离激元在体外分子诊断应用领域也获得广泛的关注。一些生物标记物，如DNA、RNA、蛋白质（包括抗原、抗体和酶），已被确定可以用于在体外诊断和监测传染性或慢性疾病。目前纳米等离激元已经在实时集成分子诊断和快速的临床评价中得到应用，并开始在环境样品（如水、空气和食物）的分析中崭露头角。

图4. 在体外分子诊断领域的应用

图5. 以纳米等离激元为基础的非标记分子诊断应用

总之，这篇综述概述了纳米等离激元光学天线近年来在生物医药领域的重大进展，同时也指出了这些技术存在的诸多问题，譬如深层组织成像分辨率较低，长期的生物相性等等。在总结的基础上也为今后纳米等离激元技术在人类健康问题的探索中的应用拓展提供了方向和清醒的思考。

参考文献：

Xin, H. B., Namgung, B. et al. Nanoplasmonic optical antennas for life sciences and medicine. Nature Reviews Materials

https://doi.org/10.1038/s41578-018-0033-8