近年來，納微顆粒憑借其特殊的尺寸效應(yīng)和物理化學(xué)性質(zhì)，在醫(yī)藥、物理、光學(xué)和電學(xué)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(xì)胞接觸并相互作用，相關(guān)研究表明這種相互作用會對細(xì)胞的生長、遷移和細(xì)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免疫效果等。因此，研究顆粒與細(xì)胞的相互作用對于促進(jìn)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(xì)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(xì)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(xì)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(jìn)了許多先進(jìn)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，原子力顯微鏡(atomicforcemicroscopy，AFM)由于具有高靈敏度(皮牛級)、高分辨率(納米級)以及可在生理環(huán)境中進(jìn)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，但對于原子力顯微鏡檢測顆粒與細(xì)胞相互作用的文獻(xiàn)綜述卻很少，因此，本文中筆者系統(tǒng)闡述AFM在研究顆粒與細(xì)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(dǎo)體、半導(dǎo)體或者絕緣體，克服了之前掃描隧道顯微鏡只能對導(dǎo)電樣品表面進(jìn)行檢測的局限。

顆粒與細(xì)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(tuán)等，利用顆粒制備技術(shù)，比如物理性質(zhì)優(yōu)化、化學(xué)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AFM檢測顆粒與細(xì)胞之間的相互作用，獲得相應(yīng)的力學(xué)性能，這些力學(xué)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、免疫響應(yīng)和細(xì)胞力學(xué)等涉及深層次的作用機制，包括顆粒進(jìn)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(xì)胞毒性的影響;顆粒與免疫細(xì)胞相互作用從而介導(dǎo)炎癥反應(yīng)的機制以及作為疫苗佐劑的免疫響應(yīng)機制;顆粒與細(xì)胞相互作用對細(xì)胞結(jié)構(gòu)以及力學(xué)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、患者必須接受頻繁注射、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(xì)胞攝取不足的難題，這些都會導(dǎo)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(jìn)行了大量藥物遞送系統(tǒng)的研究工作。藥物遞送最基本的原則是直接將藥物輸送到目標(biāo)組織或細(xì)胞以獲得最好的治療效果和最小的毒性影響，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(xì)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(xì)胞，那么載體與細(xì)胞膜之間強烈的相互作用可能會引起細(xì)胞膜的不穩(wěn)定，從而產(chǎn)生細(xì)胞毒性。AFM成像能在時空尺度上對細(xì)胞膜接觸藥物分子、納米顆?；蛩幬飶?fù)合物后產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變化和膜重組過程進(jìn)行監(jiān)測。Banaszak研究組的Hong等、Leroueil等利用AFM成像揭示了具有氨基末端的聚酰胺(PAMAM)聚合物與細(xì)胞膜相互作用對細(xì)胞膜的影響，研究發(fā)現(xiàn)，帶正電的PAMAM會引起細(xì)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，可以檢測影響藥物遞送系統(tǒng)與細(xì)胞作用的各種影響因素，比如細(xì)胞、顆粒的性質(zhì)和生理環(huán)境等。Pyo等利用AFM研究了不同的細(xì)胞及細(xì)胞培養(yǎng)密度對納米硅藥物遞送系統(tǒng)與細(xì)胞相互作用的影響，結(jié)果顯示不同的細(xì)胞培養(yǎng)密度以及細(xì)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(PLLA)與小鼠黑色素瘤細(xì)胞的相互作用，研究表明，微球表面包裹了羥磷灰石(HAp)納米顆粒后，相較于光滑的PLLA顆粒，其與細(xì)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(xì)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(xì)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(xì)胞的毒性并且提高對于靶向細(xì)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(jìn)行篩選。傳統(tǒng)的篩選方法費時費力，而利用AFM測量藥物遞送系統(tǒng)與細(xì)胞之間的相互作用，通過測量黏附力，可以快速準(zhǔn)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(zhǔn)確的理論依據(jù)。