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组合化学在生物医学中的应用分析
目前利用组合化学技术制备纳米药物载体，在药物开发方面，其商业化较慢。怎样分析组合化学在生物医学中的应用?
一、引言
过去，合成药物通常要进行逐一合成、纯化，鉴定其结构，然后进行生物活性测定，这种传统方法往往效率较低、速度较慢，并使得新药的开发成本越来越高，周期越来越长。因而迫切需要一种更快速、更经济的发展新药的途径用于药物开发。
组合化学(Combinatorial Chemistry)应运而生，成为药物开发的一种新途径[1]。它利用组合论的思想和理论，将构建单元通过有机合成、无机合成，以及其它化学手段，产生具有分子多样性的群体，并进行优化选择。该方法可以将化学库内活性最高的化合物挑选出来，用于寻找和优化新药先导化合物。毫无疑问，组合化学研究方法是近期生命科学领域内取得突破进展的一项重要技术，特别是在药物开发中具有明显的优势。
除了手术，化疗是目前最常见的治疗癌症的策略。然而，该方法因其高毒性、非特异性生物分布以及低溶解度等因素，其效果具有一定的局限性。为了克服这些限制，科学家们正在研究不同的运载系统，包括基于金属纳米颗粒[2]、聚合物胶束[3]、和凝胶[4]的纳米结构。一般情况下，作为纳米载体有效传递药物，这些纳米结构必须具有一些特性，例如在血清中应具有良好的化学和物理稳定性，良好的组织渗透性以及较长的血液循环时间。此外，具有较大表面积的纳米材料可以进行化疗药物的高负载。然而，癌细胞内化疗药物的活性浓度，在很大程度上取决于药物的有效释放，在这方面，科学家们已经开发了不同的策略，通过内在或外在的刺激，用来控制化疗药物在细胞中的释放。
二、组合化学技术制备纳米药物载体
1.纳米粒子核
应用于癌症治疗的纳米药物载体必须能够适应复杂的体内环境，对体内系统的刺激变化，产生显著的响应，从而实现药物的靶向释放。良好的生物相容性、强烈的荧光特性、良好的耐光性使得贵金属纳米粒子可以应用于药物载体，其尺寸小，低于肾脏过滤的最小间隙5.5 nm[5]，因而可以用于癌症的靶向治疗。贵金属纳米粒子[6]具有很好的局域等离子共振散射现象，可产生超淬灭、荧光增强，以及等离子共振。对纳米粒子的核-壳结构的精确制备，能够产生良好的等离子共振性能，常见的合金元素包含铜、钯、铂、金、银等。此外，通过对金属纳米粒子的表征，可对药物释放过程进行实时、原位检测。
2.纳米粒子表面
用于癌症治疗的药物载体，纳米粒子需要一个表面屏障[7]来隔绝内部核及外部环境。通常通过一层覆盖分子直接结合到表面实现，理想状态下，可阻止粒子的聚集，在不同pH环境下，它们能够均匀分散在水溶液中，抵制非特异性分子的识别吸附，可提供功能化生物分子的结合位点。纳米粒子的核与生物环境间的界面是很重要的领域，必须通过更深入的研究，方可实现对纳米药物载体的优化。许多生物分子(酶、脂质等)，以及血液、唾液、尿液等体液中的离子对纳米粒子来说是有害的，必须通过表面修饰对纳米粒子进行有效的保护。对纳米药物载体来说，表面修饰层的厚度是关键。药物释放机制是通过与体内环境相互作用产生响应的，这由表面修饰层来决定靶向治疗，较薄的保护层能够产生更强的信号;但为了保证其稳定性，必须具有紧密且高度保护的特性，而一般薄修饰层不利于防止粒子聚集、非特异性吸附，以及表面降解。因此，在减少修饰层厚度和提高保护性之间产生了冲突，适宜厚度的修饰层是关键。
(A)溶液中，纳米粒子偶联分子的性质决定了纳米材料的性质;(B)偶联配体，其功能基团组成了生物传感中的重要成分。
待检测物质-受体相互作用，调节纳米粒子的性质，激发产生信号，包含以下几种形式[8]：
1)酶底物：酶是保持生理稳态的必要条件，并可作为疾病生物标志物。系统性检测酶的活性在科研和临床试验中都有着非常重要的作用。酶底物如蛋白质和多肽，可作为生物传感中的重要成分。例如，多肽与纳米粒子偶联的复合物可被酶水解，产生荧光(图3A)。酶也可改变等离子体纳米粒子的聚合状态：如，酶水解多肽与纳米粒子的复合物，酶诱导多肽与金纳米粒子结合，或谷氨酰胺转移酶通过形成异构肽诱导多肽与金纳米粒子交联式结合。
2)抗原-抗体：抗体是一种高特异性的蛋白传感器，并且是酶联免疫吸附试验的基础。控制抗体的片段以及单域抗体可以形成三明治式复合物，应用于纳米生物传感检测中。纳米材料与图3C中这些片段进行结合。对等离子体纳米粒子来说，蛋白质与纳米粒子表面功能性抗体偶联可以产生可检测到的等离子共振瑞利散射光谱，并且，一个二级抗体可以偶联基团从而使信号放大。此外，研究受体或关联分子的SERS光谱，取决于待检测物可以与等离子体纳米粒子结合形成有效的非标记纳米材料(图3G)。
3)核酸相互作用：核酸在工程系统中起到复杂的结构机械功能，并对生物传感机制的构建起到积极意义。对核酸靶向目标来说，分子信标技术常被应用于纳米粒子介导的偶联中。核酸链可以有选择性的从纳米粒子表面偶联的双链分子中取代置换其中一条链，这是产生光斑的基础(图3E)。寡核苷酸配体作为核酸序列可以选择性地结合分析物，包括蛋白质。与抗体不同的是，它们更紧密，是更好的传感分子(图3F)。4)氧化还原反应：一些生物分子本身的氧化还原性质使得纳米材料可以检测pH值。这对细胞内传感是非常有利的： pH值可调节胞内许多生命活动，例如，在碱性环境下，多巴胺可以与氧气反应形成醌，醌是一种电子受体，在电荷转移后使量子点荧光淬灭(图3D)。
相互作用机制分别为：(A)、(B)、(C)共振能量转移，(D)电荷转移，(E)荧光超淬灭，(F)局域等离子共振瑞利散射场变化，(G)拉曼光谱位移。待检测物-生物分子相互作用类型分别为：(A)蛋白酶-多肽，(B)转移酶-多肽，(C)蛋白质-抗体片段，(D)多巴胺对pH变化的响应，(E)核酸杂交，(F)蛋白质-配体，(G)蛋白质-抗体。
三、总结与展望
对所有的应用性研究来说，技术转移都是一个巨大的挑战。利用组合化学技术制备纳米药物载体，在药物开发方面，其商业化较慢。自1990年代以来，功能性生物纳米材料开始发展，并与一系列先进的组合化学技术相结合，用于科研及临床研究。虽然现已研究发现了其原理机制，但仍需要有效的技术转移。这个转移对药物开发实现推广和发展有着重要的作用。
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