综述：纳米安全守护者：构建血液相容性防护层的表面工程策略

《Applied Surface Science Advances》：Nano-safety guardians: Surface engineering strategies for building hemocompatible shields

纳米颗粒因表面电荷、尺寸、形态及功能基团等因素与红细胞膜相互作用引发溶血，高剂量和正电荷纳米颗粒加剧溶血风险。表面改性（如脂质体、蛋白质涂层）可有效降低溶血率，同时需考虑生理环境（pH、温度）对纳米颗粒表面特性的间接影响。

　　纳米粒子因其独特的物理化学性质和可调节的结构设计，在药物递送、癌症诊断与治疗、抗菌疗法、生物成像及分子诊断等多个领域展现出广阔的应用前景。然而，纳米药物递送系统在实际应用中面临一个显著的挑战，即其可能引发的红细胞破裂现象，即溶血。溶血不仅会导致红细胞内容物释放，还可能引发炎症反应、补体激活、粒细胞活化以及吞噬功能受损，进而对机体造成潜在危害。因此，如何有效降低纳米粒子的溶血活性成为研究的重要课题。本文系统探讨了纳米粒子引发溶血的机制、相关因素及其影响，并提出了溶血预防策略，旨在为开发更安全有效的纳米药物递送系统提供理论指导和实践依据。

### 纳米粒子引发溶血的机制

纳米粒子引发溶血的过程通常涉及与红细胞膜的直接相互作用以及对膜结构的破坏。其主要机制包括：

1. **直接膜接触与破坏**：纳米粒子通过物理接触红细胞膜，导致膜结构的不稳定，引发细胞变形、聚集甚至破裂。这种相互作用可能通过静电作用、氢键或范德华力实现，而这些力的强弱取决于纳米粒子的表面电荷、大小和形状等特性。例如，带正电荷的纳米粒子由于与红细胞膜上带负电荷的磷脂分子产生更强的静电吸引力，更容易附着在红细胞表面，进而破坏其完整性。

2. **氧化应激引发的膜损伤**：纳米粒子可通过诱导活性氧（ROS）的产生，引发氧化应激反应，进而破坏红细胞膜的脂质成分。这种破坏可能进一步导致膜通透性增加，最终造成红细胞破裂。研究表明，氧化应激是纳米粒子导致溶血的关键因素之一，特别是在金属纳米材料与红细胞的相互作用中表现尤为明显。

3. **金属离子的释放与膜损伤**：某些纳米材料在血液中溶解时会释放金属离子，如锌离子（Zn2?）、钙离子（Ca2?）或镁离子（Mg2?），这些离子可能通过静电相互作用或渗透压失衡破坏红细胞膜的稳定性。例如，氧化锌纳米粒子在高浓度下会释放大量Zn2?，这些离子与红细胞膜上的负电荷成分结合，可能直接引发膜破裂。

4. **膜蛋白的干扰与功能障碍**：纳米粒子可能干扰红细胞膜上关键蛋白的正常功能，如ATP酶。ATP酶在维持细胞膜的离子梯度和细胞完整性方面发挥重要作用，其活性的抑制可能导致细胞膜的不稳定，从而增加溶血风险。

5. **膜磷脂的提取与膜结构改变**：纳米粒子可能通过物理或化学作用从红细胞膜上提取磷脂分子，破坏膜的完整性。这种现象在特定纳米粒子与红细胞膜的相互作用中尤为显著，例如在金属氧化物纳米粒子与红细胞膜的结合过程中，磷脂分子的流失可能加速溶血过程。

6. **膜磷脂酰丝氨酸（PS）的外移与细胞凋亡**：当纳米粒子诱导红细胞膜上的PS外移时，可能触发细胞凋亡。这种现象在某些纳米材料与红细胞的相互作用中被观察到，如二氧化硅纳米粒子可能通过增加细胞内钙离子浓度，激活钙依赖性蛋白酶（calpain），从而导致细胞凋亡。

7. **生物分子的吸附与膜屏障效应**：纳米粒子在血液中会与血浆蛋白形成所谓的“蛋白冠”，这种吸附过程可能通过降低纳米粒子的表面能或形成空间屏障效应，减少其与红细胞膜的直接相互作用，从而减轻溶血风险。然而，某些情况下，蛋白冠的形成反而可能增强纳米粒子的毒性。

8. **环境因素的间接影响**：纳米粒子的溶血活性可能受到环境因素如pH值和温度的间接影响。例如，pH值的降低可能促进某些纳米粒子的溶解和离子释放，进而增强其溶血能力。而温度的升高可能增加细胞膜的流动性，促进纳米粒子进入细胞内部，从而增加溶血的可能性。

### 纳米粒子溶血的相关因素

纳米粒子引发溶血的能力受到多种因素的影响，这些因素可能相互作用，共同决定其溶血活性：

1. **表面电荷**：通常认为，带正电荷的纳米粒子比带负电荷的纳米粒子更容易引发溶血。这是由于正电荷纳米粒子与红细胞膜上的负电荷成分产生更强的静电相互作用，从而增加膜破裂的风险。然而，也有研究指出，某些带负电荷的纳米粒子可能通过与膜上其他成分的相互作用引发溶血，这表明表面电荷并非唯一决定因素。

2. **尺寸与形态**：纳米粒子的尺寸和形态对溶血活性具有显著影响。较小的纳米粒子由于其较大的比表面积和更高的曲率，更易于穿透红细胞膜，引发氧化应激反应，从而增加溶血的可能性。而较大的纳米粒子可能由于表面电荷分布的不均或膜吸附能力的降低，导致溶血风险降低。此外，纳米粒子的形状也会影响其与细胞膜的相互作用方式，例如，棒状纳米粒子可能比球形纳米粒子更容易导致膜弯曲，从而促进溶血。

3. **浓度**：纳米粒子的溶血活性通常与浓度呈正相关，即随着浓度的增加，溶血率也随之上升。然而，这种关系并非线性，某些纳米粒子在特定浓度下可能表现出不同的溶血趋势。例如，二氧化硅纳米粒子在低浓度下可能不会引起溶血，但随着浓度的增加，其溶血活性显著增强。

4. **表面功能基团与涂层**：纳米粒子的表面化学性质，如功能基团的类型和分布，会直接影响其与红细胞膜的相互作用方式。例如，硅纳米粒子表面的硅醇基团（Si-OH）可能通过静电作用与红细胞膜上的四烷基铵基团结合，从而破坏膜结构。通过引入生物相容性涂层，如脂质体、蛋白质或聚合物，可以有效降低纳米粒子的溶血活性，这些涂层通过空间位阻效应减少纳米粒子与红细胞膜的直接接触。

5. **pH值与温度**：生理环境中的pH值和温度变化可能间接影响纳米粒子的溶血活性。例如，在酸性环境中，某些纳米粒子可能更容易溶解并释放金属离子，从而增强其溶血能力。而温度的升高可能增加细胞膜的流动性，促进纳米粒子的进入和吸附，进而增加溶血风险。

### 溶血预防策略

为了降低纳米粒子引发的溶血风险，研究者提出了多种策略，包括：

1. **生物相容性涂层的引入**：通过在纳米粒子表面引入生物相容性材料，如脂质体、蛋白质或聚合物，可以有效减少纳米粒子与红细胞膜的直接相互作用。这些涂层不仅能够提供物理屏障，还能通过改变纳米粒子的表面电荷和疏水性，降低其对红细胞的毒性。例如，脂质体涂层可以有效减少硅纳米粒子的溶血活性，而聚合物涂层如聚乳酸（PLA）或聚己内酯（PCL）能够提供良好的生物相容性。

2. **优化纳米粒子的尺寸、结构与形态**：通过精确的合成策略，可以设计和优化纳米粒子的尺寸和形态，以降低其溶血活性。例如，某些研究表明，红细胞大小的纳米粒子在特定尺寸下更容易被红细胞吸附，因此，通过控制纳米粒子的尺寸，可以有效减少其与红细胞的相互作用。

3. **控制纳米粒子的浓度**：在临床应用中，纳米粒子的浓度需要严格控制，以确保其在安全范围内。某些纳米粒子在特定浓度下可能不会引起溶血，但超过这一阈值后，溶血风险显著增加。因此，合理设定纳米粒子的使用浓度对于降低溶血风险至关重要。

4. **结合药物载体**：通过将纳米粒子与药物载体结合，可以进一步提高其生物相容性。例如，使用聚合物作为载体，不仅能够防止纳米粒子的聚集，还能通过其表面特性减少对红细胞的毒性。此外，一些药物载体如透明质酸（HA）能够提供负电荷，从而减少纳米粒子与红细胞膜的静电相互作用。

5. **引入抗氧化成分**：在纳米粒子表面引入抗氧化成分，如谷胱甘肽（GSH）或硫辛酸（LA），可以有效减少氧化应激反应，从而降低溶血风险。这些成分通过中和自由基，保护红细胞膜免受氧化损伤。

6. **利用低表面活性涂层**：某些低表面活性的涂层，如环糊精（α/β-环糊精），能够减少纳米粒子与红细胞膜的相互作用，从而降低溶血活性。这类涂层通常具有较低的疏水性，不易引起膜损伤。

7. **调控纳米粒子的表面电荷与功能基团**：通过改变纳米粒子的表面电荷或引入特定的功能基团，可以调节其与红细胞膜的相互作用方式。例如，通过引入负电荷的涂层，可以减少纳米粒子与红细胞膜的静电吸引力，从而降低溶血风险。

### 溶血的评估方法

目前，评估纳米粒子引发溶血的方法主要包括以下几种：

1. **自由血红蛋白检测**：这是最常见的溶血评估方法之一，通过测量红细胞破裂后释放的自由血红蛋白（fHb）的含量，可以间接判断溶血的程度。然而，这种方法可能受到其他因素的干扰，如溶血后的血红蛋白与血浆蛋白的结合。

2. **乳酸脱氢酶（LDH）与天门冬氨酸氨基转移酶（AST）检测**：这些酶在细胞破裂后会释放到血液中，因此其浓度可以作为溶血的生物标志物。LDH和AST的水平与溶血指数（HI）呈正相关，因此，它们可以用于评估溶血的程度。

3. **超氧化物歧化酶（SOD）与还原型谷胱甘肽（GSH）检测**：SOD和GSH是细胞内的抗氧化酶，它们的活性变化可以反映氧化应激的程度，从而间接评估溶血风险。

4. **光谱学方法**：如紫外-可见分光光度法（UV-Vis）和拉曼光谱法，可以用于检测纳米粒子与血红蛋白的相互作用，以及纳米粒子对血浆成分的影响。这些方法具有较高的灵敏度和特异性，适用于纳米粒子溶血的定量分析。

5. **透射电子显微镜（TEM）**：通过直接观察红细胞的形态变化，可以评估纳米粒子对细胞结构的破坏程度。这种方法能够提供直观的溶血证据，但操作较为复杂。

6. **其他方法**：如钠十二烷基硫酸（SLS）法、叠氮高铁血红蛋白法等，也可以用于溶血的评估。这些方法各有优劣，选择合适的评估方法对于准确判断纳米粒子的溶血风险至关重要。

### 结论与展望

纳米粒子引发溶血的现象是纳米药物递送系统在临床应用中必须关注的重要问题。虽然纳米粒子在提高药物递送效率和靶向性方面具有显著优势，但其可能引发的溶血风险仍需进一步研究和优化。本文通过系统分析纳米粒子的表面特性及其对溶血的影响，提出了多种预防策略，包括引入生物相容性涂层、优化纳米粒子的尺寸与形态、控制其浓度以及结合药物载体等。

未来的研究应进一步探索纳米粒子在不同生理环境中的行为，特别是在病理条件下，如肿瘤微环境或感染部位，纳米粒子可能表现出不同的溶血特性。因此，开发针对特定疾病状态的个性化纳米药物递送系统将是一个重要的研究方向。此外，建立标准化的溶血评估方法和预测模型，有助于提高纳米药物的安全性和有效性，从而推动其在临床中的应用。随着生物相容性涂层和智能纳米材料的发展，纳米药物递送系统的安全性将有望得到进一步提升，为患者提供更安全、高效的治疗方案。