稀土金属纳米颗粒：生物医学应用的新前沿

稀土金属纳米颗粒作为一类极具潜力的新型医药材料，正逐渐成为全球科研界关注的焦点，这类材料不仅在肿瘤诊疗、抗感染、抗氧化和组织再生等方面表现出独特优势，同时也面临毒性和生物相容性等挑战。

 

 

稀土金属纳米颗粒：特性与应用概况

 

稀土金属包括原子质量从57到71原子质量单位（a.m.u.）的元素，以及原子质量为21和39 a.m.u.的元素。这些金属因其可变氧化程度而具有独特的氧化还原（redox）特性。在生物医学领域，稀土金属氧化物（oxide）形式的纳米颗粒因其较高的生物相容性（biocompatibility）和能够穿透生物膜的纳米级尺寸，成为研究热点。

 

目前，部分稀土金属已经应用于临床实践。例如，钆作为对比剂广泛用于磁共振成像（MRI）诊断，而铕（europium）则被视为生产治疗胶质瘤、乳腺癌、宫颈癌的光动力疗法药物的有希望候选物。

 

 

稀土金属纳米颗粒的主要应用领域

 

1. 肿瘤诊断与治疗
 

在肿瘤诊疗领域，多种稀土金属纳米颗粒展现出良好的应用前景。钆氧化物纳米颗粒（gadolinium oxide nanoparticles）不仅能够作为MRI造影剂使肿瘤组织更清晰可见，还具有放射增敏作用，可增强放射治疗效果。研究表明，钆氧化物纳米颗粒能诱导氧化应激，导致DNA损伤，其效果比单纯照射高出52%。

 

镱氧化物纳米颗粒（ytterbium oxide nanoparticles）也表现出抗肿瘤潜力，特别是在微波敏感释放活性成分方面具有优势。

 

铒氧化物纳米颗粒（erbium oxide nanoparticles）对Hep-G2肝细胞癌细胞表现出抑制增殖作用，通过诱导氧化应激导致DNA损伤引起细胞凋亡。

 

铥氧化物纳米颗粒（thulium oxide nanoparticles）因其特殊的摄取能力，可靠近红外辐射产生活性氧，对乳腺肿瘤4175和MCF-7以及卵巢癌SKOV3等多种肿瘤具有选择性毒性。

 

2. 抗菌应用
 

稀土金属纳米颗粒在抗菌领域也显示出广泛应用前景。钆氧化物纳米颗粒对大肠杆菌（Escherichia coli）、金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、鼠伤寒沙门氏菌（S. Typhimurium）等病原菌以及白色念珠菌（Candida albicans）、光滑念珠菌（C. glabrata）和尖孢镰刀菌（Fusarium oxysporum）等真菌均具有抑制作用。

 

镱氧化物纳米颗粒对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌表现出抗菌活性，且当添加1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐（1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate）作为涂层时，其活性优于阿米卡星。当与壳聚糖（chitosan）结合使用时，这种复合材料可作为具有抗菌活性的敷料材料。

铒氧化物纳米颗粒对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、近具刺链带藻（Desmodesmus subspicatus）和绿脓杆菌（Pseudomonas aeruginosa）表现出抗菌效果，并且这种抗菌活性可以通过额外的紫外线照射增强。

 

3. 抗氧化与组织再生

 

多项研究表明，稀土金属纳米颗粒具有显著的抗氧化和组织再生特性。钆氧化物在胶原蛋白和葡聚糖水凝胶中显示出抗炎和再生特性，并抑制新生血管形成。大规模人类细胞培养研究表明，钆氧化物纳米颗粒具有抗氧化活性，可加速成纤维细胞BJ TERT的代谢（提高27%）和角质形成细胞HaCaT的增殖（提高35%）。

 

钇氧化物纳米颗粒（yttrium oxide nanoparticles）在多项体内实验中表现出显著的抗氧化特性，对胰腺疾病有潜在治疗作用。它能降低急性和慢性胰腺炎模型中的氧化-亚硝基应激，并有助于神经保护。

铈氧化物纳米颗粒（cerium oxide nanoparticles，也称为纳米铈，nanoceria）的抗氧化特性使其在多种病理状态下具有治疗潜力，如肝脏保护、肺动脉高压、视网膜神经元保护以及创伤后组织再生等。

 

 

稀土金属纳米颗粒的安全性挑战与改进策略

 

尽管稀土金属纳米颗粒展现出广泛应用前景，但其毒性问题仍是限制其临床应用的主要障碍。目前存在关于稀土金属急性和慢性毒性的矛盾或不充分数据，这使得它们的广泛使用变得困难。

 

为解决这一问题，研究人员开发了多种改进策略——

1. 添加辅料

 

添加聚乙二醇、葡聚糖、聚丙烯酸等生物相容性聚合物可显著改善稀土金属纳米颗粒的安全性和药效。例如，PEG化的钆氧化物纳米颗粒比商业造影剂Magnevist具有更低的肝毒性和肾毒性，同时肿瘤组织可视化效果更好。

 

研究表明，使用形成强络合物的辅料可减缓活性物质的释放，从而降低急性毒性风险。另一种方法是开发靶向系统，确保纳米颗粒在病理改变组织中积累。

 

2. 创建纳米复合物

 

将稀土金属与其他材料结合形成纳米复合物（nanocomposites）可增强效果并降低毒性。例如，含有钆氧化物和聚丙烯酸的纳米颗粒与精甘天冬氨酸肽（arginylglycylaspartic acid）复合后，能通过增加血管通透性和细胞内积累来增强对肿瘤细胞的靶向性。

 

3. 改变颗粒形态

 

除了纳米颗粒外，纳米棒（nanorods）、纳米立方体（nanocubes）和纳米管（nanotubes）等形态也被研究。形态的改变可能会增强已知的稀土金属活性。例如，铈-镓钛酸盐纳米管对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌效果增强，这可能是由于相对于纳米颗粒的比表面积增加。

 

4. 生物偶联

 

将稀土金属纳米颗粒与白细胞介素、抗体或RNA等生物分子结合，可提高靶向性并增强疗效。例如，与白细胞介素17结合的明胶水凝胶在动物脑炎模型中表现出抗炎活性；与白细胞介素13肽结合的钆纳米颗粒增加了在小鼠胶质母细胞瘤模型中肿瘤细胞对颗粒的摄取。

 

市场前景与未来发展

 

随着纳米技术的不断进步和安全性问题的逐步解决，稀土金属纳米颗粒在医药领域的应用前景十分广阔。目前，钆和钇已在临床实践中使用，而铈作为研究最充分的稀土金属之一，其氧化物纳米颗粒形式有望扩大治疗范围并提高安全性和疗效。

 

未来，稀土金属纳米颗粒的研发方向可能集中在以下几个方面：开发更安全、更有效的MRI造影剂；研究稀土金属纳米颗粒作为肿瘤靶向治疗和放射增敏剂的应用；探索其在抗菌材料和创伤修复中的潜力；开发混合胶束和改良的寡聚物和聚合物制剂等。

 

尽管目前有关某些稀土金属纳米颗粒的信息仍然有限，但随着研究的深入，我们对其生物学效应和安全性的理解将不断提高，从而为开发新型医药产品提供更坚实的基础。
 

 

参考材料

Titova, S. A., Kruglova, M. P., Stupin, V. A., Manturova, N. E., & Silina, E. V. (2025). Potential Applications of Rare Earth Metal Nanoparticles in Biomedicine. Pharmaceuticals, 18(2), 154. https://doi.org/10.3390/ph18020154

综合编译：John Xie