综述：通过分子印迹技术对纳米粒子进行表面功能化以实现靶向生物成像：前景与展望

《TRAC-TRENDS IN ANALYTICAL CHEMISTRY》：Surface Functionalization of Nanoparticles via Molecular Imprinting for Targeted Bioimaging: Promises and Perspectives

　　郭占臣|高松|刘珍
西安电子科技大学先进材料与纳米技术学院，中国西安710071

**摘要**
生物成像在生物医学研究中发挥着至关重要的作用，它能够提供高分辨率的生物过程可视化，从而用于疾病诊断和治疗。由于其可调的光学、磁性和等离子体特性，纳米颗粒为生物成像提供了多功能平台。然而，它们的性能在很大程度上取决于表面功能化，这确保了选择性、稳定性和与复杂生物环境的兼容性。本文总结了四种纳米颗粒表面功能化的分子印迹策略——固相印迹、沉淀印迹、表面印迹以及分子印迹和包覆（MIC），并讨论了它们在靶向生物成像中的相关性。分子印迹聚合物（MIPs）具有化学稳定性和合成灵活性等优点，并已与荧光、磁性、等离子体和上转换纳米颗粒结合使用。先进的表面限制印迹策略和减少非特异性吸附的方法扩展了它们的应用范围。同时，与亲和力、可重复性和生物相容性相关的挑战仍然存在。本文强调了当前的研究进展，并指出了分子印迹可以补充生物识别元素的场景。

**引言**
生物成像已成为生物医学研究中不可或缺的工具，提供了在分子、细胞和组织水平上可视化和解析生物过程的强大方法[1]、[2]。这项技术推动了疾病发病机制的理解、靶向治疗的设计以及个性化医学的发展[2]。通过提供对复杂生物系统的实时高分辨率洞察，生物成像使得新生物标志物的识别、疾病进展的监测以及治疗效果的定量评估成为可能。其应用范围从基础研究扩展到临床诊断，确立了其在现代生物学和医学中的核心地位[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。然而，实现所需的灵敏度、稳定性和特异性仍然是一个主要挑战，这促使人们开发下一代材料和技术以提升在复杂生物环境中的成像性能。

在过去的十年中，纳米颗粒由于其独特的尺寸依赖性物理化学性质（包括量子限制效应、高表面积与体积比以及精确可调的光学特性）而引发了生物成像领域的范式转变[17]。诸如量子点（QDs）[18]和金纳米颗粒（AuNPs）[19]等探针表现出显著的光稳定性，并展现出增强的光吸收或表面等离子体共振（SPR）等现象。这些特性使它们成为荧光成像[18]和表面增强拉曼散射（SERS）成像[19]等要求苛刻的应用中的传统成像剂的理想替代品[20]。这些性质使纳米颗粒成为先进生物成像策略的多功能平台。

纳米颗粒在生物成像中的成功应用在很大程度上依赖于优雅的表面功能化，以赋予生物相容性并确保精确的分子靶向[21]、[22]。表面工程决定了纳米颗粒与生物环境的界面，调节其与生物大分子、细胞和组织的相互作用，从而提高细胞摄取率，促进特定的生物分子识别，并规避宿主免疫系统的反应[21]。然而，传统的功能化策略常常面临重大障碍，包括非特异性蛋白质吸附（即蛋白质冠层形成）以及疏水性纳米颗粒在水介质中的胶体不稳定性[22]。这些缺点降低了靶向准确性，并增加了脱靶效应的风险，突显了开发新型功能化平台的必要性，这些平台在保持纳米颗粒核心特性的同时确保稳定性和特异性。

分子印迹技术作为一种变革性方法，已被用于制造具有与天然抗体相当识别能力的合成仿生材料[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。由此产生的分子印迹聚合物（MIPs），俗称“塑料抗体”或“人工抗体”，是经过工程设计的具有高保真识别位点的合成聚合物。其制造原理涉及在模板分子存在下聚合功能单体和交联剂。随后去除模板后，会在聚合物基质中暴露出与目标结构化学互补的印迹腔体，从而实现高度特异性的重新结合，同时排除非目标分子[28]。与生物抗体相比，MIPs具有合成简化、生产成本较低和性能稳健等优点，这推动了它们在分析分离、化学传感、催化和靶向药物递送等领域的应用[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]。

当应用于纳米颗粒时，分子印迹提供了一种强大且多功能的表面功能化策略。该技术生成的MIP外壳不仅复制了抗体的特异性，还赋予了高化学稳定性和对恶劣环境条件的抵抗力。MIPs通过创建预定义的、目标特异性的腔体直接解决了功能化的核心挑战，从而最小化了非特异性蛋白质结合。此外，通过引入亲水单体，MIP外壳可以使原本疏水的纳米颗粒易于分散并在水溶液中保持生物相容性，而不改变其核心功能。这种与等离子体、磁性或荧光纳米颗粒的无缝集成促进了多功能平台的创建，从而增强了生物成像应用，例如癌症生物标志物的靶向可视化。

尽管基于纳米颗粒的生物成像技术取得了最新进展，但在复杂生物环境中实现稳健、选择性和可重复的分子识别仍然是一个核心分析挑战。基于抗体、凝集素或适配体的传统表面功能化策略通常存在稳定性有限、批次间变异性以及易受非特异性吸附影响的问题，尤其是在体内或临床相关环境中。分子印迹作为一种在纳米材料上构建合成识别层的替代策略应运而生。然而，所报道的方法在印迹机制、识别性能和实际应用性方面存在很大差异，且其局限性并未得到充分评估。

在本文中，我们将分子印迹视为一种表面功能化策略，而不是一个独立的识别概念，并分析了不同的印迹方法如何满足生物成像中的关键分析要求，包括结合位点的可及性、非特异性相互作用的抑制、稳健性和转化可行性（图1）。通过系统地考虑固相印迹、沉淀印迹、表面印迹以及分子印迹和包覆，我们旨在阐明各自的设计原理、性能权衡和未解决的挑战。本文并非将分子印迹聚合物视为抗体的替代品，而是寻找分子印迹纳米平台可以补充生物识别元素的现实场景，特别是对于分析上具有挑战性的目标和复杂的生物环境。

**部分摘录**
用于生物成像和仿生功能化的纳米颗粒基底
纳米颗粒在生物成像中的整合依赖于它们作为信号转换器或对比剂的能力[17]、[39]、[40]。然而，将它们从简单的物理实体转化为高度特异性的生物探针完全依赖于界面工程[41]、[42]、[43]。在靶向生物成像和生物传感的背景下，必须将纳米颗粒评估为仿生功能化的支架。它们的核心组成、表面化学和形态稳定性对于实现这些目标至关重要。

**表面功能化的分子印迹通用原理**
如前所述，纳米颗粒的独特性质为生物成像应用带来了显著优势。然而，它们在这一领域的应用目前受到分子识别能力有限、水溶性差、生物毒性高和稳定性不足等挑战的阻碍。这些缺点严重限制了纳米颗粒在先进生物成像中的潜力，尤其是在靶向生物医学应用中。

**表面功能化的分子印迹策略**
根据功能单体提供的相互作用，分子印迹可以大致分为三类：共价印迹、非共价印迹和混合印迹（共价和非共价印迹的结合）[109]、[110]。共价印迹依赖于有限的一组能够与模板形成共价键的功能单体。非共价印迹则使用多种功能单体，这些单体通过弱相互作用与模板结合。

**在生物成像中的应用**
生物成像涉及在细胞上或细胞内定位和定性或定量分析目标配体，通常使用特异性结合这些配体的标记蛋白或抗体。这项技术已成为识别和表征癌细胞的重要工具，因为癌细胞常常表达独特的过表达配体或生物标志物。作为具有优异识别性能的生物受体的有希望的合成替代品，MIPs显示出巨大的潜力。

**结论与展望**
在过去十年中，分子印迹已从一种小众的合成技术发展成为一种多功能的功能化成像纳米探针策略。正如本文所详述的，虽然早期方法奠定了基础，但该领域通过可控的表面工程策略（特别是分子印迹和包覆（MIC）以及反向微乳液限制表位导向的表面印迹和包覆（ROSIC）得到了显著进展。

**作者贡献声明**
高松：撰写——审稿与编辑、正式分析；郭占臣：撰写——审稿与编辑、原始草稿撰写、可视化；刘珍：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、概念化

**未引用参考文献**
[175]

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

**数据可用性**
本文描述的研究未使用任何数据。

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**致谢**
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