過去,對于病毒的研究主要集中在它的傳染性和將其作為工具來加深對細胞生物學的理解,然而隨著近年來對于病毒結構的研究深入,病毒在納米科技領域的應用日益受到人們的關注。通過化學或基因方法修飾過的病毒納米顆粒能夠作為潛在的優秀載體應用到多個方面,例如:藥物/基因輸送載體、高級疫苗載體以及各種具有特殊功能的無機、有機納米材料等。本文綜述了近來病毒納米顆粒在醫學領域的應用情況。
引用本文： 李凱, 張金玲, 王倩, 孫軍, 田國寧, 高彥, 房靈軍. 病毒納米顆粒在醫學領域的潛在應用. 生物醫學工程學雜志, 2014, 31(3): 718-722. doi: 10.7507/1001-5515.20140134 復制
引言
近年來，已開發出具有各種納米尺寸的生物材料并應用于醫學領域。納米顆粒獨特的性質使得它們比傳統的診斷或標記材料具有更高的性噪比，比傳統的靶向藥物具有更好的療效和更少的副作用。納米材料具有相對巨大的比表面積，比傳統的藥物傳送載體能夠容納更多的藥物或標記物；同時，通過對納米材料的修飾可以賦予它們特殊的配體，從而把藥物或者診斷物靶向輸送到特殊位點。病毒作為一種在自然界存在的生物體，本身具有納米級別的大小和形狀、高度對稱的三維蛋白結構、極好的生物相容性、優良的水溶性和可修飾性(基因修飾和化學修飾)，特別是一些從植物或者細菌中得到的病毒對人畜不會造成感染和危害，這些優點使病毒在醫學領域有著潛在的應用前景[1]。
1 病毒的基因修飾和化學修飾
1.1 基因修飾
病毒的外殼由蛋白質衣殼組裝而成，這些蛋白質衣殼的結構和物理化學性質可以通過基因手段進行修飾。由基因手段得到的納米材料在某些程度上要優于合成納米材料，因為化學合成手段不能保證100%的有效。通過基因修飾方法可以在病毒表面表達特定氨基酸、配體或者抗原。例如，從人類免疫缺陷病毒類型1(HIV-1)中得到的抗原決定基能夠通過基因修飾的方法在豇豆花葉病毒(cowpea mosaic virus,CPMV)表面表達，將此基因修飾后的病毒送入小鼠體內會誘導產生抗體[2]。Lin[3]課題組通過基因修飾的方法在CPMV外表面上特定部位插入半胱氨酸，這些半胱氨酸在pH為中性的條件下幾乎可以完全被低濃度的馬來酰亞胺親電子試劑修飾。
M13 噬菌體是一種被廣泛用于基因修飾的病毒，它的五種蛋白質衣殼P3、P6、P7、P8、P9都可被基因修飾來實現其特殊功能。“phage display”是修飾M13噬菌體最常用的技術，通過此技術噬菌體表面可被融合或者表達多種特殊多肽鏈。例如Belcher課題組在M13噬菌體的P8和P3蛋白質衣殼單元的N-末端上表達了一系列的多肽(A7、Z8、J140、CP7、FP12以及E4)[4]。這些多肽對于無機物離子有選擇性吸附的功能，這樣ZnS、CdS、CoPt、FePt以及Co3O4等無機納米線可與噬菌體通過組裝制備出來。Weiss課題組在M13噬菌體的P8蛋白質衣殼上成功表達了一些蛋白質單體如人類生長激素(hGH)以及鏈霉親和素等，這些研究成果也說明了此項技術可用于蛋白質的表達[5]。噬菌體的P6、P7以及P9蛋白質衣殼單元也可被用來表達一些單克隆的抗體并應用于藥物領域。
1.2 化學修飾
病毒是由蛋白質衣殼和遺傳物質組裝而成。隨著對病毒結構的進一步探索，特別是在X-單晶衍射儀以及高分辨電子顯微鏡的幫助下，多種病毒和噬菌體的三維結構得到精準的驗證。因此，盡管病毒體具有較大體積，它們仍然可以被理解為一種分子，而且對于這種分子選擇性的修飾是可以設計并實現的。這樣，病毒就可以被考慮作為納米級的模板來大量鏈接具有特殊功能的配體，而且這些配體可被安置在預先指定好的位置上，這是實現生物標記應用的前提。有些病毒不但在許多有機溶劑中呈現出優秀的穩定性(20%~70%的DMF、DMSO、乙腈等)，而且它們的納米結構在60~80 ℃的高溫下也不會被破壞，這樣對病毒的化學修飾也就成為了可能。病毒表面裸露的氨基酸殘基如賴氨酸、半胱氨酸、天冬氨酸以及谷氨酸等可以通過化學方法鏈接上抗體、聚核苷酸、肽鏈、蛋白質、糖類、熒光反應物以及藥物等小分子[6-8]。另外，經典的“click chemistry”為病毒提供了進一步的修飾可能。相關的化學方法已經在一些綜述上有所體現，這里就不多做說明。
2 病毒納米顆粒在醫學領域的應用
2.1 病毒納米顆粒在生物標記方面的應用
通過傳統的合成手段，化學家們可將熒光分子“固定”在病毒表面蛋白質衣殼上特殊、預先設計好的位置，在這些位置上熒光分子可以被很好地分散開來，同時它們之間的距離可以阻止熒光淬滅，從而得到“超亮” 的病毒顆粒。研究證明，超過40個熒光分子Cy5可分散鏈接在CPMV病毒的外表面上，病毒上蛋白質衣殼單元之間的間距可有效地將熒光分子分隔開來，在這種情況下熒光淬滅現象未被發現[9]。相同的現象也發生在蕪菁黃化花葉病毒上，40個羅丹明熒光分子可被安置在病毒體上特定的位置，由于病毒具有28 nm寬的直徑，而且熒光分子之間的距離足夠大，這就導致了隨病毒體上熒光分子數量的增加，病毒的熒光信號也隨之增強[10]。這樣制成的病毒熒光探針具有良好的熒光特性和優異的生物相容性，在生物標記應用方面具有很大潛力。
目前已有相關的報道證實病毒熒光探針可用于活體成像[11]。一個研究結果表明，被Oregon Green-488熒光分子修飾后的CPMV病毒顆粒可用來檢測其在活體小鼠體內的循環路徑[12]。通過熒光顯微鏡以及對病毒RNA的檢測，口服CPMV數天后可在小鼠體內脾、腎、肝、肺、胃、十二指腸、空腸、回腸、淋巴結以及大腦等組織中發現病毒顆粒。從小鼠組織中回收的病毒顆粒納米結構未受影響。這個結果支持了病毒是一類相當穩定的納米顆粒的說法，因為病毒體在小鼠體內經歷了一系列惡劣的環境，例如胃中降解和酸性環境，胰脂肪酶以及十二指腸中消化酶的作用等。
熒光分子修飾的CPMV病毒顆粒同樣也被用于對生物體中血管系統的成像[13]。與相同大小的熒光納米小球不同，病毒熒光顆粒在活體小鼠的血管內皮中依然保持單分散性，這樣可以采用高分辨熒光顯微鏡研究病毒在活體微血管和組織中的分布情況。相同情況也可在雞胚中發現，熒光修飾的CPMV病毒顆粒可迅速使胚胎和胚外血管成像，其提供的熒光信號在深入血管內壁500 μm后依然清晰顯現。新生血管和人體纖維肉瘤血管也能通過熒光修飾的CPMV病毒成像。由于病毒顆粒可以被內皮細胞內吞，因此熒光修飾的CPMV可用來識別動脈和靜脈血管以及對腫瘤微環境下的新生血管進行有效地監測。
病毒的一個天然特性是它們可以通過表面蛋白與宿主細胞表面相應受體進行特殊結合，這種特性也賦予了病毒應用于靶向運輸方面的極大優勢。犬細小病毒(canine parvovirus,CPV)是狗的一種病原菌病毒，這種病毒對于轉鐵蛋白受體具有很強的靶向作用，而轉鐵蛋白受體在很多癌細胞表面都有表達。移除CPV病毒中遺傳信息后，在不具備感染能力的病毒表面鏈接上熒光分子，通過熒光顯微鏡下拍攝的照片人們可以發現此時CPV類病毒體對于表達轉鐵蛋白受體的癌細胞具有較好的靶向作用[14]。
另外一個研究熱點是M13噬菌體，結合“phage diplay”技術與化學修飾，能夠生成一系列功能性的噬菌體，這些噬菌體對腫瘤有特殊靶向作用。Chen等[15]設計了一類嵌合體絲狀噬菌體，這類噬菌體的P3蛋白質衣殼上表達了αv整合素配體，同時其P8蛋白質衣殼上表達了鏈霉親和素配體。這種噬菌體不僅僅能用來引導熒光量子點進入KS1767細胞，同時也可用于活體腫瘤細胞的成像。Li等[6]采用化學修飾的方法在M13表面P8蛋白上引入高濃度的熒光素分子，并在此基礎上進一步對其表面改性，引入癌細胞靶向分子葉酸，雙修飾的M13噬菌體能夠有效地標記KB癌細胞。
病毒納米顆粒還可以用來進行非侵入性生物標記技術的研究，例如核磁共振成像和正電子發射斷層掃描技術(positron emission computed tomography,PET)。近來，在CPMV、豇豆褪綠斑駁病毒以及MS2噬菌體等病毒納米顆粒上引入核磁共振成像造影劑釓[16]。由于病毒納米顆粒的直徑大多分布在5~100 nm之間，因此較大的比表面積允許它們承載數以百計的釓離子；同時，病毒納米顆粒具有精確的分子結構和較大的扭轉系數，能夠提供很高的弛豫度。Meidrum等[17]通過化學修飾法在MS2噬菌體內壁接入cryptophane-A，大大提高了對29Xe的溶解性并顯示出較高的化學交換飽和轉移敏感性。
近期，已開發病毒納米顆粒用于PET的成像。例如，將MS2顆粒用18F-氟苯甲醛修飾并注入大鼠體內。結果表明，修飾過的MS2顆粒在大鼠體內能夠快速被儀器捕捉到，并能持續至少3 h以上。在另一個研究中，氧化鐵納米材料和18F-fluoride被封裝入仙臺病毒中，此病毒可以獲得很高PET分辨率[18]。
2.2 靶向輸送
使用納米顆粒作為藥物靶向輸送載體在疾病診斷和治療方面有很重要的意義，一方面納米顆粒在收集信號的時候具有很高的信噪比，能有效去除背景干擾，另一方面納米顆粒在輸送藥物時能夠在局部產生高濃度的藥物分子，有效地降低藥物副作用。通過“phage display”技術建立起龐大的噬菌體庫能夠有效篩選到對細胞特殊靶向的配體。近兩年來，隨著基因和化學技術的快速發展，多種對癌細胞有特殊靶向作用的病毒納米顆粒被制備出來，例如CPMV、HCSRV(Hibiscus chlorotic ringspot virus)、 RCNMV(Red clover necrotic mosaic virus)、HK97噬菌體，以及葉酸或轉鐵蛋白修飾的M13噬菌體等[19]。Georgiou課題組通過基因方法在CPMV上表達F56多肽，這種多肽對血管內皮生長因子1有特定吸附作用[20]。這種特定吸附作用可以使CPMV納米顆粒聚集在過量表達血管內皮生長因子1的HT-29細胞中。通過這種手段制備的CPMV顆粒還可以穿透內皮層，靶向識別腫瘤。
一些藥物，例如阿維素、紫杉醇、潮霉素和其它細胞毒素通過各種方式裝載到RCNMV、HCSRV、MS2以及M13等病毒納米顆粒上，通過這些納米顆粒來殺死癌癥細胞，例如，M13噬菌體的表面蛋白質衣殼通過典型的NHS反應可將葉酸鏈接到其表面，并對腫瘤細胞KB有很強的靶向標記效果[6]。在溶液中與非親水化合物阿維素組裝，形成核/殼共聚納米小球，這種基于病毒的納米小球具有較高的載藥率，并能在模擬腫瘤的酸性環境中緩慢釋放藥物阿維素，細胞實驗表明其對KB癌細胞有靶向殺滅作用[21]。類似的，氯霉素修飾的M13噬菌體被用于輸送抗生素到細菌體內，從而更有效地殺死細菌[22]。另外，可以通過運送光敏劑來進行光能療法，例如，以CPMV和Qβ為載體運送C60[23]，豇豆褪綠斑駁病毒與釕偶合產生的納米小球靶向治療葡萄球菌[24]，以及以MS2噬菌體為載體運送卟啉到T細胞來治療白血病等[25]。
這些研究展示了病毒納米顆粒在生物成像和藥物輸送方面具有非常廣闊的應用前景。
2.3 疫苗制備
病毒的多配體特性在疫苗的研制和開發方面具有相當明顯的優勢。首先，病毒表面存在高度規整的蛋白質衣殼，這些蛋白質衣殼對于誘發細胞的免疫反應非常有利，特別是誘發對于B細胞的免疫反應。目前采用三種手段來制備病毒疫苗：① 采用化學方法使病毒滅活；② 采用異源表達系統制備無遺傳物質、無傳染性的病毒；③ 通過基因改性手段制備嵌合病毒[26]。雖然病毒對于免疫系統的刺激反應對于開發疫苗十分有利，然而這項特性會消弱病毒作為納米材料在熒光標記底物和藥物輸送方面的效率。在病毒外表面覆蓋聚乙烯是繞過免疫系統的一個有效方法，聚乙烯的存在可以減弱病毒的免疫原性和生物特異性反應，同時增加等離子體循環時間和穩定性。
2.4 病毒的自組裝及其對細胞生長的導向作用
由于M13噬菌體具有可同時進行化學修飾和基因修飾的性質以及獨特的針狀柔性結構，近年來是各類研究的熱點。Rong等[27]發現M13噬菌體溶液可以在玻璃表面自然干燥后形成規整的具有一定方向性的薄膜，細胞可在其表面生長，并且受噬菌體的影響具有一定的生長方向。通過機械拉膜的方法還可以控制薄膜的厚度和薄膜的方向和形貌，從而更好地控制細胞的生長和生長方向。Yoo等[28]通過“phage display“的方法將從膠原中得到的天冬氨酸-甘氨酸-谷氨酸-丙氨酸(Asp-Gly-Glu-Ala,DGEA)多肽表達于M13噬菌體的表面，從而對細胞的分化進行控制。這些研究揭示了病毒可作為控制細胞生長和細胞遷移的材料。另一個更深入的研究解釋了M13噬菌體薄膜形態對于細胞生長的影響[29]。制備的M13噬菌體薄膜在顯微鏡下可以看到很多溝槽，其中沿著薄膜方向高度在40~80 nm之間，平均高度為60 nm，垂直于薄膜方向的高度在60~110 nm之間，平均高度為100 nm，可能就是這些特殊的溝槽結構迫使細胞沿著一定方向生長。
綜上所述，與合成的納米顆粒相比，病毒納米顆粒具有更好的顆粒均一性(形狀、大小、結構都很單一)，很好的水溶性和穩定性，結構可以精確到原子級別，并且可以方便地進行化學和基因修飾，因此它們在醫學領域具有很廣泛的應用前景，表 1總結了近幾年來的研究成果。病毒納米顆粒雖然具有以上優點，但同時也有很多缺點。首先，它們在有機溶劑中的穩定性較差。其次，它們是由氨基酸組成的，氨基酸只有20種，因此功能性受到限制。蛋白酶、pH值、離子強度以及溫度對于病毒納米顆粒的穩定性都有著很大影響。這些問題還要在下一步研究中有針對地解決。
表1
近幾年來病毒納米顆粒在醫學方面的應用舉例
Table1.
Recent medical applications of nanoscale viruses
3 發展前景
病毒納米顆粒為未來醫學領域的發展提供了一種新的材料，它們可以用于疾病預防、診斷、監測以及治療等方面。化學和基因修飾方法能夠為它們提供各種各樣的功能，例如裝載藥物、毒素、熒光染料、抗原決定基以及特殊配體等。另外，病毒還可以通過自組裝的方式包載以上物質并實現其醫學應用。與合成的納米材料相比，病毒的這些特性更有利于醫學方面的應用。然而，病毒除了有這些優點之外，其毒性和對生物體免疫系統造成的影響需重點關注。通過移除病毒的遺傳物質及在其表面鏈接高分子的方法可分別削弱其毒性和免疫應答現象。
引言
近年來，已開發出具有各種納米尺寸的生物材料并應用于醫學領域。納米顆粒獨特的性質使得它們比傳統的診斷或標記材料具有更高的性噪比，比傳統的靶向藥物具有更好的療效和更少的副作用。納米材料具有相對巨大的比表面積，比傳統的藥物傳送載體能夠容納更多的藥物或標記物；同時，通過對納米材料的修飾可以賦予它們特殊的配體，從而把藥物或者診斷物靶向輸送到特殊位點。病毒作為一種在自然界存在的生物體，本身具有納米級別的大小和形狀、高度對稱的三維蛋白結構、極好的生物相容性、優良的水溶性和可修飾性(基因修飾和化學修飾)，特別是一些從植物或者細菌中得到的病毒對人畜不會造成感染和危害，這些優點使病毒在醫學領域有著潛在的應用前景[1]。
1 病毒的基因修飾和化學修飾
1.1 基因修飾
病毒的外殼由蛋白質衣殼組裝而成，這些蛋白質衣殼的結構和物理化學性質可以通過基因手段進行修飾。由基因手段得到的納米材料在某些程度上要優于合成納米材料，因為化學合成手段不能保證100%的有效。通過基因修飾方法可以在病毒表面表達特定氨基酸、配體或者抗原。例如，從人類免疫缺陷病毒類型1(HIV-1)中得到的抗原決定基能夠通過基因修飾的方法在豇豆花葉病毒(cowpea mosaic virus,CPMV)表面表達，將此基因修飾后的病毒送入小鼠體內會誘導產生抗體[2]。Lin[3]課題組通過基因修飾的方法在CPMV外表面上特定部位插入半胱氨酸，這些半胱氨酸在pH為中性的條件下幾乎可以完全被低濃度的馬來酰亞胺親電子試劑修飾。
M13 噬菌體是一種被廣泛用于基因修飾的病毒，它的五種蛋白質衣殼P3、P6、P7、P8、P9都可被基因修飾來實現其特殊功能。“phage display”是修飾M13噬菌體最常用的技術，通過此技術噬菌體表面可被融合或者表達多種特殊多肽鏈。例如Belcher課題組在M13噬菌體的P8和P3蛋白質衣殼單元的N-末端上表達了一系列的多肽(A7、Z8、J140、CP7、FP12以及E4)[4]。這些多肽對于無機物離子有選擇性吸附的功能，這樣ZnS、CdS、CoPt、FePt以及Co3O4等無機納米線可與噬菌體通過組裝制備出來。Weiss課題組在M13噬菌體的P8蛋白質衣殼上成功表達了一些蛋白質單體如人類生長激素(hGH)以及鏈霉親和素等，這些研究成果也說明了此項技術可用于蛋白質的表達[5]。噬菌體的P6、P7以及P9蛋白質衣殼單元也可被用來表達一些單克隆的抗體并應用于藥物領域。
1.2 化學修飾
病毒是由蛋白質衣殼和遺傳物質組裝而成。隨著對病毒結構的進一步探索，特別是在X-單晶衍射儀以及高分辨電子顯微鏡的幫助下，多種病毒和噬菌體的三維結構得到精準的驗證。因此，盡管病毒體具有較大體積，它們仍然可以被理解為一種分子，而且對于這種分子選擇性的修飾是可以設計并實現的。這樣，病毒就可以被考慮作為納米級的模板來大量鏈接具有特殊功能的配體，而且這些配體可被安置在預先指定好的位置上，這是實現生物標記應用的前提。有些病毒不但在許多有機溶劑中呈現出優秀的穩定性(20%~70%的DMF、DMSO、乙腈等)，而且它們的納米結構在60~80 ℃的高溫下也不會被破壞，這樣對病毒的化學修飾也就成為了可能。病毒表面裸露的氨基酸殘基如賴氨酸、半胱氨酸、天冬氨酸以及谷氨酸等可以通過化學方法鏈接上抗體、聚核苷酸、肽鏈、蛋白質、糖類、熒光反應物以及藥物等小分子[6-8]。另外，經典的“click chemistry”為病毒提供了進一步的修飾可能。相關的化學方法已經在一些綜述上有所體現，這里就不多做說明。
2 病毒納米顆粒在醫學領域的應用
2.1 病毒納米顆粒在生物標記方面的應用
通過傳統的合成手段，化學家們可將熒光分子“固定”在病毒表面蛋白質衣殼上特殊、預先設計好的位置，在這些位置上熒光分子可以被很好地分散開來，同時它們之間的距離可以阻止熒光淬滅，從而得到“超亮” 的病毒顆粒。研究證明，超過40個熒光分子Cy5可分散鏈接在CPMV病毒的外表面上，病毒上蛋白質衣殼單元之間的間距可有效地將熒光分子分隔開來，在這種情況下熒光淬滅現象未被發現[9]。相同的現象也發生在蕪菁黃化花葉病毒上，40個羅丹明熒光分子可被安置在病毒體上特定的位置，由于病毒具有28 nm寬的直徑，而且熒光分子之間的距離足夠大，這就導致了隨病毒體上熒光分子數量的增加，病毒的熒光信號也隨之增強[10]。這樣制成的病毒熒光探針具有良好的熒光特性和優異的生物相容性，在生物標記應用方面具有很大潛力。
目前已有相關的報道證實病毒熒光探針可用于活體成像[11]。一個研究結果表明，被Oregon Green-488熒光分子修飾后的CPMV病毒顆粒可用來檢測其在活體小鼠體內的循環路徑[12]。通過熒光顯微鏡以及對病毒RNA的檢測，口服CPMV數天后可在小鼠體內脾、腎、肝、肺、胃、十二指腸、空腸、回腸、淋巴結以及大腦等組織中發現病毒顆粒。從小鼠組織中回收的病毒顆粒納米結構未受影響。這個結果支持了病毒是一類相當穩定的納米顆粒的說法，因為病毒體在小鼠體內經歷了一系列惡劣的環境，例如胃中降解和酸性環境，胰脂肪酶以及十二指腸中消化酶的作用等。
熒光分子修飾的CPMV病毒顆粒同樣也被用于對生物體中血管系統的成像[13]。與相同大小的熒光納米小球不同，病毒熒光顆粒在活體小鼠的血管內皮中依然保持單分散性，這樣可以采用高分辨熒光顯微鏡研究病毒在活體微血管和組織中的分布情況。相同情況也可在雞胚中發現，熒光修飾的CPMV病毒顆粒可迅速使胚胎和胚外血管成像，其提供的熒光信號在深入血管內壁500 μm后依然清晰顯現。新生血管和人體纖維肉瘤血管也能通過熒光修飾的CPMV病毒成像。由于病毒顆粒可以被內皮細胞內吞，因此熒光修飾的CPMV可用來識別動脈和靜脈血管以及對腫瘤微環境下的新生血管進行有效地監測。
病毒的一個天然特性是它們可以通過表面蛋白與宿主細胞表面相應受體進行特殊結合，這種特性也賦予了病毒應用于靶向運輸方面的極大優勢。犬細小病毒(canine parvovirus,CPV)是狗的一種病原菌病毒，這種病毒對于轉鐵蛋白受體具有很強的靶向作用，而轉鐵蛋白受體在很多癌細胞表面都有表達。移除CPV病毒中遺傳信息后，在不具備感染能力的病毒表面鏈接上熒光分子，通過熒光顯微鏡下拍攝的照片人們可以發現此時CPV類病毒體對于表達轉鐵蛋白受體的癌細胞具有較好的靶向作用[14]。
另外一個研究熱點是M13噬菌體，結合“phage diplay”技術與化學修飾，能夠生成一系列功能性的噬菌體，這些噬菌體對腫瘤有特殊靶向作用。Chen等[15]設計了一類嵌合體絲狀噬菌體，這類噬菌體的P3蛋白質衣殼上表達了αv整合素配體，同時其P8蛋白質衣殼上表達了鏈霉親和素配體。這種噬菌體不僅僅能用來引導熒光量子點進入KS1767細胞，同時也可用于活體腫瘤細胞的成像。Li等[6]采用化學修飾的方法在M13表面P8蛋白上引入高濃度的熒光素分子，并在此基礎上進一步對其表面改性，引入癌細胞靶向分子葉酸，雙修飾的M13噬菌體能夠有效地標記KB癌細胞。
病毒納米顆粒還可以用來進行非侵入性生物標記技術的研究，例如核磁共振成像和正電子發射斷層掃描技術(positron emission computed tomography,PET)。近來，在CPMV、豇豆褪綠斑駁病毒以及MS2噬菌體等病毒納米顆粒上引入核磁共振成像造影劑釓[16]。由于病毒納米顆粒的直徑大多分布在5~100 nm之間，因此較大的比表面積允許它們承載數以百計的釓離子；同時，病毒納米顆粒具有精確的分子結構和較大的扭轉系數，能夠提供很高的弛豫度。Meidrum等[17]通過化學修飾法在MS2噬菌體內壁接入cryptophane-A，大大提高了對29Xe的溶解性并顯示出較高的化學交換飽和轉移敏感性。
近期，已開發病毒納米顆粒用于PET的成像。例如，將MS2顆粒用18F-氟苯甲醛修飾并注入大鼠體內。結果表明，修飾過的MS2顆粒在大鼠體內能夠快速被儀器捕捉到，并能持續至少3 h以上。在另一個研究中，氧化鐵納米材料和18F-fluoride被封裝入仙臺病毒中，此病毒可以獲得很高PET分辨率[18]。
2.2 靶向輸送
使用納米顆粒作為藥物靶向輸送載體在疾病診斷和治療方面有很重要的意義，一方面納米顆粒在收集信號的時候具有很高的信噪比，能有效去除背景干擾，另一方面納米顆粒在輸送藥物時能夠在局部產生高濃度的藥物分子，有效地降低藥物副作用。通過“phage display”技術建立起龐大的噬菌體庫能夠有效篩選到對細胞特殊靶向的配體。近兩年來，隨著基因和化學技術的快速發展，多種對癌細胞有特殊靶向作用的病毒納米顆粒被制備出來，例如CPMV、HCSRV(Hibiscus chlorotic ringspot virus)、 RCNMV(Red clover necrotic mosaic virus)、HK97噬菌體，以及葉酸或轉鐵蛋白修飾的M13噬菌體等[19]。Georgiou課題組通過基因方法在CPMV上表達F56多肽，這種多肽對血管內皮生長因子1有特定吸附作用[20]。這種特定吸附作用可以使CPMV納米顆粒聚集在過量表達血管內皮生長因子1的HT-29細胞中。通過這種手段制備的CPMV顆粒還可以穿透內皮層，靶向識別腫瘤。
一些藥物，例如阿維素、紫杉醇、潮霉素和其它細胞毒素通過各種方式裝載到RCNMV、HCSRV、MS2以及M13等病毒納米顆粒上，通過這些納米顆粒來殺死癌癥細胞，例如，M13噬菌體的表面蛋白質衣殼通過典型的NHS反應可將葉酸鏈接到其表面，并對腫瘤細胞KB有很強的靶向標記效果[6]。在溶液中與非親水化合物阿維素組裝，形成核/殼共聚納米小球，這種基于病毒的納米小球具有較高的載藥率，并能在模擬腫瘤的酸性環境中緩慢釋放藥物阿維素，細胞實驗表明其對KB癌細胞有靶向殺滅作用[21]。類似的，氯霉素修飾的M13噬菌體被用于輸送抗生素到細菌體內，從而更有效地殺死細菌[22]。另外，可以通過運送光敏劑來進行光能療法，例如，以CPMV和Qβ為載體運送C60[23]，豇豆褪綠斑駁病毒與釕偶合產生的納米小球靶向治療葡萄球菌[24]，以及以MS2噬菌體為載體運送卟啉到T細胞來治療白血病等[25]。
這些研究展示了病毒納米顆粒在生物成像和藥物輸送方面具有非常廣闊的應用前景。
2.3 疫苗制備
病毒的多配體特性在疫苗的研制和開發方面具有相當明顯的優勢。首先，病毒表面存在高度規整的蛋白質衣殼，這些蛋白質衣殼對于誘發細胞的免疫反應非常有利，特別是誘發對于B細胞的免疫反應。目前采用三種手段來制備病毒疫苗：① 采用化學方法使病毒滅活；② 采用異源表達系統制備無遺傳物質、無傳染性的病毒；③ 通過基因改性手段制備嵌合病毒[26]。雖然病毒對于免疫系統的刺激反應對于開發疫苗十分有利，然而這項特性會消弱病毒作為納米材料在熒光標記底物和藥物輸送方面的效率。在病毒外表面覆蓋聚乙烯是繞過免疫系統的一個有效方法，聚乙烯的存在可以減弱病毒的免疫原性和生物特異性反應，同時增加等離子體循環時間和穩定性。
2.4 病毒的自組裝及其對細胞生長的導向作用
由于M13噬菌體具有可同時進行化學修飾和基因修飾的性質以及獨特的針狀柔性結構，近年來是各類研究的熱點。Rong等[27]發現M13噬菌體溶液可以在玻璃表面自然干燥后形成規整的具有一定方向性的薄膜，細胞可在其表面生長，并且受噬菌體的影響具有一定的生長方向。通過機械拉膜的方法還可以控制薄膜的厚度和薄膜的方向和形貌，從而更好地控制細胞的生長和生長方向。Yoo等[28]通過“phage display“的方法將從膠原中得到的天冬氨酸-甘氨酸-谷氨酸-丙氨酸(Asp-Gly-Glu-Ala,DGEA)多肽表達于M13噬菌體的表面，從而對細胞的分化進行控制。這些研究揭示了病毒可作為控制細胞生長和細胞遷移的材料。另一個更深入的研究解釋了M13噬菌體薄膜形態對于細胞生長的影響[29]。制備的M13噬菌體薄膜在顯微鏡下可以看到很多溝槽，其中沿著薄膜方向高度在40~80 nm之間，平均高度為60 nm，垂直于薄膜方向的高度在60~110 nm之間，平均高度為100 nm，可能就是這些特殊的溝槽結構迫使細胞沿著一定方向生長。
綜上所述，與合成的納米顆粒相比，病毒納米顆粒具有更好的顆粒均一性(形狀、大小、結構都很單一)，很好的水溶性和穩定性，結構可以精確到原子級別，并且可以方便地進行化學和基因修飾，因此它們在醫學領域具有很廣泛的應用前景，表 1總結了近幾年來的研究成果。病毒納米顆粒雖然具有以上優點，但同時也有很多缺點。首先，它們在有機溶劑中的穩定性較差。其次，它們是由氨基酸組成的，氨基酸只有20種，因此功能性受到限制。蛋白酶、pH值、離子強度以及溫度對于病毒納米顆粒的穩定性都有著很大影響。這些問題還要在下一步研究中有針對地解決。
表1
近幾年來病毒納米顆粒在醫學方面的應用舉例
Table1.
Recent medical applications of nanoscale viruses
3 發展前景
病毒納米顆粒為未來醫學領域的發展提供了一種新的材料，它們可以用于疾病預防、診斷、監測以及治療等方面。化學和基因修飾方法能夠為它們提供各種各樣的功能，例如裝載藥物、毒素、熒光染料、抗原決定基以及特殊配體等。另外，病毒還可以通過自組裝的方式包載以上物質并實現其醫學應用。與合成的納米材料相比，病毒的這些特性更有利于醫學方面的應用。然而，病毒除了有這些優點之外，其毒性和對生物體免疫系統造成的影響需重點關注。通過移除病毒的遺傳物質及在其表面鏈接高分子的方法可分別削弱其毒性和免疫應答現象。
