综述：用于感染性和炎症性疾病控制的创新纳米技术：从诊断到治疗

　　本综述系统探讨了纳米技术在感染性与炎症性疾病防治中的前沿应用，涵盖诊断（如量子点生物传感器）、治疗（如靶向药物递送系统）及疫苗研发（如脂质体纳米疫苗）等多领域。文章重点分析了各类纳米材料（如脂质体、聚合物纳米粒、无机纳米颗粒）的设计策略、作用机制及临床转化挑战，为开发精准高效的抗感染方案提供了重要参考。

　　

纳米技术在感染性与炎症性疾病防控中的革命性应用

引言：全球健康挑战与纳米技术的机遇

感染性疾病仍是全球健康的主要威胁，2019年导致约7.04亿伤残调整生命年（DALYs），占全球疾病总负担的27.7%，其中5岁以下儿童承担了65.5%的感染相关DALYs。结核病、疟疾和HIV/AIDS是主要致病病原体，而金黄色葡萄球菌和肺炎克雷伯菌等细菌也导致显著发病率和死亡率。传统治疗方法在面对快速进化的病原体和抗菌素耐药性时往往力不从心，纳米技术通过新颖的诊断、治疗和预防方法提供了有前景的解决方案。

纳米材料的多功能特性

纳米粒子（NPs）凭借其独特性质，在生物医学领域展现出多样化应用前景。脂质纳米粒（LNPs）、聚合物纳米粒（如PLGA）、无机纳米颗粒（如金、银、氧化铁）、碳基纳米材料（如碳纳米管、石墨烯）、外泌体和蛋白质基纳米颗粒等各类纳米结构，在疫苗增效、靶向给药和先进诊断能力方面表现出显著优势。这些材料可通过表面功能化修饰实现精确的靶向识别，并通过封装药物保护其免受酶降解和化学破坏，避免体循环过早清除，延长循环时间，更有效地穿透生物屏障。

纳米疫苗：新一代免疫策略

纳米疫苗利用纳米颗粒作为抗原载体，能更有效、精确地递送抗原，因其小尺寸和可调节结构可改善抗原储存和运输，增强免疫反应，并支持多种给药途径（包括静脉、口服和黏膜）。与传统疫苗相比，纳米疫苗平台能增强免疫反应的持久性和广度。

脂质体作为疫苗载体已被广泛应用，其高生物相容性和灵活的表面修饰特性使其成为递送疫苗的有效工具。目前已有多种脂质体产品进入临床试验，用于改善疟疾、流感、结核病和HIV的预防和治疗疫苗。市场化的脂质体疫苗如用于HPV的Cervarix?、用于流感的Inflexal?和用于甲型肝炎的Epaxal?，证明了脂质体技术在预防感染性疾病方面的成功应用。

聚合物纳米粒是一类多功能的纳米载体，因其生物相容性、可调节的理化性质和封装或展示抗原的能力而被广泛探索。它们通常由合成聚合物（如聚乳酸-羟基乙酸共聚物PLGA）或天然非蛋白质聚合物（如壳聚糖）制备，提供可控释放和增强抗原稳定性。蛋白质基聚合物纳米颗粒（如病毒样颗粒VLPs、铁蛋白纳米笼和工程蛋白质组装体）因其高度有序、重复的抗原呈递而具有 exceptional immunogenicity。

无机纳米颗粒（如金纳米颗粒AuNPs、硅基纳米颗粒SiONPs）在多种感染性疾病的疫苗开发中展现出潜力，提供改善的热稳定性、抗原递送和靶向能力。金纳米颗粒因其表面易于修饰并能帮助抗原穿透抗原呈递细胞，已被用于流感、HIV和结核病疫苗。硅基纳米颗粒能有效靶向树突状细胞，这是强效T细胞活化所必需的。

碳基纳米颗粒（如碳纳米管、氧化石墨烯和富勒烯复合物）作为疫苗开发中的有前景候选者，具有高比表面积、可定制的表面化学和生物相容性，使其成为合适的抗原递送载体。这些颗粒能有效将抗原呈递给免疫系统，增强感染性疾病中的体液和细胞介导反应。

外泌体是一类新型的天然纳米颗粒，在感染性疾病的疫苗开发中展现出巨大潜力。这些纳米级囊泡通过将脂质、蛋白质和RNA分子从宿主细胞转移到靶细胞来帮助细胞通信，其生物相容性和穿透生物屏障的先天能力增加了它们在疫苗开发中的实用性。外泌体基础疫苗通过其抗原呈递能力传递病毒或细菌蛋白来增强免疫反应。

纳米技术在靶向感染性疾病治疗中的应用

纳米粒子经过专门设计和工程化，能够实现靶向药物递送，提高治疗精度，最小化全身毒性，并提高感染部位的功效。功能化纳米粒子（如脂质体和聚合物系统）可以靶向与感染相关的特定蛋白质或细胞标记物。例如，用抗体修饰的脂质体可用于将药物直接递送到患有疟疾的红细胞，此特性显著提高了氯喹等治疗的效果。

纳米粒子可以与靶向配体（如抗体、适体和肽）结合，这些分子对细菌细胞表面或感染组织具有特异性，将纳米载体精确引导到所需位置。纳米粒子还能够共同递送多种治疗剂，支持在单个纳米载体中使用抗生素组合，增强治疗效果并促进协同效应。这种组合对于应对多药耐药感染这一日益严重的全球健康挑战至关重要。

生物膜的形成是一个重要的耐药机制，当细菌嵌入细胞外聚合物 substance（EPS）基质中时会发生这种情况。这些基质阻止抗生素的渗透并促进更深层次的代谢休眠。纳米粒子被用来克服这个问题。例如，科学家开发了具有鼠李糖脂壳的壳聚糖核心脂质聚合物纳米粒子来靶向幽门螺杆菌生物膜。这些纳米粒子通过鼠李糖脂介导的基质 destabilization、壳聚糖诱导的膜损伤和克拉霉素递送来破坏生物膜结构和EPS，而聚乙二醇化（PEGylation）则能够穿透黏液以有效根除细菌。

纳米诊断技术：精准检测感染原

纳米材料在医学诊断中的应用处于创新前沿，在病原体检测速度、灵敏度和准确性方面提供了显著改进。纳米技术集成到诊断系统中提供了无与伦比的疾病检测能力，从而实现及时有效的患者护理。

量子点纳米珠（QDNBs）由1-10纳米的半导体量子点组装成单个纳米结构组成，为感染性疾病检测提供了显著优势。它们的荧光特性（通过精确控制尺寸和组成可调）具有 exceptional photostability、高量子产率和 intense brightness。通过将多个量子点纳入一个珠子中，QDNBs产生放大的荧光信号，使其成为高度有效的成像和传感探针。

芯片实验室和微流控技术在临床环境中前景广阔。纳米技术（量子点）和微技术（微流控）已用于检测血清样本中的HIV、HBV和HCV。这种诊断方法可在1小时内准确识别低至100μL的血清中的多种感染，灵敏度超过美国食品药品监督管理局（FDA）批准平台的50倍。

纳米技术在调控感染性疾病炎症反应中的作用

虽然强烈的炎症反应对于清除病原体是必要的，但感染期间过度或不受控制的炎症可能导致严重的组织损伤和危及生命的并发症，如脓毒症、急性呼吸窘迫综合征（ARDS）或多器官功能衰竭。纳米技术提供了在感染背景下控制炎症的新方法，提高了诊断的准确性和治疗的有效性。

中性粒细胞对于对感染的初始免疫反应至关重要，但这些细胞的过度活化可能导致组织损伤、细胞因子风暴和多器官功能衰竭，特别是在像COVID-19这样的严重感染情况下。纳米技术提供了控制中性粒细胞活性和减少负面炎症反应的新方法。使用靶向中性粒细胞的纳米粒子是一个有前景的策略。

纳米技术在非感染性炎症性疾病中的应用

除了感染，炎症性疾病还源于异常的炎症反应和免疫系统反应失常。慢性非感染性关节炎，如类风湿关节炎（RA），是纳米技术可能产生变革的一个重要领域。正在探索纳米药物以特异性靶向发炎的关节并直接递送治疗剂，可能减少副作用并提高药物疗效。

纳米载体如脂质体、纳米凝胶和树枝状聚合物能够将治疗剂靶向递送到发炎组织。这种方法保护药物免受酶降解，限制不必要的全身暴露，并增强治疗效力。银纳米粒子（AgNPs）在非感染性应用中显示出前景，包括糖尿病和伤口愈合。它们表现出抗炎特性，通过促进更有效的伤口闭合和组织再生来帮助管理糖尿病伤口。

研究人员已经设计了纳米材料，用于精确递送治疗非感染性炎症性眼部疾病，如葡萄膜炎和巩膜炎。这些材料可以确保抗炎药物疗法的精确递送到眼睛，这是一个由于生理屏障而特别具有挑战性的区域。

纳米粒子作为计算机断层扫描（CT）成像中的对比剂已被用于炎症性肠病患者的胃肠道检查。此外，它们固有的抗炎能力可以通过清除活性氧（ROS）来帮助缓解炎症。

针对NF-κB信号通路的纳米粒子制剂正在被开发，以帮助患有炎症性肺病（如哮喘和慢性阻塞性肺病COPD）的患者。这些颗粒有助于减少炎症反应并保护肺组织免受持续损伤。

研究人员正在采用能够靶向心血管疾病中斑块形成和炎症信号的新方法。这些策略旨在通过靶向药物递送稳定斑块，降低心脏病发作和中风的发生率。

纳米粒子的临床前和临床应用

纳米粒子在感染性疾病中通过改善治疗剂的稳定性、生物利用度和靶向递送，显示了 revolutionize 药物递送机制的潜力。研究人员可以通过将药物封装在纳米粒子中来控制和延长药物的释放。这个过程确保药物以正确的浓度到达感染部位，同时最小化在 body as a whole 的副作用。这些能力对于实施更有效和患者友好的治疗方案至关重要。

针对具有挑战性的感染因子（包括性传播感染）的疫苗开发已显著受益于纳米粒子技术。纳米粒子作为有效的佐剂或载体，通过比传统方法更有效地递送抗原来增强免疫反应。这种方法放大了疫苗的保护作用，并促进了强大持久的免疫记忆的诱导。

长效注射用抗逆转录病毒药物是HIV的先进治疗方法，通过需要更少的剂量来帮助患者坚持用药。它们对于有吞咽困难的人尤其有益，例如患有某些喉咙感染的人。使用长效纳米粒子预防HIV的兴趣也日益增长，包括在暴露前和暴露后保护人们的方法。

疟疾治疗主要依赖化疗，特别是青蒿素为基础的联合疗法。然而，这些药物在低剂量时只能帮助缓解症状，因为它们没有被受感染的红细胞（RBCs）很好地吸收，这意味着需要更高剂量，这可能具有毒性并导致耐药性。通过使用负载到脂质体中的肝素和抗体将抗疟药物定向到受感染的红细胞的方法，看起来有望降低寄生虫数量。

已经开发了众多使用当前可用结核病（TB）药物的口服纳米技术，并在动物模型中进行了评估。为了改善利福平以及利福平、异烟肼和吡嗪酰胺组合在体内的吸收，固体脂质纳米粒子（SLNPs）已在啮齿类动物中进行了测试。

由于肺结核仍然是最流行的结核病类型，研究一直大量关注于结核病药物的可吸入纳米载体。科学家已经生产了雾化的固体脂质颗粒和海藻酸钠纳米粒子，其中包封了利福平、异烟肼和吡嗪酰胺。这些纳米粒子的目标是提高在肺部的靶向生物利用度并预防肝毒性。

挑战与未来方向

感染性疾病纳米粒子领域既提出了艰巨的挑战，也展现了有前景的未来方向，这些方向有可能改变治疗范式。基于纳米技术的药物通常成本高昂，使其临床使用充满困难。

制造、可扩展性和存储是三个最重要的方面。可能需要探索提高产量的策略和更具成本效益的新制造技术来实现降低成本的目标。此外，将生产扩大到实现商业规模同时保持一致性和质量需要先进的技术解决方案。

实现纳米粒子对感染细胞的精确靶向仍然是一个重大挑战，因为脱靶效应可能导致意外的副作用或功效降低。除了靶向限制外，纳米粒子的广泛使用引起了对其长期安全性和环境影响的担忧。

为了解决这些挑战，未来的策略正聚焦于更可持续和生物相容的方法，例如将纳米技术与天然化合物（如壳聚糖）整合，这些化合物提供改进的安全性和生物降解性。关于非侵入性给药方式（如口服或鼻内给药）的研究已显示出在使患者更容易遵循治疗和增加基于纳米粒子的疗法的使用方面的潜力。

此外，尖端方法正在涌现，特别是机器学习（ML）和人工智能（AI）在纳米医学领域的整合。ML模型可以分析关于纳米粒子组成、尺寸、表面电荷和生物相互作用的庞大数据集，以预测体内行为，包括生物分布、细胞摄取和免疫原性。这些工具使得能够合理、数据驱动地设计纳米粒子，显著减少实验性的 trial-and-error。AI还可以识别靶向递送的最佳配体，并预测潜在毒性，加速临床转化。

个性化医疗方法，利用纳米粒子结合基因分析，可以根据个体患者需求和感染特征定制治疗，从而改善结果。将纳米粒子与其他治疗方式整合提供了通过联合疗法克服耐药病原菌株的潜力。增加全球合作以共享研究、技术和资源将对使进步在全球范围内更易获得至关重要。最后，创新新的递送系统，特别是那些增强口服和非侵入性给药途径的系统，以提高患者依从性，将是至关重要的。