综述：通过绿色合成可持续生产微藻纳米颗粒用于癌症治疗

　　本综述系统阐述了微藻纳米颗粒（NPs）的绿色合成方法、作用机制及应用前景。文章重点探讨了微藻合成金属纳米颗粒（如AgNPs、AuNPs）的可持续工艺，详细分析了其通过诱导氧化应激（ROS）、线粒体功能障碍和DNA损伤等途径抑制癌细胞增殖的分子机制，并展望了合成生物学与基因工程微藻在纳米药物领域的应用潜力。

　　

微藻纳米颗粒的绿色合成与抗癌应用

2 用于癌症治疗的微藻基纳米颗粒绿色合成

纳米颗粒因其小尺寸（纳米级）带来的大表面积，能够轻松跨越细胞-组织屏障到达靶点。传统抗癌药物如喜树碱因溶解性差难以应用，而纳米技术通过将疏水性药物封装在纳米颗粒中改善其溶解性，使药物能在靶点稳定释放。纳米制剂具有更好的溶解性、靶点蓄积性、半衰期延长、毒性降低和成本稳定等优势，并能帮助生物活性化合物逃避免疫系统抵达病变细胞。

微藻基绿色合成纳米颗粒因无需高温高压和有毒化学试剂的环保特性而备受青睐。其制备过程包括胁迫条件下的微藻细胞培养（上游处理USP）和微藻生物质收获（下游处理DSP）。研究显示，小球藻、螺旋藻和栅藻等多种微藻可用于银纳米颗粒（AgNPs）的合成，通过将生物质悬浮于硝酸银溶液中，经透射电镜（TEM）、紫外光谱和能量色散X射线光谱（EDX）表征后评估其抗癌活性。同样，盐生杜氏藻合成的金纳米颗粒（AuNPs）通过培养、生物质收获、悬浮于氯化银溶液及离心等步骤制备，并通过TEM、FTIR和XPS进行表征。

2.1 影响微藻基纳米颗粒绿色合成的因素

纳米颗粒的最佳产量取决于温度、pH、反应物浓度、反应时间、封端剂和生物选择等因素，这些因素直接影响纳米颗粒的形态、尺寸和稳定性，进而决定其毒性。

温度：化学法合成受温度影响显著，物理法需350°C高温，而微藻纳米颗粒合成仅需100°C，高温可提高还原速率。

pH：pH值影响纳米颗粒的形状和尺寸。低pH导致SPR峰变宽并红移，产生多样形态（如三角形或圆形）；高pH则有利于形成小尺寸球形纳米颗粒，且在碱性或酸性环境中具有额外稳定性。

反应物浓度：不同浓度的藻类提取物对纳米颗粒生成有不同影响。例如，小球藻提取物中还原剂浓度对硒颗粒尺寸和数量的影响显示，反应缓慢和提取物形状导向可导致单晶硒纳米管形成。

反应时间：反应时间是关键因素。接触时间增加和微藻与银离子（Ag⁺）相互作用增强，会提高SPR峰强度并促进无团聚AgNPs的快速生物合成。

微藻菌株选择：成本效益不仅取决于理化参数，还取决于微藻的内在特性（生化途径、生长速率和酶活性）、接种物大小和生物催化剂选择。全细胞和酶均可作为生物催化剂，活细胞因能回收辅酶而更具效率。

封端剂：为提高稳定性防止团聚和氧化，需使用有机保护配体。其头基高亲和力结合金属表面，烷基间隔基调控颗粒间距，功能尾基影响溶解度和表面反应性。配体类型（如二硫化物、铵、硫醇或柠檬酸盐）和封端程度可系统改变纳米颗粒的尺寸、形状和配体-金属比例，直接影响其化学物理性质。

3 微藻纳米颗粒的合成机制

微藻用于制备金属纳米颗粒，其抗癌应用得益于微藻 phytochemicals 中的羧基、氨基和羟基等功能基团，这些基团协助金属还原并作为封端剂（提供纳米颗粒涂层）。纳米颗粒的形成可通过细胞内合成（细胞内的化合物进行还原）或细胞外合成（细胞外的化合物进行还原）实现。

细胞内合成中，微藻细胞吸收金属离子后，通过微藻代谢物还原为纳米颗粒，随后从细胞内提取；细胞外合成则通过分泌的代谢物在细胞外（细胞表面或藻类提取物溶液中）还原金属离子。两种方式中，微藻代谢物/生物活性化合物均充当还原剂（通过提供电子将金属离子还原为纳米颗粒）和封端剂（稳定并防止团聚）。合成还依赖于微藻的生长特性和环境因素（金属离子浓度、pH、温度等），这些因素决定了纳米颗粒的结构和稳定性，以适应生物医学应用。

生物还原过程包括活化、生长和终止阶段。活化期金属离子还原并成核；生长期小纳米颗粒聚集成热力学稳定的大颗粒；终止期以生物矿化（无机-有机复合材料）和纳米颗粒稳定化为标志。合成的一般步骤包括：将微藻提取物加入金属离子溶液，通过功能基团还原金属离子；离心后孵育，颜色变化（如黄变紫）标志还原成功；通过TEM、EDX、FTIR和UV-VIS等技术表征纳米颗粒的尺寸、元素组成、稳定生物分子和结构特性。

微藻选择取决于其携带的生物分子包，这些分子决定金属离子稳定化及纳米颗粒类型。选择过程需系统识别目标金属纳米颗粒和应用领域，验证特定微藻的合成能力，确定生长动力学和金属摄取，优化反应条件（温度、pH、反应时间）以获得更佳尺寸、形状和功能，最后表征纳米颗粒的结构化学性质以适应生物医学应用。

4 合成微藻纳米颗粒的表征

纳米颗粒的表征通过显微镜、光谱和X射线技术确定其微观结构和材料性能。先进技术如纳米二次离子质谱（nanoSIMS）利用同位素标记分析完整生物系统，区分同位素并结合高空间分辨率和原子敏感性。Zeta电位（电动电位）用于测量纳米颗粒表面电荷，指示其稳定性。其他技术包括核磁共振（NMR）分析尺寸、原子组成、电子核心结构、配体密度和影响；动态光散射（DLS）检测团聚体和流体动力学尺寸；SQUID-nanoSQUID分析磁化强度；液相TEM实时研究生长机制；高分辨TEM区分非晶、多晶和单晶纳米颗粒；电子衍射研究晶格和长程有序参数；冷冻TEM探索聚集途径；电子断层扫描实现3D颗粒可视化；电子背散射衍射（EBSD）检查微观结构、纹理和缺陷；磁力显微镜（MFM）提供磁矩信息并区分磁性纳米颗粒。

5 微藻纳米颗粒在癌症治疗中的应用

微藻是甾醇、多糖、脂肪酸、藻胆蛋白、酚类和维生素等生物活性化合物的宝库，这些化合物在预防或治疗癌症中发挥主要作用。

5.1 微藻纳米颗粒在癌症治疗中的作用机制

微藻通过四种主要方式影响癌细胞：降低微管蛋白聚合结合能力抑制微管合成（如黄瓜素A）；改变COX-2、MMP-9、MMP-2和ERK-2表达降低侵袭能力；减少血管内皮生长因子（VEGF）（如岩藻聚糖）产生抗血管生成活性；增加fas、ICAM（细胞间粘附分子）和减少bcl2（如C-藻蓝蛋白）激活caspase 2 3 4 6 8 9 10。微藻直接通过五种方式影响癌症：多不饱和脂肪酸（如DHA）导致DNA断裂；降低线粒体膜电位；激活ERK增加p27（如虾青素和DHA）；调节NF-κB（如虾青素）；增加细胞色素C、p53和bax水平导致细胞周期停滞和抗增殖效应。以上因素共同诱导癌细胞凋亡。微藻AgNPs通过破坏细胞膜、抑制电子传递链、引起氧化应激、线粒体功能障碍、DNA损伤和核糖体 destabilization 导致蛋白质损伤，最终引起细胞死亡。

5.2 细胞系研究和微藻纳米颗粒的毒性研究

纳米颗粒的细胞毒性、遗传毒性和免疫毒性已被广泛研究，其毒性取决于结构、尺寸和材料。生物合成纳米颗粒（尤其是微藻纳米颗粒）对正常细胞毒性较低。例如，盐生杜氏藻合成的金纳米颗粒对癌细胞（MCF7）有细胞毒性，但对正常细胞（MCF10A）无负面影响；紫色细菌合成的AgNPs对MCF-7和HeLa细胞系有抗增殖作用，且对正常细胞无害；硬石莼合成的AgNPs对乳腺癌细胞系MCF-7致命，但对正常细胞无细胞毒性。然而，金属纳米颗粒对正常细胞具有高毒性：氧化铝纳米颗粒降低细胞活力、增加氧化应激、改变线粒体功能和血脑屏障蛋白表达；铜纳米颗粒导致肾、脾和肝损伤；银纳米颗粒在多个器官蓄积，可跨越血脑屏障进入大脑，引起ROS形成和细胞存活毒性；锌基纳米材料造成细胞膜损伤、细胞毒性和氧化应激增强。

6 微藻纳米颗粒绿色合成的技术挑战

微藻纳米颗粒的绿色合成始于微藻细胞培养和收获，常用批次和补料批次或连续培养模式。生物质收获成本占下游过程价格的近30%，成为商业化的重要瓶颈。由于微藻细胞密度低、带负电荷悬浮，收获过程成本高、耗能大。沉降、超声波、离心、过滤和浮选等多种方法被用于最大化生物质产量，但不如絮凝法实用高效。絮凝剂的使用可能污染浆液浓缩物，降低生物质市场价值，并难以分离有价值化合物。因此，改进收获技术是降低成本的关键。

纳米颗粒在生物医学中的应用最为脆弱，纳米毒性与生物分子的相互作用复杂，评估其在活体系统中的毒性极具挑战。研究人员在评估溶液状、粉末状纳米材料及应对生物系统时面临多种方法学困难，评价工具和表征程序至关重要，而细胞毒性 assay 需考虑纳米颗粒形状、尺寸和形态。

7 微藻纳米颗粒绿色合成的趋势、范围和可持续性方面

自纳米颗粒发现以来，物理和化学方法一直占主导。2009年起，生物合成方法逐渐兴起，因其可持续性和优势，微藻合成纳米颗粒的研究日益增多。然而，合成纳米颗粒的应用部分仍有待探索，特别是在癌症诊断中的作用。已报道的微藻纳米颗粒增加了进一步研究其诊断和治疗潜力的范围。

7.1 微藻纳米颗粒绿色合成的可持续性特征

采用绿色合成路线带来经济和环境可持续性。环境可持续性涉及资源高效利用和代际传承。微藻利用阳光、二氧化碳和无机营养物（如氮和磷）生长，利用大气CO₂和废水无机营养物使过程更具可持续性。这一特性优于现有化学和物理合成技术（溶胶-凝胶、非溅射、还原和电化学方法），避免使用有毒昂贵试剂、高能耗、高压要求和复杂分离过程。微藻生物分子作为封端剂稳定纳米颗粒，符合绿色化学基本原则。 envisaged 条件有助于降低环境影响和成本效益，同时贡献于CO₂封存和废水处理。作为生物过程，微藻路线产生最少危险废物，具有生物修复潜力和可扩展性（通过光生物反应器系统），以及附加值副产物的更好经济性，这些经济和环境方面使绿色合成成为可行替代方案，提供可持续性和工业可行性优势。

8 绿色合成微藻纳米颗粒的质量控制方面

纳米颗粒用途主要分为制药和医疗两类。药物生产的成分和过程需进行质量控制，准确评估制剂辅料和活性药物成分（APIs）以优化和评价预制剂。为确保药物在监管时间段内的安全性和有效性，必须具有足够强度、纯度、质量和效力。许多纳米结构系统（如脂质体、纳米乳、树枝状聚合物、纳米晶体和金属氧化物）已获FDA批准。欧洲药品管理局和欧盟委员会将多柔比星聚异己基氰基丙烯酸酯纳米颗粒用于肝细胞癌治疗列为孤儿药，并于2004年10月授予Bio Alliance这一分类。第一个获FDA批准的纳米药物是1995年的Doxil，含有携带化疗药物多柔比星的聚乙二醇化脂质体。注射用两性霉素脂质体称为AmBisome^?。

纳米颗粒作为药物使用有多项要求：尺寸（主要颗粒尺寸、体积和表面积）、团聚状态、二维或三维分布、化学成分（元素识别和分布、晶体形状和粒径分布）和表面组成（表面电荷）。这些要求对生物医学应用至关重要。然而，散装材料和预期药物中纳米颗粒尺寸的细节对理解药效学和药代动力学特性至关重要。纳米颗粒工程（包括制造）与其对细胞表面组成、形态（尺寸和形状）、表面组成和聚集的影响之间存在明确关联。因此，将绿色合成微藻纳米颗粒用于医疗需要更多研究以确保通过质量控制检查，并考虑溶解度、稳定性和固态特性等基本质量特征，以评估其在不同制药和医疗应用中的适用性。

9 未来展望

迄今为止，仅少数金和银纳米颗粒通过微藻绿色合成。锌 oxide、铜、硒、钛和铁纳米颗粒的绿色合成及其在癌症治疗中的作用有待探索。此外，许多微藻具有高产纳米颗粒潜力尚未开发。因此，微藻纳米颗粒合成是一个趋势领域，需要深入研究其医学应用，特别是癌症治疗。

微藻纳米颗粒合成可能受益于合成生物学和基因工程方法的进一步研究。合成生物学介入通过CRISPR/Cas9技术实现精确遗传修饰，操纵代谢途径，有助于高效将金属离子转化为具有所需尺寸和特性的纳米颗粒，最终提高过程成本效益，满足生物医学行业需求。研究领域还需探索利用基因工程微藻进行纳米颗粒合成，以可持续生产方式提高效率并定制纳米颗粒生产特性。

10 结论

本综述讨论了微藻纳米颗粒作为治疗剂通过可持续绿色合成方法治疗癌细胞的作用。探讨了微藻纳米颗粒的合成机制、表征方法和技术挑战，并通过作用机制和细胞毒性研究扩展了其应用。最后总结了质量控制方面和前景，为微藻纳米颗粒绿色合成用于潜在癌症治疗提供了简明概述。