超順磁性Fe3O4納米粒子在惡性腫瘤治療中的研究進(jìn)展

邵楠，陳晰

哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院乳腺外科，哈爾濱1500000

超順磁性是指粒徑小于臨界尺寸且具有單疇結(jié)構(gòu)的鐵磁物質(zhì)，溫度低于居里溫度并且高于轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，在外磁場(chǎng)作用下其順磁性磁化率遠(yuǎn)高于一般順磁材料磁化率[1-2]。作為納米級(jí)別的磁體，F(xiàn)e3O4磁性納米粒子在非均勻磁場(chǎng)中受到力時(shí)，具有傾向于逆場(chǎng)梯度運(yùn)動(dòng)的特性，F(xiàn)e3O4磁性納米粒子的超高磁遷移率可讓生物分子和細(xì)胞之間實(shí)現(xiàn)磁分離，使體內(nèi)及體外環(huán)境中藥物磁性控制靶向釋放成為現(xiàn)實(shí)[3-4]。而且磁性納米粒子具有將電磁能量轉(zhuǎn)化為熱能的能力，可用于淺表實(shí)體腫瘤的熱療技術(shù)中，這些特質(zhì)也使它廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，本文將著重介紹超順磁Fe3O4納米粒子的主要制備方法及其在惡性腫瘤中的臨床應(yīng)用研究進(jìn)展。

1 超順磁Fe3O4納米粒子的制備

通過化學(xué)方法可以獲得各種結(jié)構(gòu)和成分的磁性納米粒子[5-7]，在過去的十幾年內(nèi)，人們?cè)谥铝τ谘芯看偶{米顆粒的制備過程中，發(fā)現(xiàn)了很多高效且高品質(zhì)的合成方法，其中最常見的方法有共沉淀法、熱分解法、仿生合成法、化學(xué)還原法、水熱法等。本文將主要介紹幾種最常見和目前較為創(chuàng)新的制備方法。

1.1 共沉淀法

共沉淀法制備磁性納米粒子以沉淀反應(yīng)作為基礎(chǔ)，根據(jù)溶度積原理，在含有特定配比的陽(yáng)離子溶液中，加入適當(dāng)?shù)某恋韯ㄒ话銥镺H-）后，形成所需納米粒子。獲得的納米顆粒通常會(huì)在表面吸附大量的OH-，因此還需要進(jìn)行洗滌、烘干等操作處理。納米粒子的大小、晶型、形狀及尺寸的均一性等可以通過調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度、pH 值、鐵鹽的類型和比例、離子強(qiáng)度等來實(shí)現(xiàn)。共沉淀法制備Fe3O4磁性納米粒子是非常方便有效的制備方法。在共沉淀法中，由于惰性氣體的保護(hù)，使溶液中的金屬離子Fe2+/Fe3+按照一定比例存在，在此溶液中加入沉淀劑，可在室溫下或提高溫度時(shí)獲得Fe3O4磁性納米粒子。共沉淀法通常是在親水聚合物的存在下進(jìn)行的，如右旋糖苷或淀粉，它們與氧化鐵結(jié)合并具有親水性和生物相容性的表面。由此產(chǎn)生的納米顆?？梢栽诖蠖鄶?shù)生物液體中很好地分散。共沉淀法是一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、適合大規(guī)模合成的方法。因此，到目前為止，大多數(shù)用于生物醫(yī)學(xué)的Fe3O4磁性納米粒子是通過共沉淀法制備的[8-9]。但是對(duì)于磁性納米粒子的合成，共沉淀法通常很難獲得高質(zhì)量的單分散膠體，不利于其在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

1.2 熱分解法

熱分解法是合成磁性納米粒子最簡(jiǎn)單的途徑之一。有機(jī)金屬配合物由于其不穩(wěn)定的特征，以較溫和的方式改變儲(chǔ)存環(huán)境，如加熱、光照和超聲等[10]，可分解成零價(jià)的金屬或金屬氧化物，因此常被作為合成磁性納米粒子的前驅(qū)體[11]。常規(guī)操作是將容易分解的金屬前驅(qū)體快速注入具有高沸點(diǎn)的有機(jī)溶劑中來實(shí)現(xiàn)納米粒子的快速成核，通過控制反應(yīng)時(shí)間和溫度可得到具有不同形狀和大小的顆粒[12]。使用金屬乙酰丙酮復(fù)合物作為前驅(qū)體可以制備金屬氧化物。在合成單分散磁性納米粒子時(shí)，對(duì)反應(yīng)體系加熱，前驅(qū)體乙酰丙酮鐵[Fe（acac）3]發(fā)生分解，最終得到所需產(chǎn)物。高溫分解法制備得到的磁性納米粒子具有形態(tài)規(guī)則、粒徑大小均勻、結(jié)晶度高、分散性好的優(yōu)點(diǎn)。

1.3 仿生合成法

在石鱉和趨磁細(xì)菌這些生物礦化過程中，生物體使用雙重策略來控制磁鐵礦的形成：礦物是由低結(jié)晶的前體形成的，并且通過礦物與生物分子模板和添加劑的相互作用來控制成核和生長(zhǎng)。從這一生物策略中獲得的靈感是一條很有前途的途徑，可以在環(huán)境條件和水介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)對(duì)磁鐵礦結(jié)晶動(dòng)力學(xué)的控制。如以氫氧化鐵[Fe（OH）3]或白銹[Fe（OH）2]來控制溶液的過飽和，為持續(xù)生長(zhǎng)設(shè)定條件。此外，還可以使用各種有機(jī)添加劑，如蛋白質(zhì)、多肽和聚合物，促進(jìn)或抑制磁鐵礦成核和生長(zhǎng)[13]。Bird 等[14]率先在技術(shù)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了仿生磁鐵礦形成。通過使用軟光刻技術(shù)，創(chuàng)建一個(gè)圖案表面，其中自組裝單層的特定區(qū)域被磁小體膜蛋白（protein Mms6 of magnetosome，Mms6）功能化，從而通過這些區(qū)域的部分氧化實(shí)現(xiàn)磁鐵礦納米顆粒的選擇性成核和生長(zhǎng)。在這種情況下，Mms6 蛋白的作用不僅是控制磁鐵礦的形成，在形態(tài)和晶粒尺寸方面，還將粒子固定在圖案表面上。該方法制備的立方磁鐵礦納米顆粒粒徑分布較窄[（340±53）nm]，其與相等尺寸[寬度/長(zhǎng)度為（0.899±0.066）nm]水凝膠-磁鐵礦復(fù)合材料目前正受到密切關(guān)注，特別是對(duì)其在生物學(xué)應(yīng)用中的作用有深入研究和探討[15-17]。

2 超順磁Fe3O4納米粒子在惡性腫瘤中的應(yīng)用

超順磁Fe3O4納米粒子的超順磁性使其可被外界的磁場(chǎng)調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)腫瘤組織的靶向給藥，也使其在細(xì)胞治療中發(fā)揮作用?；谘趸F的磁性納米顆粒作為MRI 造影劑已在臨床試驗(yàn)中得到應(yīng)用，而且Fe3O4磁性納米粒子在交變磁場(chǎng)下可產(chǎn)生一定的熱量，可使腫瘤組織的局部因過熱而失活。另外磁性納米技術(shù)也可通過外部磁場(chǎng)選擇性地高效傳遞治療相關(guān)基因，與傳統(tǒng)傳遞方式相比，這種方式可以明顯提高人類抑制腫瘤和不同內(nèi)臟器官如肝、腎及中樞神經(jīng)系統(tǒng)的基因傳遞效率。也正因如此，磁性納米技術(shù)使活體腫瘤的基因治療進(jìn)入了全新的前沿領(lǐng)域。

2.1 靶向給藥

腫瘤的種類很多，但很少有典型的或共同的特征，因此治療非常具有挑戰(zhàn)性。常規(guī)化療藥物通常作用于全身，可引起一系列不良反應(yīng)，增加患者的治療痛苦。近幾十年來，人們付出了巨大的努力來了解腫瘤的分子和細(xì)胞機(jī)制并研制開發(fā)治療惡性腫瘤的藥物。這也促使了對(duì)新型納米藥物（藥物載體）的探索，通過改變傳統(tǒng)用藥方式來解決傳統(tǒng)腫瘤治療所帶來的主要缺點(diǎn)。磁靶向治療的研究目的是通過磁場(chǎng)引導(dǎo)藥物分子載體，使其優(yōu)先積聚在靶組織中，減少不良反應(yīng)。以載體和載體結(jié)合各種生物活性分子（如藥物、基因、酶和其他蛋白質(zhì)或核苷酸）為基礎(chǔ)，創(chuàng)建復(fù)雜的選擇性靶向納米藥物，這類藥物有可能成為非常具體、安全、有效的腫瘤治療基礎(chǔ)。

有研究在大鼠尾部首次使用了由白蛋白、磁鐵礦納米晶和化療藥物多柔比星形成的磁性微球[18]。隨后，在各種小鼠、大鼠和兔的腫瘤模型中研究了攜帶化療藥物如多柔比星、表柔比星的磁靶向效應(yīng)[19-21]。在注射入血液后，這些團(tuán)簇容易被單核吞噬系統(tǒng)（mononuclear phagocyte system，MPS）清除，該系統(tǒng)可以迅速將這些團(tuán)簇從循環(huán)中移除，從而減少它們對(duì)腫瘤部位的作用。

如今，診斷治療學(xué)已經(jīng)引起了特別的關(guān)注，因?yàn)樗Y(jié)合了腫瘤診斷和治療，圖像引導(dǎo)光療的診斷治療系統(tǒng)被認(rèn)為是一種潛在的腫瘤治療技術(shù)，而磁性納米粒子在其中扮演著載體的重要角色。在一項(xiàng)研究中，F(xiàn)e3O4納米粒子被負(fù)載在稻草纖維素上作為5-氟尿嘧啶載體，用于潛在的結(jié)直腸癌治療[22]。研究證明，與自由藥物分子相比，磁性靶向可以減少腫瘤治療所需的藥物劑量，以及對(duì)動(dòng)物的全身毒性[19]。

2.2 腫瘤光熱療法

光熱治療（photothermal therapy，PTT）以腫瘤內(nèi)積累的光熱劑作為外源性熱源，結(jié)合近紅外光（near infrared spectrum instrument，NIR）照射，具有侵襲性小、治療效果好等優(yōu)點(diǎn)，是一種選擇性光熱消融腫瘤細(xì)胞而不損傷正常細(xì)胞的微創(chuàng)方法，在抗腫瘤治療中得到了廣泛的關(guān)注。此外，為了提高治療效果，許多多模式治療納米結(jié)構(gòu)已經(jīng)通過將光熱劑與抗腫瘤藥物、光敏劑或放射增敏劑結(jié)合，從而產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)。各種功能材料也被吸收、附著、封裝或包覆在光熱納米結(jié)構(gòu)上，用于熒光、CT、MRI，通過診斷和治療結(jié)合實(shí)現(xiàn)腫瘤診斷、腫瘤定位、部位特異性治療和治療反應(yīng)評(píng)估。雖然免疫治療已經(jīng)成為治療惡性腫瘤的熱門方法，但是在臨床中免疫治療因全身炎癥風(fēng)暴產(chǎn)生嚴(yán)重不良反應(yīng)（如細(xì)胞因子釋放綜合征等）而不可忽視[23]。在IMpassion130 試驗(yàn)中，部分患者發(fā)生Ⅲ級(jí)以上間質(zhì)性肺炎，嚴(yán)重者導(dǎo)致死亡[24]，開發(fā)低毒有效的治療方式勢(shì)在必行。

PTT 作為一種物理治療方法，得到了廣泛應(yīng)用。它是利用光熱劑吸收光能，然后將其在腫瘤部位轉(zhuǎn)化為熱能，從而通過熱療（40～45 ℃）或熱消融（＞45 ℃）殺死腫瘤細(xì)胞[25]，具有選擇性高、侵襲性小、無系統(tǒng)性影響等優(yōu)點(diǎn)。PTT 的有效性在很大程度上依賴于光熱劑。首先，理想的PTT光熱劑應(yīng)該具有很強(qiáng)的光吸收性，特別是在近紅外（700～1300 nm）區(qū)域[26-27]，因?yàn)樗脱?xì)胞對(duì)NIR 的吸收很小，允許光線穿透深層組織，刺激光敏納米顆粒，將對(duì)周圍健康組織的損傷最小化。目前已有相關(guān)研究設(shè)計(jì)了一種治療性納米結(jié)構(gòu)，將球形的Fe3O4nc 封裝在Cu2-xS 薄殼中，形成超?。ǎ?0 nm）Fe3O4@Cu2-xS 核殼納米復(fù)合材料[28]。納米復(fù)合材料表現(xiàn)出T2 加權(quán)磁共振性能，隨著Fe3+濃度的增加，圖像對(duì)比度逐漸變暗。松弛速率（r2）和弛豫率（r2/r1）分別為141.4 m/ms 和67，與商用磁共振增強(qiáng)子磁場(chǎng)強(qiáng)度相同。這些確定了納米復(fù)合材料成為一種潛在的T2 加權(quán)MRI 造影劑的可能性。同時(shí)，F(xiàn)e3O4@Cu2-xS 核殼納米復(fù)合材料在磁場(chǎng)作用下表現(xiàn)出沉積行為，在980 nm 激光照射下表現(xiàn)出選擇性升溫。這表明Fe3O4@Cu2-xS 核殼納米復(fù)合材料的磁性不僅可以作為診斷試劑，還可以實(shí)現(xiàn)PTT 靶向效應(yīng)[29]。

2.3 基因治療

基因治療目前被認(rèn)為是臨床領(lǐng)域比較熱門的治療方法，是治療不可治愈疾病最有希望的治療方法。磁靶向已廣泛用于基因傳遞。“magnetofection”就是用磁場(chǎng)來提高基因轉(zhuǎn)染效率的材料。在體外培養(yǎng)的細(xì)胞中，特別是在傳統(tǒng)基因傳遞方法難以轉(zhuǎn)染的細(xì)胞中，利用磁鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)染效率的報(bào)道很多。用于磁化的Fe3O4納米粒子通常涂以陽(yáng)離子聚合物，如聚乙烯亞胺或陽(yáng)離子脂質(zhì)，通過靜電相互作用吸附siRNA 或DNA 質(zhì)粒[30-31]。應(yīng)用磁場(chǎng)可以將Fe3O4磁性納米粒子集中在細(xì)胞表面，從而增強(qiáng)細(xì)胞對(duì)其攜帶的核酸的吸收。在被細(xì)胞內(nèi)化后，陽(yáng)離子包被進(jìn)一步破壞核內(nèi)體的穩(wěn)定性，從而釋放物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)。磁靶向還可以改善體內(nèi)基因傳遞。例如，siRNA 與含有磁性納米粒子的脂質(zhì)體混合可以在小鼠模型中磁性靶向皮下腫瘤，從而抑制腫瘤生長(zhǎng)。

2.4 細(xì)胞療法

近年來，細(xì)胞療法已經(jīng)成為許多疾病的一種有前途的治療方法，包括再生醫(yī)學(xué)和免疫系統(tǒng)干細(xì)胞重編程腫瘤治療的細(xì)胞。與化療相似，細(xì)胞療法的治療效果依賴于足夠的工程細(xì)胞募集到目標(biāo)組織，而細(xì)胞播散到正常組織會(huì)增加畸胎瘤或自身免疫反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。磁靶向在細(xì)胞治療中的應(yīng)用要求細(xì)胞被磁化，通常是通過誘導(dǎo)細(xì)胞在體外攝取單晶體氧化鐵納米顆粒（monocrystalline iron-oxide nanoparticle，MION）。MION 的體積較小，每個(gè)人間充質(zhì)干細(xì)胞（human mesenchymal stem cell，hMSC）可以裝載超過106個(gè)MION，而不影響其生存能力和多能性。經(jīng)靜脈注射后，這些被磁化的hMSC可被小塊磁鐵捕獲于尾靜脈或股動(dòng)脈。另一項(xiàng)在小鼠腫瘤模型中的研究進(jìn)一步表明，在小動(dòng)物MRI 儀器產(chǎn)生的磁場(chǎng)下，含有MION 的巨噬細(xì)胞可以靶向前列腺原發(fā)腫瘤或肺轉(zhuǎn)移灶，證明了體內(nèi)磁靶向的可行性。磁靶向溶瘤巨噬細(xì)胞可顯著增加原發(fā)腫瘤壞死面積，減少肺轉(zhuǎn)移灶計(jì)數(shù)。

3 小結(jié)與展望

納米磁學(xué)憑借其允許在單個(gè)細(xì)胞周圍產(chǎn)生局部磁性、機(jī)械和熱場(chǎng)分子的特點(diǎn)，為生物醫(yī)學(xué)研究和臨床應(yīng)用提供了獨(dú)特的工具。制造性能更好的超順磁性Fe3O4納米粒子的能力和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的需要推動(dòng)了超順磁性Fe3O4納米粒子的發(fā)展。與此同時(shí)，在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中，“一刀切”的診療方法正逐漸被精準(zhǔn)醫(yī)療所取代，精準(zhǔn)醫(yī)療的目標(biāo)是針對(duì)特定的致病分子或細(xì)胞進(jìn)行個(gè)性化診斷。這兩個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展有助于將Fe3O4磁性納米粒子的應(yīng)用從傳統(tǒng)的藥物傳遞、成像和熱療擴(kuò)展到基因組編輯、細(xì)胞治療。

但是還有許多重要問題有待解決。例如，有必要闡明在納米尺度上的熱產(chǎn)生、能量傳遞和粒子間相互作用的機(jī)制，這需要在材料科學(xué)、量子力學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域共同努力。此外Fe3O4磁性納米粒子的生物學(xué)功能依賴于其在體內(nèi)達(dá)到靶分子/細(xì)胞的浸潤(rùn)能力。開發(fā)新的策略以克服體內(nèi)運(yùn)輸障礙，從系統(tǒng)到細(xì)胞水平是迫切需要的。這不僅需要新的納米制造技術(shù)，也需要更好地理解納米相互作用，包括對(duì)納米材料的免疫反應(yīng)。將更多的Fe3O4磁性納米粒子應(yīng)用到臨床，還需要進(jìn)行廣泛努力。隨著多學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展，未來十年將會(huì)有更個(gè)性化、高性能的超順磁性Fe3O4納米粒子和更多的分子療法出現(xiàn)。