孫漢文，張彥聰，宋新峰，孫春彥

(德州學(xué)院醫(yī)藥與護(hù)理學(xué)院，山東 德州 253023)

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超順磁性氧化鐵納米粒子在腫瘤靶向診斷治療中的應(yīng)用進(jìn)展

孫漢文，張彥聰，宋新峰，孫春彥

(德州學(xué)院醫(yī)藥與護(hù)理學(xué)院，山東 德州 253023)

孫漢文

摘要：超順磁性納米粒子(SPIONs)具有超順磁性、良好的生物相容性，在腫瘤的診斷和治療方面有很大潛力。腫瘤細(xì)胞表面會(huì)特異性的表達(dá)某些表面標(biāo)志物，因此以磁性納米顆粒為核心的分子探針與腫瘤細(xì)胞表面的特異性分子標(biāo)志物相結(jié)合, 可特異性的識(shí)別腫瘤并形成磁共振影像。SPIONs經(jīng)特定的配體修飾，可賦予其組織器官靶向性，通過高滲透性以及外加磁場雙效靶向來提高藥物在腫瘤部位的生物利用度，從而減少對正常細(xì)胞的毒性，提高腫瘤局部的藥物濃度。SPIONs具有很高的磁熱效應(yīng)，可通過導(dǎo)熱量殺死腫瘤細(xì)胞而被用于熱療，熱療較放療和化療的副作用小。因此功能化的SPIONs必將成為臨床深受歡迎的造影劑和基于MRI的診斷和治療試劑?？偨Y(jié)了SPIONs在腫瘤診斷和治療方面的應(yīng)用，同時(shí)探討SPIONs的性質(zhì)、合成方法和表面修飾。

關(guān)鍵詞：氧化鐵；MRI；造影劑；靶向

1前言

納米粒子由于其在合成和生物設(shè)計(jì)上的優(yōu)越性,成為腫瘤診斷和治療中倍受歡迎的材料。超順磁性氧化鐵納米粒子由于其獨(dú)特的磁響應(yīng)性、良好的生物相容性以及低毒性而被廣泛應(yīng)用于制備造影劑[1-2]、分子探針[3- 4]、藥物載體[5]等。SPIONs可以在外加磁場的作用下靶向定位到目標(biāo)部位，其具有場不可逆性、高的磁化率，磁場移除后磁性也消失等獨(dú)特性質(zhì)。近年來，國內(nèi)外學(xué)者不斷優(yōu)化SPIONs合成方法及表面設(shè)計(jì)，制成分子探針實(shí)現(xiàn)抗癌作用、用作靶向藥物載體以期望減少細(xì)胞毒性藥物的系統(tǒng)分布從而降低副作用，減少用藥劑量，增強(qiáng)藥物局部作用[6]等。為了達(dá)到SPIONs用于生物體內(nèi)診斷和治療的目的，SPIONs的結(jié)構(gòu)通常設(shè)計(jì)成Fe3O4內(nèi)核表面包覆高分子聚合物，高分子聚合物一方面可減少納米粒的聚合，另一方面其暴露的羥基、羧基可供生物素、蛋白、多肽、藥物以及其它分子結(jié)合從而實(shí)現(xiàn)靶向性及載藥等目的[7]。本文旨在針對SPIONs的性能以及其在腫瘤診斷和治療方面的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行綜述。

2SPIONs的特性

SPIONs 具有超順磁性、良好生物相容性,在外磁場作用下具有高的磁響應(yīng)能力，磁場去除后磁性消失，體內(nèi) SPIONs 主要由網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)吞噬代謝，當(dāng)粒徑>200 nm 時(shí)易被網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)捕獲，粒徑在10～100 nm 之間在血循環(huán)停留時(shí)間最長[8]。SPIONs懸液的穩(wěn)定性取決于其親水性、磁性及粒徑等物理性能。在沒有修飾的情況下，SPIONs具有疏水的表面，由于納米粒間的疏水作用，SPIONs易于團(tuán)聚成微米級(jí)的團(tuán)塊，微米集團(tuán)塊由于偶極作用進(jìn)一步團(tuán)聚并被臨近團(tuán)塊磁化，外加磁場的存在可加劇這種磁化和團(tuán)聚。通常納米級(jí)顆粒的聚集是因?yàn)榉兜氯A力的存在,減少了表面能，由于聚集后顆粒表面積減少，所以載藥率會(huì)下降。通過表面修飾維持SPIONs 懸液的穩(wěn)定性非常重要。表面修飾在SPIONs合成過程中以及合成后均可進(jìn)行。用于維持SPIONs穩(wěn)定性的分子應(yīng)具有生物相容性和生物可降解性。常用的是一些表面活性劑如油酸，月桂酸等。表面活性劑介導(dǎo)的合成過程多在有機(jī)溶劑中進(jìn)行，表面活性劑的疏水尾端在SPIONs表面形成一層殼。但是有機(jī)溶劑懸液不能用于人體，因此學(xué)者們提出用兩親性聚合物修飾SPIONs獲得親水性的表面，從而實(shí)現(xiàn)以水作為分散介質(zhì)[9]。

3SPIONs的制備方法

制備特性尺寸和形貌的磁性納米粒子在技術(shù)上有很高的要求，物理方法有氣相沉積法、電子束蝕刻技術(shù)等，但無法把粒徑精確控制在納米尺寸。相對而言，化學(xué)方法更加簡單、可控、高效。目前用來制備SPIONs的化學(xué)方法有共沉淀法、微乳液法、熱分解法等。

其中共沉淀法是一種已經(jīng)應(yīng)用非常成熟并且使用最廣泛的方法，具體的實(shí)驗(yàn)方法為：以過量的NaOH或NH3·H2O等堿溶液作為沉淀劑，將 Fe2+與 Fe3+鹽按一定比例混合,在一定的溫度和 pH 值下高速攪拌、高速離心、磁分離即得納米顆粒。粒徑的大小、形貌以及組成與所用鹽的種類、Fe2+與 Fe3+的比例、pH以及離子強(qiáng)度有關(guān)[10-11]。

水包油微乳液法可得到粒徑分布窄、物理化學(xué)性能均一的磁性納米顆粒。其中不溶于水的非極性物質(zhì)作為分散介質(zhì)，反應(yīng)物的水溶液為分散相，表面活性劑為乳化劑，形成水包油(O/W)型或油包水(W/O)型的微乳液。反應(yīng)物的水相內(nèi)核為納米尺寸。由于微乳液滴結(jié)構(gòu)的存在避免了顆粒之間地進(jìn)一步團(tuán)聚。在低溫氮?dú)獗Ｗo(hù)下可得到尺寸更小、更均一的納米粒子。這種合成方法主要優(yōu)勢在于可以通過控制微乳滴內(nèi)核中的體積來控制粒徑得大小[12]。

近年應(yīng)用熱分解法來制備SPIONs的報(bào)道較多。制備過程是將Fe(CO)5或Fe(acac)3溶解在某溶劑中，控制反應(yīng)溫度在溶劑的沸點(diǎn)，使反應(yīng)物發(fā)生分解、沉淀四氧化三鐵產(chǎn)物[13-14]。

制備SPIONs的方法很多，而使用無毒、環(huán)境友好、可再生的溶劑進(jìn)行納米顆粒的制備已成為各種制備工藝改進(jìn)追求的熱點(diǎn)。

4SPIONs的靶向修飾

為了維持SPIONs懸液的穩(wěn)定性以及實(shí)現(xiàn)靶向性，需要對顆粒表面進(jìn)行修飾，很多生物分子如抗體、蛋白、靶向配體等均可通過氨基或酯鍵結(jié)合到SPIONs表面的高分子上,從而使SPIONs具有靶向性。

4.1兩親性高聚物

SPIONs注入到體內(nèi)會(huì)吸附蛋白并被網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)吞噬清除，因此表面修飾不僅要解決其穩(wěn)定的問題，同時(shí)還要避開免疫系統(tǒng)。兩親性高分子共聚物在體內(nèi)具有很好的穩(wěn)定性和生物相容性。其疏水端結(jié)合到納米粒表面,可作為疏水性藥物的載體，親水的表面是納米粒逆轉(zhuǎn)為水溶性顆粒(如圖1),并且由于沒有免疫原性,可降低免疫系統(tǒng)地識(shí)別。研究較多的兩親性高聚物有聚乙二醇(PEG) ，由于PEG可抵抗蛋白吸附，降低被網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)清除速率，從而延長PEG包裹的SPIONs在血液循環(huán)的存留時(shí)間，同時(shí)PEG無毒、親水性強(qiáng)、無免疫原性而被廣泛用于SPIONs的表面改性[15-16]。

圖1　PEG/PVP 修飾的SPIONs負(fù)載阿霉素示意圖[16]Fig.1　Schematic diagram of the PEG/PVP modified SPIONs loaded with doxorubicin[16]

4.2陽離子高聚物

近年來腫瘤基因治療的研究發(fā)展迅速，選擇適當(dāng)?shù)妮d體將外源性目的基因?qū)氚屑?xì)胞,外源性基因具有在細(xì)胞內(nèi)表達(dá)產(chǎn)物介導(dǎo)殺傷腫瘤的作用。陽離子高聚物作為基因載體通過靜電作用結(jié)合DNA,并通過其表面結(jié)合的靶向配體或抗體結(jié)合到細(xì)胞膜表面，將目的基因?qū)爰?xì)胞。Ma等[17]用微乳化法一步合成了陽離子高聚物聚乙稀亞胺(PEI)修飾的pEISPIONs，證實(shí)所合成納米粒子無免疫原性、能與DNA緊密結(jié)合,保護(hù)DNA免受核酸酶的降解。陽離子多聚物具有易于合成和改性的性能，除了聚乙稀亞胺，常用的陽離子還有殼聚糖及其衍生物等[18-19]。

4.3靶向性高聚物

盡管針對提高SPIONs水溶性、膠束穩(wěn)定性、無細(xì)胞毒性的表面修飾的研究很多，比如PEG、 Dextran、PEI 等，但是這些修飾沒有組織特異性和細(xì)胞特異性，因此SPIONs表面進(jìn)行特異性的配體修飾后，可使其具備組織器官靶向性。如Yang等[20]合成了透明質(zhì)酸修飾的SPIONs納米粒子，證實(shí)其具有高度的HepG2肝癌靶向性，這種主動(dòng)靶向磁性納米粒子提高了造影劑腫瘤處的濃度,減少了正常組織內(nèi)造影劑的分布,作為造影劑可在腫瘤局部產(chǎn)生強(qiáng)信號(hào)，作為藥物載體可提高負(fù)載藥物在腫瘤內(nèi)的濃度，降低藥物的毒性。

5SPIONs的靶向應(yīng)用

5.1腫瘤磁共振分子影像

腫瘤細(xì)胞表面會(huì)特異性的表達(dá)某些表面標(biāo)志物，因此以磁性納米顆粒為核心的分子探針與腫瘤細(xì)胞表面的特異性分子標(biāo)志物相結(jié)合, 可特異性的識(shí)別腫瘤并形成磁共振影像。有效的特異細(xì)胞標(biāo)記方法是在SPIONs納米粒表面接枝高親和性的配體，配體被細(xì)胞表面受體識(shí)別并內(nèi)吞。分子影像學(xué)技術(shù)使追蹤細(xì)胞的新陳代謝成為了可能[21-22]，可用于細(xì)胞標(biāo)記的配體有單克隆抗體、轉(zhuǎn)鐵蛋白、乳鐵蛋白、白蛋白、胰島素、生長因子等。這些受體通常不僅是細(xì)胞表面標(biāo)記物，還介導(dǎo)細(xì)胞的內(nèi)吞，同時(shí)這些配體的免疫原性極低。Zhang[23]等發(fā)現(xiàn)RGD-MNC對αvβ3陽性細(xì)胞有高度敏感性， RGD-MNC可特異結(jié)合到αvβ3陽性細(xì)胞表面(圖2)。因此經(jīng)RGD-MNC修飾的磁性納米離子可用于分子影像技術(shù)對早期腫瘤和巨大腫瘤進(jìn)行診斷，RGD-MNC修飾的磁性納米離子可被細(xì)胞內(nèi)吞(圖3a),從而產(chǎn)生磁共振影像(圖3b)。一旦納米粒被細(xì)胞內(nèi)吞進(jìn)細(xì)胞即與受體脫離，受體回到細(xì)胞表面，這樣細(xì)胞由于過多的吞噬了納米粒而凋亡[23]。因此可用于分子影像技術(shù)的SPIONs納米粒必須能通過細(xì)胞表達(dá)的受體粘附于細(xì)胞膜表面才不會(huì)被內(nèi)吞[24]。然而分子探針技術(shù)只是針對某種腫瘤的標(biāo)志物進(jìn)行修飾，目前還沒發(fā)現(xiàn)能普遍適用多種腫瘤的分子探針。

圖2　RGD修飾的SPIONs特異性選擇整合素αvβ3陽性腫瘤細(xì)胞. 不同的細(xì)胞系經(jīng)RGD-MNC孵化8 h后(深灰色)，細(xì)胞核與核快速復(fù)染色紅(淺灰色) [23]Fig.2　RGD modified SPIONs specifically select integrin αvβ3 positive tumor cells，prussian blue staining of different cell lines after incubation with RGD-MNC (dark grey)at different concentrations (in iron) for 8 h. Cell nuclei were counterstained with nuclear fast red (light grey) [23]

圖3　(a)電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(ICP-OES)測量RGD-MNC孵化8 h后細(xì)胞內(nèi)鐵含量，(b)細(xì)胞在T2加權(quán)像的磁共振影像Fig.3　 Inductively coupled plasma atom emission spectrometer (ICP-OES) measurements of intracellular iron content after incubation with RGD-MNC at different concentrations for 8 h(a) and T2-weighted MR images of cells(b).

5.2靶向藥物載體

磁性納米顆粒作為一種新的納米載體已被證實(shí)可用于抗癌藥物的靶向載體，通過高滲透性以及外加磁場雙效靶向來提高藥物在腫瘤部位的生物利用度，從而減少對正常細(xì)胞的毒性，提高腫瘤局部的藥物濃度[25]。盡管SPIONs在腫瘤靶向治療方面有廣闊的前景，但是制備可重復(fù)利用、結(jié)構(gòu)均一、載藥量和釋藥率可控的納米粒子仍然是一個(gè)技術(shù)上的挑戰(zhàn)。Chen等[26]合成了pH敏感的PBAE (Poly (Beta-Aminoester))包裹的SPIONs負(fù)載阿霉素納米粒子，證實(shí)該載藥粒子可重復(fù)性利用、釋藥率可控。

5.3靶向腫瘤熱療

SPIONs具有很高的磁熱效應(yīng)，可用通過導(dǎo)熱量殺死腫瘤細(xì)胞而被用于熱療，熱療較放療和化療的副作用小而成為腫瘤治療研究的熱點(diǎn)。將SPIONs注射或通過靶向定位到腫瘤內(nèi)，在外加磁場存在的情況下SPIONs會(huì)在局部迅速產(chǎn)熱，由于正常細(xì)胞比腫瘤細(xì)胞耐熱，因此控制適宜的溫度(45 ℃)可殺死腫瘤細(xì)胞而不損傷正常細(xì)胞[27]。

6結(jié)語

SPIONs在腫瘤的診斷和治療上無疑具有很大的優(yōu)勢，盡管大量的研究不斷的改進(jìn)合成方法和修飾策略以獲得尺寸適宜、膠束穩(wěn)定、可再利用的納米顆粒，但是SPIONs要真正的用于臨床需解決的問題還很多，比如SPIONs在體內(nèi)的轉(zhuǎn)歸、表面修飾物降解產(chǎn)物的毒性等，相信在未來的研究中會(huì)一一得到解決。

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(編輯蓋少飛)

The Application Progress of Super-Paramagnetic Iron OxideNanoparticles in Tumor Targeting Diagnosis and Treatment

SUN Hanwen,ZHANG Yancong,SONG Xinfeng,SUN Chunyan

(College of Medicine and Nursing, Dezhou University，Dezhou 253023,China)

Abstract：Superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) have shown immense potential to contrast agents for the magnetic resonance imaging diagnosis and cancer theranostics. There are specific expression of some surface markers in the tumor cell surface, so the molecule probe with magnetic nanoparticles as the core with a specific molecular markers on the surface of the tumor cells can identify the tumor and form a magnetic resonance imaging.The surface grafted with various targeting ligands affects the particles tissue distribution and pharmacokinetics. The bioavailability of drug in the tumor site is improved through the high permeability and doubled targeting magnetic field,reducing the toxicity to normal cells and increasing tumor local drug concentration.SPIONs have the very high magnetocaloric effect, which can kill tumor cells by heating, and the side effects are smaller than that of radiotherapy and chemothera.Functionalized SPIONs will become popular negative contrast materials for magnetic resonance imaging-based diagnosis and therapy. This review aims to focus on the ability of SPIONs used in the field of cancer diagnosis and targeting therapy as well as the synthesis,modification and the characteristics of SPIONs.

Key words：iron oxide;magnetic resonance imaging (MRI);contrast agent; targeting

中圖分類號(hào)：TB34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-3962(2016)03-0233-04

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2016.03.10

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51273033)

收稿日期：2014-12-25

第一作者：孫漢文，男，1972年生，博士，教授，Email:hanwen916@163.com