Yerkintay Guliya， 黃浙勇， 王齊兵

復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院心內(nèi)科，上海 200032

·綜 述·

超順磁性氧化鐵納米顆粒應(yīng)用于干細(xì)胞定向歸巢中的研究進(jìn)展

Yerkintay Guliya， 黃浙勇*， 王齊兵

復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院心內(nèi)科，上海 200032

干細(xì)胞在組織器官的自我更新和修復(fù)過(guò)程中起重要作用。在外加磁場(chǎng)的作用下，用納米磁鐵顆粒標(biāo)記干細(xì)胞，可增加干細(xì)胞的定向歸巢和存留，從而放大干細(xì)胞的修復(fù)效應(yīng)。本文就納米磁鐵顆粒靶向干細(xì)胞的原理，以及其在各種病理模型應(yīng)用的研究進(jìn)展作一綜述。

超順磁性氧化鐵納米顆粒；磁靶向；干細(xì)胞; 移植；磁性納米離子

干細(xì)胞治療是再生醫(yī)學(xué)繼受損組織自我修復(fù)或者藥物治療失敗后的一種治療途徑。如何有效地將干細(xì)胞聚集于病灶是干細(xì)胞治療進(jìn)展最大的障礙之一。在特定條件下，干細(xì)胞可以通過(guò)其多能性特點(diǎn)，誘導(dǎo)未分化的細(xì)胞分化為特定細(xì)胞。干細(xì)胞可以在心肌梗死模型中誘導(dǎo)心肌細(xì)胞再生，也可在支架術(shù)后血管中誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞再生及新生血管形成[1-2]，還可應(yīng)用于視網(wǎng)膜變性、脊髓損傷、腦部創(chuàng)傷等[3-4]。隨著細(xì)胞療法在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用，干細(xì)胞修復(fù)損傷器官和重建器官也得到發(fā)展，給在積極等待器官移植的患者帶來(lái)希望。本文將討論磁靶向的基本原理及其應(yīng)用進(jìn)展作一綜述。

1 超順磁性氧化鐵納米顆粒

隨著時(shí)間推移，細(xì)胞在損傷部位停留的數(shù)量越來(lái)越少。這是目前細(xì)胞治療面臨的重要問(wèn)題之一。而給藥困難、藥物劑量缺乏個(gè)體化等均可導(dǎo)致干細(xì)胞的低效植入[5]。磁性納米顆粒在診斷和治療疾病方面起重要作用[6-7]。此外，對(duì)于臨床應(yīng)用來(lái)說(shuō)，MRI因無(wú)輻射，且不使用放射性造影劑，所以比起CT、PET-CT或X線，更有利于同一患者數(shù)據(jù)的縱向采集，且能夠提高軟組織和硬組織在不同生理或病理狀態(tài)下的成像，而其高分辨率有助于細(xì)胞的定量[7]。

2 磁靶向定位的基本原理

干細(xì)胞的磁靶向歸巢依賴(lài)于磁場(chǎng)的內(nèi)部或外部磁場(chǎng)和其對(duì)磁活性載體的影響力。磁性反應(yīng)性粒子的原子可以平行排列于所施加的磁場(chǎng)[8]。超順磁性不存在磁滯現(xiàn)象，即去掉外磁場(chǎng)后，磁性很快就消失，這一現(xiàn)象可以防止顆粒在磁場(chǎng)消失后繼續(xù)聚集。在室溫下，鐵磁體的磁化率較超順磁體高，而超順磁性納米顆粒聚集時(shí)的粒子相對(duì)較少，在處理和給藥中也可以很好的進(jìn)行控制[6,8-9]。

2.1 磁性納米顆粒相關(guān)理化性質(zhì) 超順磁性氧化鐵納米顆粒(superparamagnetic iron oxide nanoparticles, SPIONs)結(jié)構(gòu)的核心層通常由磁鐵礦(Fe3O4)或磁赤鐵礦(γ-Fe2O3)構(gòu)成。兩者均為自然磁鐵，這意味著SPIONs可以被永磁體吸引。超順磁性磁鐵顆粒小于臨界尺寸時(shí)具有單疇結(jié)構(gòu)。一般將超順磁性磁鐵顆粒分類(lèi)為：50～180 nm的SPIONs，10～50 nm的超小型超順磁性氧化鐵納米粒子(USPIONs)，小于10 nm的超順磁性氧化鐵納米粒子(VSPIONs)[10-11]。

SPIONs的不良反應(yīng)少[12]，導(dǎo)致血管閉塞的危險(xiǎn)小。由于體內(nèi)有鐵蛋白有，故SPIONs的生物相容性較好，也可以通過(guò)用有機(jī)或無(wú)機(jī)聚合物涂層包裹核心層來(lái)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)生物相容性。 Gastromark(50 nm)也被稱(chēng)為L(zhǎng)umirem，在1996年被美國(guó)食品和藥物管理局(FDA)批準(zhǔn)用作口服造影劑。有關(guān)Ferumoxytol(20～50 nm)干細(xì)胞的磁性靶向歸巢遞送的研究較深入。其也被稱(chēng)為Feraheme，在2009年被美國(guó)FDA批準(zhǔn)用于治療成人腎臟疾病伴缺鐵性貧血。1996年，F(xiàn)DA也批準(zhǔn)另一類(lèi)適用于在肝臟病變MRI的造影劑——菲立磁(Feridex)，但后來(lái)因其市場(chǎng)需求低逐漸被淘汰[13]。

磁性納米顆粒的合成途徑有多種，包括共沉淀法、熱液合成法、熱分解法、水熱法、微乳化法等。目前，臨床用磁性納米顆粒最常用的的制備方法是共沉淀法。共沉淀法的原理是在封閉無(wú)氧條件下，采用化學(xué)計(jì)量比的二價(jià)和三價(jià)鐵離子，在特定pH值及穩(wěn)定劑存在的情況下，通過(guò)水解等反應(yīng)完成制備，然后用高溫?zé)岱纸庵苽浼夹g(shù)，使磁性氧化鐵納米顆粒結(jié)晶度更高、磁響應(yīng)性更強(qiáng)、單分散性更好、表面修飾結(jié)構(gòu)更清晰[14]。

2.2 磁場(chǎng)梯度 磁場(chǎng)梯度的作用是將干細(xì)胞/ SPIONs復(fù)合物吸引至在靶向病理位點(diǎn)并定位于此。磁場(chǎng)和磁場(chǎng)梯度常由外部放置的磁體來(lái)產(chǎn)生，但是這種設(shè)置有局限性，即磁流密度在磁極面處最大，并隨著磁體的距離而越來(lái)越小[15]。因此，如果靶向治療范圍超出磁場(chǎng)(深部組織)范圍，轉(zhuǎn)染SPIONs的細(xì)胞就不會(huì)被吸引。這種限制促使了可磁化植入物的發(fā)展，將磁體放置在組織內(nèi)并使植入物周?chē)a(chǎn)生高梯度磁場(chǎng)，但在心臟、肝臟、腎臟等較深的組織仍不可行[16]。

復(fù)旦大學(xué)和上海大學(xué)的聯(lián)合課題組曾開(kāi)發(fā)一種將磁場(chǎng)聚焦在離磁體一定距離處的磁性系統(tǒng)[15-16]。該課題組利用小直徑試管模仿血管，以不同速度注射磁性標(biāo)記的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(MSC)，當(dāng)細(xì)胞流過(guò)管中磁性帶時(shí)，特定的磁性裝置可以捕獲距離磁場(chǎng)起源5 mm處的細(xì)胞。其中，SPIONs標(biāo)記的細(xì)胞數(shù)量隨著磁通密度呈正向變化，而隨著流動(dòng)速度呈負(fù)向變化。外部永久磁場(chǎng)的另一個(gè)固有特征是沿其切向軸不均勻性分布。在圓柱形磁體中，磁場(chǎng)在遠(yuǎn)離磁體中心的特定距離處產(chǎn)生圓形吸引環(huán)，這種均勻性和耗散現(xiàn)象若可被操控，便有利于使用SPIONs標(biāo)記的細(xì)胞實(shí)現(xiàn)臨床治療[17]。

2.3 納米顆粒的穩(wěn)定化 為了能更好地調(diào)控納米顆粒，需要對(duì)其表面進(jìn)行修飾。表面修飾之前的納米顆粒在空氣中的不穩(wěn)定性導(dǎo)致其極易氧化。納米顆粒的高表面能極易使其發(fā)生沉積團(tuán)聚，導(dǎo)致其在體內(nèi)易被網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)清除[8,10,18-19]。高濃度的鐵離子仍可產(chǎn)生局部毒性。對(duì)SPIONs的表面進(jìn)行修飾后，能夠更好地穩(wěn)定納米顆粒、增加其生物相容性和反應(yīng)活性。目前已經(jīng)有多種聚合物材料和無(wú)機(jī)材料用于包被納米顆粒，如表面活性劑、稀有金屬、二氧化硅、碳涂層、纖維素、殼聚糖等[8]。其中，最常見(jiàn)的3種SPIONs涂層類(lèi)型為：聚乙烯乙二醇(PEG)、淀粉、葡聚糖[20-21]。

3 SPIONs在靶器官和病理模型中的應(yīng)用

近年來(lái)，多項(xiàng)研究[22-28]將SPIONs包括VSPIONs、菲立磁、多聚-L-賴(lài)氨酸(PLL)通過(guò)多種干細(xì)胞應(yīng)用于脊髓損傷、心肌梗塞、血管損傷等的大鼠模型，證實(shí)其促進(jìn)細(xì)胞再生的效果(表1)。

表1 SPIONs標(biāo)記干細(xì)胞治療的病理模型

3.1 間充質(zhì)干細(xì)胞與脊髓損傷 對(duì)于人類(lèi)脊髓損傷，目前尚無(wú)有效的治療方法。肢體癱瘓、疼痛、痙攣、自主運(yùn)動(dòng)和(或)感覺(jué)能力缺失與脊髓損傷相關(guān)[22]。Tukmachev等[22]將MSC鞘內(nèi)注射于大鼠脊髓損傷部位，并分為3個(gè)實(shí)驗(yàn)組：PLL-SPIONs標(biāo)記的MSC加磁場(chǎng)組、未標(biāo)記的MSC加磁場(chǎng)組和無(wú)磁場(chǎng)的標(biāo)記MSC組。研究人員將兩個(gè)圓柱形NdFeB磁體的相同磁極面面向彼此，將磁場(chǎng)聚焦于目標(biāo)區(qū)“捕獲區(qū)域”，并有效地誘導(dǎo)聚焦的細(xì)胞遷移到中性磁場(chǎng)區(qū)。最終計(jì)算在損傷位點(diǎn)的細(xì)胞數(shù)目與在脊髓手術(shù)范圍內(nèi)的細(xì)胞總數(shù)的比值，標(biāo)記的MSC加磁場(chǎng)組為45%，而未標(biāo)記的MSC加磁場(chǎng)組為14%、無(wú)磁場(chǎng)的標(biāo)記的MSC組為13%。

3.2 循環(huán)祖細(xì)胞與血管損傷 血管內(nèi)皮損傷是心血管疾病的主要起因之一。Kyrtatos等[27]通過(guò)應(yīng)用外部磁性裝置，使祖細(xì)胞靶向至血管內(nèi)皮損傷部位，以幫助內(nèi)皮層再生。研究人員將參與血管內(nèi)皮再生和缺血后新生血管形成的CD133+內(nèi)皮祖細(xì)胞(EPCs)靶向注入至SD大鼠的頸總動(dòng)脈中導(dǎo)管的插入部位，以期預(yù)防或減少血管成形術(shù)后再狹窄或由于瘢痕組織形成而導(dǎo)致的血管再閉塞的發(fā)生率[29]。結(jié)果表明，與不使用SPIONs的細(xì)胞相比，CD133+細(xì)胞植入到損傷部位的系數(shù)增加了5.4倍。

3.3 干細(xì)胞與心臟再生 目前應(yīng)用干細(xì)胞治療心臟病的障礙之一是難以將干細(xì)胞長(zhǎng)期停留在所需部位。干細(xì)胞短期在心臟靶位點(diǎn)的停留率僅為10%，并且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸下降。干細(xì)胞移位主要由冠狀動(dòng)脈血流和心臟收縮而造成[30]。Gutova等[30]將Feraheme、硫酸肝素(H)和硫酸魚(yú)精蛋白(P)結(jié)合形成FHP復(fù)合物，再將這些復(fù)合物與心臟來(lái)源的干細(xì)胞(CDC)共培養(yǎng)后，注射至已進(jìn)行心臟缺血再灌注處理大鼠的冠狀動(dòng)脈內(nèi)。結(jié)果顯示，磁化CDC細(xì)胞組在靶位點(diǎn)的細(xì)胞停留率比未磁化組高3倍，且磁化CDC細(xì)胞組心臟形態(tài)、心肌存活力較其他組更佳。

4 磁性雙功能細(xì)胞銜接器

雙特異性抗體和可生物降解鐵納米顆粒的組合近年來(lái)成為靶向干細(xì)胞治療的新熱點(diǎn)。雙特異性抗體的雙重特異性使其可結(jié)合多種標(biāo)志物。Luma等[31]用造血細(xì)胞標(biāo)志物CD45和缺血性損傷標(biāo)志物肌球蛋白輕鏈(MLC)-1標(biāo)記雙特異性抗體，使用該抗體制備的干細(xì)胞增強(qiáng)了對(duì)損傷心肌的特異性歸巢，并可顯著改善心臟功能。

磁性雙功能細(xì)胞銜接器(MagBICE)同樣有兩種類(lèi)型的抗體[31-32]，其核心為Feraheme。抗體-納米顆粒結(jié)合物可以結(jié)合損傷細(xì)胞或目的細(xì)胞的表面抗原，從而起到靶向治療的目的，同時(shí)也有利于磁靶向和MRI成像。相對(duì)于其他鐵納米顆粒，F(xiàn)eraheme的游離鐵含量非常少，使其生物相容性增加，且其表面的羧化葡聚糖涂層能增加MagBICE與抗體結(jié)合的反應(yīng)活性[41]。Cheng等[26]將抗CD34(干細(xì)胞標(biāo)志物)和抗MLC抗體(缺血損傷標(biāo)志物)結(jié)合于超順磁納米顆粒，使內(nèi)源性CD34+干細(xì)胞歸巢至損傷的心肌，并用1.3T磁場(chǎng)MRI觀察。結(jié)果表明，干細(xì)胞作用處心肌功能得到改善、心肌瘢痕減少，且梗死后室壁厚度未減小。上述說(shuō)明MagBICE是可以將分子、物理靶向和無(wú)創(chuàng)成像結(jié)合為一體，既可自由組合，也容易合成。

5 總結(jié)與展望

由于磁性粒子在體內(nèi)易聚集，從而影響粒子的磁性與分散性，且磁場(chǎng)作用強(qiáng)度和時(shí)間等不可控，如何促進(jìn)磁靶向干細(xì)胞的歸巢和其在靶器官的長(zhǎng)期停留還需進(jìn)一步研究。在該技術(shù)應(yīng)用于臨床前，必須保證磁性納米顆粒無(wú)毒、環(huán)保、可生物降解、與表面修飾相容，在體內(nèi)保持穩(wěn)定性，不影響干細(xì)胞功能，且在足夠的劑量下有望有效診斷或治療疾病。因此，將磁性納米顆粒應(yīng)用于臨床前還須進(jìn)行大量動(dòng)物研究和進(jìn)行長(zhǎng)期的生物相容性評(píng)估。目前大多數(shù)磁性納米顆粒動(dòng)物研究為小鼠等小動(dòng)物模型，為了更準(zhǔn)確地反映其在人體內(nèi)的反應(yīng)、磁場(chǎng)大小、干細(xì)胞劑量等問(wèn)題，還需要進(jìn)行與人類(lèi)生理特征相似的大型動(dòng)物的模型研究。與其他金屬納米顆粒相比，SPIONs具有較好的生物相容性及可降解性。但是，SPIONs治療劑量及其體內(nèi)的免疫反應(yīng)、炎癥反應(yīng)等報(bào)道較少[9,11]。

綜上所述，為患者提供多樣的、個(gè)體化的干細(xì)胞靶向治療和診斷是再生醫(yī)學(xué)最前沿的研究之一。由于SPIONs的多功能性以及其MRI兼容性，其有解決干細(xì)胞治療后靶位點(diǎn)細(xì)胞存活數(shù)量少及拓寬干細(xì)胞療法臨床應(yīng)用范圍的潛能。

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[本文編輯] 姬靜芳

Research progress in magnetically targeted stem cell delivery with SPIONs

YERKINTAY Guliya, HUANG Zhe-yong*, WANG Qi-bing

Department of Cardiology, Zhongshan Hospital, Fudan University, Shanghai 200032, China

Stem cells play an important role in self-renewal and repair of tissues and organs. Under the influence of the external magnetic field, labeling the stem cells with magnetic nanoparticles can increase the directional homing and retention of the stem cells, thereby amplifying the repair effect of the stem cells. In this paper, the principle of magnetic nanoparticles targeting stem cells and its progress in the application of various pathological models are reviewed.

superparamagnetic iron oxide nanoparticles；magnetic targeting；stem cell; transplantation; magnetic nanoparticle

2017-03-09 [接受日期] 2017-04-05

國(guó)家自然科學(xué)基金(81370003, 81570223, 81000043). Supported by National Natural Science Foundation of China(81370003, 81570223, 81000043).

Yerkintay Guliya, 碩士生. E-mail：guliya_yer@126.com

*通信作者(Corresponding author). Tel: 021-64041990， E-mail:zheyonghuang@126.com

10.12025/j.issn.1008-6358.2017.20170195

R 445.2

A