解麗芹 左喜瑞 張 楠 陳紅麗 張其清

1(新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，河南新鄉(xiāng) 453003)

2(中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所，天津 300192)

引言

磁感應(yīng)熱療是Gilchrist 在1957年提出的[1]，在對磁性材料產(chǎn)熱破壞狗的淋巴癌組織進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，證明了磁性材料可以靶向性地移動并集聚到腫瘤組織，在交變磁場的作用下產(chǎn)熱破壞腫瘤組織。磁感應(yīng)熱療是利用腫瘤細(xì)胞與正常細(xì)胞對溫度的耐受力不同，在腫瘤組織中引入磁性納米顆粒，通過交變磁場的作用使磁納米顆粒發(fā)生磁滯、弛豫現(xiàn)象而產(chǎn)熱，造成組織區(qū)域內(nèi)的溫度升高[2-3]。當(dāng)溫度超過43℃時，對腫瘤細(xì)胞造成傷害，腫瘤細(xì)胞發(fā)生壞死或損傷，而正常細(xì)胞并不受到影響，以此達(dá)到殺死腫瘤細(xì)胞而不影響正常細(xì)胞的目的[4]。與傳統(tǒng)的熱療方法相比，磁熱療的方法具有穿透深層組織、加熱均勻、定位準(zhǔn)確的特點(diǎn)，可以用于治療深部腫瘤，并且對非腫瘤細(xì)胞的損傷比較小，安全性也更高。文中主要綜述超順磁性納米顆粒在交變磁場中的產(chǎn)熱機(jī)制、與細(xì)胞的作用機(jī)理、以及在腫瘤治療中的應(yīng)用。

1 磁性納米顆粒產(chǎn)熱的物理學(xué)機(jī)制

磁性材料的產(chǎn)熱機(jī)制主要有渦流、磁滯和弛豫等3 種。渦流是磁性材料處于交變磁場中時，其磁通量和磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化引起的環(huán)形感應(yīng)電流。磁性材料在交變磁場中渦流效應(yīng)產(chǎn)熱的現(xiàn)象不夠明顯，通常發(fā)揮作用的是磁滯發(fā)熱和弛豫發(fā)熱[5]。

磁性納米顆粒置于外加直流磁場中，磁化強(qiáng)度隨著磁場強(qiáng)度的增加而增大(初始磁化曲線Oa)，如圖1(a)[6]。當(dāng)磁場強(qiáng)度增大至Hs時，磁化強(qiáng)度增長趨于平緩至飽和，稱為飽和磁化強(qiáng)度(Bs)。降低磁場強(qiáng)度至零并反方向增強(qiáng)時，磁化強(qiáng)度也在降為零后反方向增強(qiáng)(曲線abc′a′)。如此反復(fù)，磁性納米顆粒的磁化曲線在磁場方向逆轉(zhuǎn)過程中形成一個閉合的環(huán)(abc′a′b′c′a)，即磁滯回線(直流磁滯回線或靜態(tài)磁滯回線)。磁性物質(zhì)磁矩的變化總是比磁場的變化慢，由此產(chǎn)生了磁滯(Br)和矯頑力(Hc)，原子磁矩與晶格的耦合引起的磁滯損耗在磁化方向反轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)化為熱能。由此可見，磁滯產(chǎn)熱的效率正比于直流磁滯回線的面積，與材料的3個參數(shù)有關(guān):飽和磁化強(qiáng)度Bs、剩磁Br和矯頑力[7]。當(dāng)磁性納米顆粒置于逐漸變大的交流磁場中，其呈現(xiàn)為一環(huán)套一環(huán)、面積逐漸增大的磁滯回線(交流磁滯回線或動態(tài)磁滯回線，如圖1(b))，磁滯回線面積與交變磁場頻率、溫度等因素有關(guān)[8-10]。處于交流磁場的納米顆粒的產(chǎn)熱效率，不僅與磁滯回線面積有關(guān)，還與渦流產(chǎn)熱和剩余損耗有關(guān)。磁性納米顆粒的磁滯產(chǎn)熱，主要取決于其本征特性，例如磁晶各向異性、磁致伸縮、內(nèi)外應(yīng)力、夾雜的體積分?jǐn)?shù)、飽和磁化強(qiáng)度、幾何形狀等[11]。

圖1 磁性納米顆粒的磁滯回線。(a)在直流磁場中[6]；(b)在交流磁場中[10]Fig.1 Hysteresis loops of magnetic nanoparticles.(a) In a direct current magnetic field[6]；(b) In an alternating current magnetic field[10]

磁性納米顆粒的尺寸減小到某一數(shù)值時(粒徑小于20 nm)，其磁化曲線重合，沒有剩磁和矯頑力，表現(xiàn)出超順磁性(見圖2(a))[12]。超順磁性納米顆粒的產(chǎn)熱主要來自弛豫產(chǎn)熱。弛豫產(chǎn)熱主要是由于磁性物質(zhì)的內(nèi)耗產(chǎn)生的，有尼爾弛豫和布朗弛豫兩種類型(見圖2(b))[13]。尼爾弛豫是由于磁場方向的變化，導(dǎo)致磁性納米顆粒的磁矩方向隨之改變，但顆粒本身不轉(zhuǎn)動。磁矩的改變需要充足的熱能來克服磁晶各向異性能壘，即尼爾弛豫產(chǎn)熱。布朗弛豫是磁性納米顆粒在交變磁場作用下顆粒發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)中摩擦阻力產(chǎn)生的機(jī)械能以熱能形式耗散，顆粒的磁矩固定在晶體軸上保持不變[14]。超順磁性納米顆粒是單疇顆粒集合體，產(chǎn)熱機(jī)制以尼爾弛豫為主。Rovers 等[15]研究了12 nm 超順磁性氧化鐵納米顆粒的尼爾弛豫和布朗弛豫，將其分散于水溶液或固定于聚甲基丙烯酸甲酯基質(zhì)(限制其布朗運(yùn)動)中，在3 種磁場強(qiáng)度(2 010、2 440、2 850 A/m)下，氧化鐵納米顆粒在兩種介質(zhì)中對應(yīng)的比吸收率(specific absorption rates，SAR)相一致。據(jù)此得出結(jié)論，無論在低粘度介質(zhì)或高粘度介質(zhì)中，尼爾弛豫是主要產(chǎn)熱機(jī)制。Jeun 等[16]用軟磁Fe3O4和硬磁CoFe2O4證實(shí)，布朗弛豫強(qiáng)依賴于介質(zhì)粘度，且粘度達(dá)到4×10－3Pa?s(近似于細(xì)胞質(zhì)或胞內(nèi)環(huán)境的粘度)時，布朗弛豫嚴(yán)重衰減。而尼爾弛豫不受分散介質(zhì)粘度的影響，且主導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)總產(chǎn)熱比，因此腫瘤細(xì)胞的磁熱療應(yīng)側(cè)重于加強(qiáng)磁流體的尼爾弛豫。Deissler 等[17]和Dieckhoff 等[18]也通過實(shí)驗證明，固定磁性納米顆粒后只檢測到尼爾弛豫，其弛豫時間與磁場強(qiáng)度有關(guān)。王煦漫等[19]也發(fā)現(xiàn)，油酸溶液中Fe3O4的SAR 與濃度無關(guān)，在不同粘度的分散介質(zhì)(辛烷、甲苯、苯、苯乙烯、油酸)中Fe3O4的SAR 也相差無幾，再次證明了超順磁性納米顆粒的產(chǎn)熱機(jī)制主要是尼爾弛豫，SAR 正比于磁場強(qiáng)度的平方。無論是尼爾弛豫還是布朗弛豫，比產(chǎn)熱率都依賴于磁性納米顆粒的尺寸、形貌、組成等[16，20－21]。因此，研究者通過優(yōu)化磁性材料的尺寸、形貌、組分和表面修飾等提高磁熱性能[22]。

圖2 超順磁性納米顆粒在外磁場下的磁化。(a)超順磁性納米顆粒的磁滯回線[12]；(b) 尼爾弛豫[13]；(c)布朗弛豫[13]Fig.2 Magnetization of superparamagnetic nanoparticles in an applied magnetic field.(a)Hysteresis loop of superparamagnetic nanoparticles[12]；(b) Neel relaxation[13]；(c)Brownian relaxation[13]

2 磁性納米顆粒產(chǎn)熱的影響因素

磁性納米材料在交變磁場下通過磁滯或弛豫產(chǎn)熱，產(chǎn)生的熱量被廣泛應(yīng)用于腫瘤治療或協(xié)同治療。特別是超順磁性材料，因為沒有剩磁和矯頑力，被廣泛用于腫瘤診斷和治療[23]。提高磁性納米材料的產(chǎn)熱效率，賦予材料特定的結(jié)構(gòu)和功能，是提高腫瘤治療效果的基礎(chǔ)[24]。

尺寸是影響磁性材料產(chǎn)熱效率的首要因素。Bakoglidis 等[25]研究粒徑對磁性納米顆粒產(chǎn)熱機(jī)制，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，小于10 nm 的超順磁性納米顆粒，主要為尼爾弛豫升溫；10～13 nm 的超順磁－鐵磁性過渡區(qū)的納米顆粒和大于13 nm 的鐵磁性納米顆粒，主要為磁滯損耗產(chǎn)熱。比損耗功率(specific loss power，SLP)結(jié)果表明，大粒徑、高濃度的磁性納米顆粒產(chǎn)熱效率更高。韓棟等[26]采用多醇熱解法制備了平均粒徑分別為8.7、12.6、15.3 nm 的超順磁性氧化鐵納米顆粒，磁飽和強(qiáng)度分別為31.4、50.3、60.6 A?m2/kg。在交變磁場(425 kHz、5.3 kA/m)中，480 s 內(nèi)，同一粒徑的納米顆粒水分散液升溫速率隨濃度的增大而增大，相同濃度(2 mg/ mL)的納米顆粒水分散液溫度隨粒徑的增大而增大。Nemati等[27]也比較了200 nm×25 nm 和12 nm×3 nm 磁盤的SLP，發(fā)現(xiàn)大粒徑磁盤的加熱效率遠(yuǎn)大于小粒徑磁盤的加熱效率，近似體積的磁性材料，盤狀納米顆粒的SLP 高于球狀納米顆粒的SLP。Lee 等[21]實(shí)驗得出，9、12、15 nm 的Fe3O4納米顆粒的SLP 分別為152、349、333 W/g；若組成為MnFe2O4(15 nm)或CoFe2O4(9 nm)，SLP 分別為411 和443 W/g；通過交換耦合調(diào)節(jié)磁晶各向異性常數(shù)，具有核殼結(jié)構(gòu)的CoFe2O4＠ MnFe2O4、CoFe2O4＠ Fe3O4、MnFe2O4＠CoFe2O4、Fe3O4＠ CoFe2O4等納米顆粒的SLP 是單組分納米顆粒SLP 的數(shù)倍或幾十倍(見圖3)。Kumar 等[28]總結(jié)為單疇單分散的Fe3O4納米顆粒具有最大SLP 的尺寸在14～16 nm。由此可見，磁性納米材料的產(chǎn)熱能力依賴于尺寸，但是，形貌、組成等因素也極大地影響著材料的磁熱性能。

圖3 磁性納米顆粒的SLP 對比[21]。(a)核殼結(jié)構(gòu)的CoFe2O4＠MnFe2O4(15 nm)與單組分CoFe2O4(9 nm)和MnFe2O4(15 nm)的SLP 對比；(b)單組分磁性納米顆粒的SLP 對比；(c)核殼結(jié)構(gòu)磁性納米顆粒的SLP對比Fig.3 SLP comparison of magnetic nanoparticles[21].(a) SLP comparison of core-shell structured nanoparticles CoFe2O4＠MnFe2O4(15 nm) and single-component nanoparticles CoFe2O4(9 nm) or MnFe2O4(15 nm)；(b) SLP comparison of single-component magnetic nanoparticles；(c) SLP comparison of core-shell structured magnetic nanoparticles

形貌、組分、單分散性和表面修飾等均會影響磁性納米顆粒的物理化學(xué)性質(zhì)。Pradhan 等[29]對比了Fe3O4、MnFe2O4和CoFe2O4的產(chǎn)熱能力，CoFe2O4的SAR 相對較低，F(xiàn)e3O4和MnFe2O4可以優(yōu)化尺寸達(dá)到最大SAR，但是CoFe2O4的磁晶各向異性能壘太高，即使優(yōu)化尺寸也難以提高其SAR。Corato等[30]發(fā)現(xiàn)不同尺寸、組分、形貌的磁性納米顆粒在細(xì)胞膜或細(xì)胞內(nèi)的SLP，相對于水溶液中的SLP 嚴(yán)重衰減，如圖4所示。對于單分散超順磁性材料(γ-Fe2O3，Au－γ-Fe2O3)來說，尼爾弛豫是產(chǎn)熱主導(dǎo)因素，在細(xì)胞膜和細(xì)胞內(nèi)SLP 的下降只能通過縮短尼爾弛豫時間來調(diào)節(jié)；對于聚集態(tài)的超順磁性材料，由于分子間的相互作用致使弛豫時間縮短，所以水溶液中其SLP 較單分散的納米顆粒偏大；鐵磁性材料(CoFe2O4)以布朗弛豫為主，所以CoFe2O4在細(xì)胞膜和細(xì)胞內(nèi)的SLP 急劇衰減。由此可見，單純通過調(diào)整磁晶各向異性常數(shù)和縮短弛豫時間來增強(qiáng)磁性納米顆粒的產(chǎn)熱能力，并不一定能提高細(xì)胞內(nèi)的熱療效果。采用超順磁性納米顆粒[31]，并將其進(jìn)行表面修飾使之靶向于細(xì)胞膜表面，提高納米顆粒在細(xì)胞表面的濃度，減小其與細(xì)胞直接的相互作用或許是提高腫瘤磁熱療的途徑之一[32]。

圖4 磁性納米顆粒在水溶液(黑色)、細(xì)胞膜(棕紅色)、細(xì)胞內(nèi)(紅色)的產(chǎn)熱能力[30]。(A:γ-Fe2O3，10 nm；B:脂質(zhì)體包裹的γ-Fe2O3，γ-Fe2O3 的粒徑為10 nm；C:CoFe2O4，9.2 nm；D:Au－γ-Fe2O3 二聚體，14 nm；E:γ-Fe2O3 納米立方體，18 nm；F:γ-Fe2O3 納米花，22 nm)Fig.4 Heat-generating capacity of magnetic nanoparticles in water solutions，membranes，or cellular conditions[30](A:γ-Fe2O3，10 nm；B:γ-Fe2O3 in liposomes，diameter of γ-Fe2O3 is 10 nm；C:CoFe2O4，9.2 nm；D:Au－γ-Fe2O3 dimers，14 nm；E:γ-Fe2O3 nanocubes，18 nm；F；γ-Fe2O3 nanoflowers，22 nm)

采用表面修飾增強(qiáng)靶向性(見圖5)，等同于增加了病變組織的超順磁性納米顆粒濃度，提高病變組織的升溫速率[33]。丁琪[34]構(gòu)建了核殼型Fe3O4＠Ag 和異聚體型Fe3O4-Ag 復(fù)合納米顆粒，顯著降低了納米銀的毒性，且二者有磁熱和納米銀抗癌活性的協(xié)同作用，抑制腫瘤的生長。Albarqi 等[35]開發(fā)了摻雜鈷和錳的六維氧化鐵納米顆粒，并將其封裝在聚乙二醇－聚己內(nèi)酯納米載體中形成團(tuán)簇。經(jīng)靜脈注射，團(tuán)簇體可有效聚集在卵巢癌細(xì)胞中，且在安全可耐受的交變磁場中將瘤內(nèi)溫度提高至44℃，克服了目前磁熱療只能瘤內(nèi)注射的局部治療缺陷。趙印敏等[36]將靶向血管新生肽的RGD10 偶聯(lián)至磁性納米顆粒，局部熱療顯示抑瘤率為54.8%。蘇展[37]也將CD44 抗體偶聯(lián)至磁性納米顆粒，靶向腫瘤干細(xì)胞并在熱療作用下使其程序性死亡。Sadhukha 等[38]設(shè)計合成靶向表皮生長因子受體的可吸入磁性納米顆粒，用于肺癌磁熱療。Ling等[39]綜述了超小磁性納米顆粒的合成和應(yīng)用，比較了制備方法、粒徑、形貌、自組裝、表面修飾等因素對納米顆粒性能的影響，粒徑可控、形狀規(guī)整、單分散、生物相容性好，是醫(yī)學(xué)診療學(xué)對磁性納米顆粒的要求和挑戰(zhàn)。Li 等[40]詳細(xì)討論了基于聚合物的磁性納米顆粒自組裝體在醫(yī)學(xué)診療中的應(yīng)用。磁性納米材料的磁學(xué)性能的優(yōu)化、多功能的協(xié)同作用、生物相容性和靶向性的提高，仍是臨床應(yīng)用潛在的需求。

圖5 表面修飾的磁性納米顆粒及其在腫瘤中的磁熱療[33]Fig.5 Magnetic nanoparticles′surface modification and their application in tumor thermotherapy[33]

3 磁熱的生物學(xué)效應(yīng)

腫瘤組織內(nèi)部的血管細(xì)、雜亂、容易扭曲擴(kuò)張，并且血管壁薄、血流量少、血流阻力大、血管脆弱、容易破損。相比于正常組織來說，在溫度升高的時候不能及時的將熱量散發(fā)出去，導(dǎo)致熱量聚集，溫度升高比較快，并且容易引起磁滯留，使得腫瘤區(qū)域的溫度高于其他區(qū)域溫度。腫瘤細(xì)胞在高溫下會發(fā)生一系列的變化，例如蛋白質(zhì)變性導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)發(fā)生變化、核酸分子遭到破壞、免疫系統(tǒng)對腫瘤細(xì)胞殺傷力的增強(qiáng)等[41]，使腫瘤細(xì)胞遭受損傷，進(jìn)而導(dǎo)致其死亡。

3.1 磁熱療導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性

當(dāng)腫瘤組織的溫度達(dá)到43℃以上時，由于腫瘤組織對于溫度的耐受力不強(qiáng)，導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，功能受到影響。細(xì)胞膜由磷脂雙分子層構(gòu)成，具有結(jié)構(gòu)上的流動性和功能上的選擇透過性。磁熱療使質(zhì)膜蛋白發(fā)生變化，進(jìn)而使細(xì)胞膜的通透性增強(qiáng)，流動性加快。若溫度進(jìn)一步升高，則會導(dǎo)致細(xì)胞膜表面的蛋白質(zhì)脫落，細(xì)胞膜跨膜運(yùn)輸物質(zhì)的功能喪失，最終引起細(xì)胞膜的永久性破損[42]。Sanz 等[43]研究了神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞SHSY5Y 在高溫水浴和交變磁場下的形態(tài)變化，如圖6所示。在46℃水浴中，細(xì)胞器(線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng))已完全空泡化，細(xì)胞膜有明顯破裂；52℃時，細(xì)胞器壞死更加嚴(yán)重，細(xì)胞表面粗糙且塌陷明顯(見圖6(a))。在46℃交變磁場中，細(xì)胞有明顯的凋亡，但是細(xì)胞核和細(xì)胞膜卻完整無損(見圖6(b))。通過實(shí)驗對比得知，磁熱療在較低的溫度下產(chǎn)生相同的細(xì)胞死亡率，這歸因于附著于細(xì)胞膜的納米顆粒產(chǎn)熱，引起細(xì)胞膜的快速滲透和破壞而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。對比高溫水浴和磁熱處理小膠質(zhì)瘤細(xì)胞BV2，驗證了由磁熱引起的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的破壞導(dǎo)致了細(xì)胞的死亡[44]。

圖6 神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞SH-SY5Y 的形態(tài)變化[43]。(a)SH-SY5Y 細(xì)胞在水浴中加熱30 min 后的電鏡圖:對照組細(xì)胞結(jié)構(gòu)的透射電鏡圖(A)，46℃和52℃水浴中細(xì)胞結(jié)構(gòu)的TEM(B，C)，52℃水浴中單個細(xì)胞的掃描電鏡圖(SEM)(D，E，F(xiàn))；(b)SH-SY5Y 細(xì)胞在磁場中加熱30 min 后的電鏡圖:對照組細(xì)胞結(jié)構(gòu)的TEM(A)，46℃和52℃磁場中細(xì)胞結(jié)構(gòu)的TEM(B，C)，52℃磁場中單個細(xì)胞的SEM(D，E，F(xiàn))Fig.6 Morphological changes of human neuroblastoma SH-SY5Y cells[43].(a) Photographs of cells SH-SY5Y after heating in water bath for 30 min:Transmission electron microscopy (TEM) of the control cells (A)；TEM of the cells in water bath 46℃ or 52℃ (B and C)；Scanning electron microscope (SEM) of the cells in water bath 52℃(D，E，F(xiàn))；(b) Photographs of cells SH-SY5Y after heating under the alternating magnetic field (AMF)for 30 min:TEM of the control cells (A)；TEM of the cells under the AMF at 46℃or 52℃(B and C)；SEM of the cells under the AMF at 52℃(D，E，F(xiàn))

磁熱不僅破壞細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，進(jìn)入到細(xì)胞內(nèi)部的磁性納米顆粒可導(dǎo)致細(xì)胞骨架的破壞。細(xì)胞骨架在細(xì)胞中起著支持細(xì)胞結(jié)構(gòu)，形成穩(wěn)定的細(xì)胞內(nèi)空間。當(dāng)溫度升高，細(xì)胞膜出現(xiàn)空泡化，加速磁性納米顆粒滲透到細(xì)胞內(nèi)部，細(xì)胞膜及細(xì)胞質(zhì)均有磁性納米顆粒的聚集[44]。在磁場作用下，細(xì)胞骨架發(fā)生坍塌，細(xì)胞器等細(xì)胞內(nèi)容物隨之發(fā)生變化，影響細(xì)胞的正常生命活動。Prasad 等[45]將磁性納米顆粒與細(xì)胞共孵育，在43℃磁場中作用30 min 后，細(xì)胞膜出現(xiàn)空泡化(見圖7(a)中MF0)。將磁熱療后的細(xì)胞繼續(xù)孵育0、4、8、12、24 h，熒光標(biāo)記的微管蛋白和肌動蛋白骨架逐漸消失，由此也得出微管蛋白和肌動蛋白骨架的破壞導(dǎo)致了細(xì)胞的死亡。

圖7 微管蛋白(a)和肌動蛋白(b)的熒光顯影[45](微管:紅色，肌動蛋白:綠色，細(xì)胞核:藍(lán)色，標(biāo)尺:1 μm)(C24:無磁性納米顆粒，無磁場，孵育24 h；F24:無磁性納米顆粒，磁場中作用30 min 后孵育24 h；M24:有磁性納米顆粒，無磁場，孵育24 h；MF0:有磁性納米顆粒，磁場中作用30 min；MF4:有磁性納米顆粒，磁場中作用30 min 后孵育4 h；MF8:有磁性納米顆粒，磁場中作用30 min 后孵育8 h；MF12:有磁性納米顆粒，磁場中作用30 min 后孵育12 h；MF24:有磁性納米顆粒，磁場中作用30 min 后孵育24 h)Fig.7 Fluorescence images of microtubules (a) and actin (b)[45] (Microtubules:red，actin:green，nucleus:blue，bar:1 μm) (C24:cells without AMF and without magnetic particles incubated for 24 h；F24:cells with AMF for 30 min but no particles incubated for 24 h；M24:cells with particles but without AMF incubated for 24 h；MF0:cells with particles and AMF for 30 min and immediately fixed；MF4:cells with particles and AMF for 30 min and incubated for 4 h；MF8:cells with particles and AMF for 30 min and incubated for 8 h；MF12:cells with particles and AMF for 30 min and incubated for 12 h；MF24:cells with particles and AMF for 30 min and incubated for 24 h)

3.2 磁熱療導(dǎo)致核酸分子損傷

脫氧核糖核酸(deoxyribo nucleic acid，DNA)作為細(xì)胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)，起到調(diào)控細(xì)胞生命活動的作用。當(dāng)腫瘤細(xì)胞內(nèi)溫度升高時，會影響DNA 和核糖核酸(ribonucleic acid，RNA)的合成，DNA 的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯等過程，細(xì)胞的生命活動也會隨之受到影響。Hilger 等[46]將人乳腺癌細(xì)胞MX－1 和人成纖維細(xì)胞HTB－125 暴露在45℃～90℃的溫度下4 min，經(jīng)堿性單細(xì)胞凝膠電泳測定雙鏈和單鏈DNA斷裂比，結(jié)果表明隨著磁熱溫度的升高，DNA 破損程度也隨之加強(qiáng)。小鼠腫瘤模型實(shí)驗得出，腫瘤細(xì)胞DNA 在55℃～60℃的斷裂是不可修復(fù)的，在此閾值溫度可消除腫瘤細(xì)胞。徐云釗等[47]研究了磁性順鉑微球?qū)β殉舶┘?xì)胞skov-3 增殖、侵襲的抑制作用，得出細(xì)胞凋亡與基質(zhì)金屬蛋白酶2、CD44v6mRNA 的表達(dá)降低有關(guān)。順鉑用于癌癥治療，是因為與細(xì)胞內(nèi)DNA 形成的加合物抑制了DNA 的轉(zhuǎn)錄和復(fù)制，導(dǎo)致細(xì)胞的壞死或凋亡。Petryk 等[48]也將順鉑和磁熱共同作用于鼠乳腺癌細(xì)胞，聯(lián)合治療的效果是順鉑單獨(dú)治療的1.4 倍，是單獨(dú)磁熱療的1.7 倍。

DNA 的損傷和修復(fù)過程會生成特定的生物標(biāo)志物，通過檢測生物標(biāo)志物活性用以探究腫瘤磁熱療的作用機(jī)制[49]。M1dG 和8-oxodG 加合物是氧化應(yīng)激和脂質(zhì)過氧化的生物標(biāo)志物，Cellai 等[50]通過檢測其濃度來探究DNA 氧化損傷在腫瘤磁熱療中的作用機(jī)制，如圖8所示。實(shí)驗結(jié)果表明，DNA 氧化損傷有劑量依賴性，在Fe3O4納米顆粒為60 μg/mL 時趨于平緩；暴露于交變磁場造成的DNA 氧化損傷量是未受磁熱作用的20 倍，說明磁熱引起的氧化應(yīng)激損傷是腫瘤治療的有效手段。Yang 等[51]以羥基磷灰石修飾磁性納米顆粒提高其生物相容性，將其與肝癌細(xì)胞HepG2 共孵育，置于交變磁場30 min，細(xì)胞致死率達(dá)50%，乳酸脫氫酶濃度是對照組的3 倍。另外，p38 MAPK 的MKK3/MKK6 和ATF-2 受到抑制，導(dǎo)致ATM 和GADD45(DNA 損傷修復(fù)基因)下調(diào)。以上充分說明磁熱增強(qiáng)了胞內(nèi)活性氧水平，進(jìn)而造成DNA 損傷且不易修復(fù)，最終導(dǎo)致癌細(xì)胞的死亡。

圖8 磁熱誘導(dǎo)的DNA 氧化應(yīng)激損傷機(jī)制示意圖[50]Fig.8 Potential mechanisms underlying the genotoxic effects caused by magnetic hyperthermia[50]

3.3 磁熱療導(dǎo)致免疫系統(tǒng)發(fā)生變化

熱療不僅可以直接殺死腫瘤細(xì)胞，還可以激活免疫細(xì)胞的免疫功能，其中包括抗原提呈細(xì)胞(antigen-presenting cell，APC)、T 細(xì)胞和自然殺傷細(xì)胞(natural killer cell，NK 細(xì)胞)等，以此增強(qiáng)免疫系統(tǒng)對于腫瘤的殺傷力。APC 的主要功能為攝取、加工和處理腫瘤抗原，隨后提呈給T 淋巴細(xì)胞，使其對腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生特異性免疫應(yīng)答。Kobayashi等[52]綜述了磁熱療引起的免疫原性細(xì)胞死亡的過程，如圖9所示。磁熱療后，腫瘤細(xì)胞的壞死、凋亡和自噬過程會釋放損傷相關(guān)的分子，即腫瘤相關(guān)抗原物質(zhì)。這些物質(zhì)可以在腫瘤部位招募單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞(dendritic cell，DC)等免疫細(xì)胞，啟動機(jī)體適應(yīng)性免疫反應(yīng)，進(jìn)而殺死或清除腫瘤細(xì)胞，發(fā)揮抗腫瘤免疫效應(yīng)。常見的損傷相關(guān)的分子有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白、熱休克蛋白(heat shock protein，HSP)、高遷移率族蛋白B1、終級降解產(chǎn)物(如三磷酸腺苷、DNA、RNA、尿酸等)、S100 蛋白和鞘氨醇等。

圖9 免疫原性細(xì)胞死亡:將死細(xì)胞中釋放的與損傷相關(guān)的分子模式可招募免疫細(xì)胞并誘導(dǎo)抗腫瘤免疫[52]Fig.9 Immunogenic cell death:damage-associated molecular patterns released from various forms of dying cells recruit immune cells and induce antitumor immunity[52]

HSP 在腫瘤細(xì)胞熱療過程中高表達(dá)，進(jìn)而激活DC 達(dá)到抗腫瘤免疫反應(yīng)[53-54]。然而，人腦膜瘤的磁熱療鮮有報道。王銳[55]結(jié)合氧化鐵的磁熱療(42.5℃，30 min)和熱休克RNA-1 反義轉(zhuǎn)染基因治療以抑制人腦膜瘤細(xì)胞熱休克因子1 的蛋白活性，阻斷HSP27、HSP70 和HSP90 的誘導(dǎo)表達(dá)，提高人腦膜瘤細(xì)胞熱敏感性，達(dá)到抑制腫瘤細(xì)胞增殖和誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的治療效果。黃芳玲[56]將非甲基化CpG 基序的寡聚脫氧核糖核苷酸與機(jī)體細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的Toll 樣受體9 作用，活化APC，促進(jìn)DC 成熟，進(jìn)而活化CD4＋T 或CD8＋T 細(xì)胞，或活化NK 細(xì)胞等，協(xié)同磁熱療，增強(qiáng)抗腫瘤細(xì)胞免疫。李鳳武[57]將人表皮生長因子受體2(human epidermal growth factor receptor-2，HER2)核酸適配體修飾到鐵納米顆粒上，靶向攻擊HER2 陽性乳腺癌細(xì)胞，以此提高其熱療效果。歐陽偉煒[58]也將甲氨蝶吟共價結(jié)合到多聚乙烯亞胺修飾的磁性納米顆粒Fe3O4表面，聯(lián)合磁熱療和化療研究其對免疫功能的影響。經(jīng)外周血檢測，聯(lián)合治療組中γ-干擾素、白細(xì)胞介素-2(interleukin-2，IL-2)、IL-4 均有高表達(dá)，說明磁熱療和化療不僅激活了機(jī)體細(xì)胞免疫功能，也激活了體液免疫功能。

磁熱療引發(fā)的免疫反應(yīng)，不僅可以消除腫瘤，還可以防止腫瘤的轉(zhuǎn)移和復(fù)發(fā)。Chao 等[59]將鐵納米顆粒局部注射到腫瘤，同時，聚乙二醇/多巴胺修飾的鐵納米顆粒靜脈注射并聚集于腫瘤組織，在低功率磁熱療下將腫瘤消融。局部的磁熱療與系統(tǒng)給藥的檢查點(diǎn)阻斷抗體(細(xì)胞毒性T 淋巴細(xì)胞抗原4 單克隆抗體，anti-cytotoxic T-lymphocyte antigen-4，anti-CTLA4)結(jié)合，引發(fā)了類似于疫苗的系統(tǒng)免疫反應(yīng)，能夠有效抑制腫瘤轉(zhuǎn)移和防止腫瘤復(fù)發(fā)。Wang等[60]設(shè)計合成了腫瘤細(xì)胞膜修飾的Janus 結(jié)構(gòu)的磁性納米顆粒，并將其用于光動力和磁熱的聯(lián)合治療，引發(fā)了腫瘤特異性的免疫反應(yīng)。再結(jié)合anti-CTLA4，仿生且可生物降解的納米顆粒徹底根除了原發(fā)性和深度轉(zhuǎn)移性腫瘤。

4 磁熱療在腫瘤治療中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的腫瘤治療技術(shù)以手術(shù)治療、放射線治療(放療)、化學(xué)藥物治療(化療)為主，因其對正常組織的損害導(dǎo)致患者承受程度不一的副作用。腫瘤磁熱療彌補(bǔ)了傳統(tǒng)治療方式的給藥量大、給藥次數(shù)多、無靶向性等不足，與化療、放療、光熱治療、免疫治療等協(xié)同作用，提高腫瘤治療的效果[61]?；熍c磁熱療是最常用的聯(lián)合治療方式，阿霉素(doxorubicin，DOX)是最常用的模型藥物分子。王力[62]設(shè)計合成了高產(chǎn)熱率的立方體納米材料(Zn0.4Co0.6)Fe2O4＠(Zn0.4Mn0.6)Fe2O4，表面修飾以PEG 增強(qiáng)單分散性，裝載靶向分子透明質(zhì)酸(【英文全稱】HA)和藥物分子DOX，此納米復(fù)合材料可以靶向?qū)m頸癌細(xì)胞Hela，且化療和磁熱療有協(xié)同增強(qiáng)的治療效果。Ferjaoui 等[63]報道了溫度響應(yīng)性的核殼結(jié)構(gòu)的磁性納米顆粒，負(fù)載DOX 后，磁熱作用下可控釋放DOX(見圖10(a))，有效抑制了人卵巢癌細(xì)胞SKOV-3 的增殖。Cazares-Cortes 等[64]也設(shè)計了溫敏性磁納米凝膠，交變磁場下，磁熱導(dǎo)致凝膠收縮釋放藥物DOX，還可以觸發(fā)胞內(nèi)DOX 釋放(見圖10(b))，增強(qiáng)DOX 的細(xì)胞毒性。Mai 等[65]在塊狀磁性納米顆粒表面接枝溫敏性聚合物，一方面防止粒子聚集，另一方面可以負(fù)載藥物DOX。載藥納米顆粒在磁熱作用下可控釋放藥物，實(shí)現(xiàn)熒光-磁共振雙模態(tài)成像的檢測和化療-磁熱療的雙模式治療。順鉑、紫杉醇等也是常用的抗腫瘤藥物，負(fù)載于磁性納米顆粒用于腫瘤細(xì)胞的化療和磁熱療的聯(lián)合治療[47，66-68]。

圖10 磁熱控制下的藥物釋放。(a)溫敏性磁納米顆粒[63]；(b)溫敏性磁納米凝膠[64]Fig.10 The drug release under the AMF.(a) The thermosensitive magnetic nanoparticles[63]；(b)Thermosensitive magnetic nanogel[64]

放射治療是利用放射線如放射性同位素產(chǎn)生的α、β、γ 射線和各類X 射線治療機(jī)或加速器產(chǎn)生的X 射線、電子線、質(zhì)子束及其它粒子束等治療惡性腫瘤的一種方法。隨著醫(yī)療器械和治療技術(shù)的發(fā)展，將微型放射源置于腫瘤內(nèi)部，通過體內(nèi)照射殺傷腫瘤組織，而正常組織不受到過量照射，避免了嚴(yán)重的并發(fā)癥，成為放射治療的一個焦點(diǎn)。將放射性同位素與磁性納米顆粒結(jié)合，既可以磁熱療-放療聯(lián)合治療，還可以多重成像示蹤納米顆粒在腫瘤內(nèi)的分布。Ognjanovic′等[69]報道了用3 種同位素(锝(99mTc)、釔(90Y)和镥(177Lu))標(biāo)記的磁性納米顆粒，90Y 和177Lu 標(biāo)記的納米顆粒具有良好的磁致熱-輻射效應(yīng)，99mTc 標(biāo)記的納米顆粒有優(yōu)異的成像能力。Ni 等[70]以鋯(89Zr)標(biāo)記磁性納米顆粒和卟啉分子，將其用于切倫科夫輻射誘導(dǎo)的光動力治療。89Zr 標(biāo)記的納米顆粒組織穿透能力強(qiáng)，不需要外部光激發(fā)，磁靶向聚集在腫瘤部位，是一種先進(jìn)的磁增強(qiáng)切倫科夫輻射誘導(dǎo)的光動力治療試劑。Spirou 等[71-72]綜述了磁熱療和放療的協(xié)同作用，分析了不同區(qū)域的細(xì)胞、細(xì)胞的不同時期、腫瘤微環(huán)境、熱損耗、腫瘤部位熱量濃度等因素對磁熱療和放療的影響，為研究人員提供理論和實(shí)驗依據(jù)。

光熱療以非侵入性、精準(zhǔn)的特點(diǎn)受到研究者們的青睞，但是光的穿透深度有限，為解決這個局限性，近紅外光熱治療成為研究熱點(diǎn)[73]。產(chǎn)熱效率一直是腫瘤治療的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，近紅外光熱療與磁熱療的聯(lián)合使用，致使產(chǎn)熱效率倍增，治療效果更佳。Espinosa 等[74]合成的塊狀氧化鐵納米粒，在交變磁場和近紅外光(808 nm)的輻照下產(chǎn)熱率是單獨(dú)磁熱的15 倍，雙模態(tài)熱療致使細(xì)胞全部凋亡。Corato等[75]將光敏劑和磁性納米顆粒包裹于脂質(zhì)體中，將其用于光動力和磁熱的雙重治療，致使實(shí)體瘤的徹底消融。Das 等[76]設(shè)計了多功能Ag/Fe3O4納米花雙熱療試劑，在外加磁場(200 Oe)和激光照射下，SAR 提高了一個數(shù)量級。例如加熱溫度需要40℃～44℃，單獨(dú)磁熱需要600 Oe 的磁場強(qiáng)度；若二者協(xié)同作用，需要400 Oe 的磁場強(qiáng)度和0.53 W/cm2的激光強(qiáng)度，或200 Oe 的磁場強(qiáng)度和0.93 W/cm2的激光強(qiáng)度。由此可見，光熱和磁熱的聯(lián)合使用，顯著降低了所需的磁場強(qiáng)度和激光強(qiáng)度，使其使用劑量在安全范圍內(nèi)。

免疫治療是新興的一種治療方式，旨在激活人體免疫系統(tǒng)，依靠自身免疫機(jī)能殺死腫瘤細(xì)胞。磁熱療促使腫瘤細(xì)胞釋放HSP，HSP 與胞內(nèi)多肽物質(zhì)形成復(fù)合物，激活A(yù)PC，啟動并促進(jìn)T 細(xì)胞特異性免疫反應(yīng)[77]。Pan 等[78]合成了單分散、超順磁性CoFe2O4＠MnFe2O4納米顆粒，結(jié)合程序性死亡配體1(programmed death-ligand 1，α-PD-L1)，聯(lián)合磁熱療和檢查點(diǎn)阻斷免疫療法用于原發(fā)性腫瘤的消融和轉(zhuǎn)移瘤的抑制。Liu 等[79]也將磁熱療與免疫治療結(jié)合，用于原發(fā)性腫瘤的根除和轉(zhuǎn)移瘤的抑制，具體步驟為:氧化鐵納米環(huán)產(chǎn)生磁熱，誘導(dǎo)乳腺癌細(xì)胞4T1 表達(dá)鈣網(wǎng)蛋白(calreticulin，CRT)，CRT 傳遞“吃掉我”信號，促使免疫系統(tǒng)吞噬癌細(xì)胞，導(dǎo)致免疫原性細(xì)胞有效死亡。Chao 等[32]聯(lián)合聚乙二醇/多巴胺修飾的鐵納米顆粒和anti-CTLA4 消融原發(fā)性腫瘤和抑制轉(zhuǎn)移瘤。程序性死亡受體-1(programmed cell death protein，PD-1)和CTLA4 具有負(fù)性免疫調(diào)節(jié)作用，抑制T 細(xì)胞的免疫應(yīng)答，被稱為免疫檢查點(diǎn)。檢查點(diǎn)阻斷免疫療法是解除抑制T 細(xì)胞的激活，現(xiàn)在研究最多的是靶向PD-1/PD-L1 和CTLA4的單克隆抗體，通過阻斷PD-1 和CTLA4 的負(fù)調(diào)控通路以達(dá)到強(qiáng)化T 細(xì)胞免疫應(yīng)答，進(jìn)行腫瘤的治療[80-81]。磁熱療有顯著的免疫調(diào)節(jié)的作用，聯(lián)合免疫治療，二者協(xié)同增效，在腫瘤聯(lián)合治療中發(fā)揮著重要作用。

腫瘤細(xì)胞的磁熱療雖然在臨床研究中得以廣泛應(yīng)用，但是磁性納米顆粒的生物相容性、使用劑量、交變磁場頻率、局域溫度等是不容忽視的生物安全問題。一般認(rèn)為治療溫度在42℃～45℃[82]，超過50℃的熱療是有爭議的；人體感受的磁場強(qiáng)度(H)和頻率(ν)的臨界值H.ν 為4.85×108A (m.s)－1。

磁性納米顆粒在腫瘤治療中一方面作為磁熱療的治療試劑，一方面作為藥物載體用作化療試劑[83]。磁性納米顆粒具有納米材料的通病，比表面積大、穿透能力強(qiáng)，即便自身沒有毒性，在體內(nèi)運(yùn)輸至病變組織時也會產(chǎn)生不安全因素，所以深入研究材料與細(xì)胞的作用機(jī)制有助于優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)和使用安全[84]。為了減小磁性納米顆粒在體內(nèi)的聚集或與蛋白等生物分子結(jié)合，常修飾以生物相容性的分子增強(qiáng)其分散性。Kim 等[85]以磁性納米顆粒為核SiO2為殼，經(jīng)熒光標(biāo)記發(fā)現(xiàn)該納米顆粒能穿過血腦屏障，4 周后仍在各組織器官(腦、肝、腎、睪丸、心臟、肺、脾、子宮) 中有存留，但沒有明顯毒性。Coricovac 等[86]采用非侵入法證實(shí)了油酸包裹的Fe3O4和Fe2O3接觸人皮膚24 h 沒有傷害。Agotegaray 等[87]采用殼聚糖包覆Fe3O4來研究其對血液、血管、神經(jīng)和行為水平上的毒理學(xué)影響。納米材料在100 μg/mL 時不影響內(nèi)皮細(xì)胞的存活率，也不影響紅細(xì)胞沉降率和完整性，血小板聚集也不受影響。對小鼠進(jìn)行亞急性治療后，行為和功能神經(jīng)系統(tǒng)評估顯示小鼠有腎炎和脾臟巨核細(xì)胞增多的跡象，但是未顯示有神經(jīng)系統(tǒng)毒性。以上研究證明，選擇合適的表面修飾物能增強(qiáng)磁性納米顆粒的生物相容性，但是細(xì)胞存活率不足以評價納米材料的生物學(xué)毒性。

H?feli 等[88]將磁性納米顆粒修飾以聚氧乙烯封端的三嵌段聚合物，分子量高于2 kDa 顯示較小的細(xì)胞毒性，分子量低于2 kDa 其細(xì)胞毒性明顯。Wu 等[89]構(gòu)建了檸檬酸或葡聚糖修飾的Fe3O4納米顆粒，與人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞共孵育24 h，在低濃度([Fe]:0.1 mM)時二者均為較高的細(xì)胞存活率(>80%)，但是細(xì)胞骨架和細(xì)胞功能受到破壞。Sadeghi 等[90]采用肺吸入法研究了Fe2O3納米顆粒對肺和肝的毒性，結(jié)果顯示納米顆粒引起大鼠的肺氣腫、肺間質(zhì)充血和肺部炎癥。Kim 等[91]綜述了作為藥物載體的磁性納米顆粒與蛋白和細(xì)胞的相互作用，分別闡述了其對組織器官、神經(jīng)系統(tǒng)、心血管和血液系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)和肝臟等潛在的生物毒性，并指出這些經(jīng)典的毒理學(xué)分析并不足夠反映其臨床應(yīng)用的效果，定量分析和結(jié)構(gòu)性質(zhì)測定新方法的開發(fā)能更好的指導(dǎo)研究人員在臨床上的安全使用。磁性納米顆粒的生物學(xué)毒性與其尺寸、表面官能團(tuán)、結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，也與給藥方式、在體內(nèi)的分布以及代謝途徑有關(guān)，其研究涉獵范圍較廣[92]。

5 總結(jié)與展望

磁性納米顆粒作為一類生物相容性好、表面易修飾的熱療載體，在腫瘤微創(chuàng)治療中得到廣泛應(yīng)用。本文綜述了磁性納米顆粒的產(chǎn)熱機(jī)制，在腫瘤治療中與細(xì)胞的作用機(jī)制，以及與其他治療方法的協(xié)同增效作用。目前，磁性納米顆粒的研究還處于理論階段，集中于優(yōu)化材料的合成路線、結(jié)構(gòu)、形貌等以提高產(chǎn)熱率，對其進(jìn)行表面修飾達(dá)到材料的單分散性、在體內(nèi)的長循環(huán)、靶向性、生物相容性等。現(xiàn)在，已有研究利用仿生技術(shù)、生物礦化技術(shù)等設(shè)計合成生物相容性的磁性納米顆粒，并將其用于疾病的診斷和治療。磁性納米顆粒不僅可以利用磁熱殺傷腫瘤細(xì)胞，還可以充當(dāng)納米酶用于磁催化治療。磁熱與其他治療方式的結(jié)合仍將是未來的發(fā)展方向，如何在安全范圍內(nèi)(磁場強(qiáng)度、局部溫度、穿透深度、藥物濃度、激光強(qiáng)度等)協(xié)同增效是需要解決的問題，磁性納米顆粒在體內(nèi)的生物學(xué)毒性和安全性評價仍需要大量的研究為臨床應(yīng)用提供必要的實(shí)驗數(shù)據(jù)。另外，精準(zhǔn)的醫(yī)療器械的開發(fā)也是一大挑戰(zhàn)。