邵楠，陳晰

哈爾濱醫(yī)科大學附屬第二醫(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構的鐵磁物質，溫度低于居里溫度并且高于轉變溫度時，在外磁場作用下其順磁性磁化率遠高于一般順磁材料磁化率[1-2]。作為納米級別的磁體，Fe3O4磁性納米粒子在非均勻磁場中受到力時，具有傾向于逆場梯度運動的特性，Fe3O4磁性納米粒子的超高磁遷移率可讓生物分子和細胞之間實現磁分離，使體內及體外環(huán)境中藥物磁性控制靶向釋放成為現實[3-4]。而且磁性納米粒子具有將電磁能量轉化為熱能的能力，可用于淺表實體腫瘤的熱療技術中，這些特質也使它廣泛應用于生物醫(yī)學領域，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用研究進展。

1 超順磁Fe3O4納米粒子的制備

通過化學方法可以獲得各種結構和成分的磁性納米粒子[5-7]，在過去的十幾年內，人們在致力于研究磁納米顆粒的制備過程中，發(fā)現了很多高效且高品質的合成方法，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作為基礎，根據溶度積原理，在含有特定配比的陽離子溶液中，加入適當的沉淀劑（一般為OH-）后，形成所需納米粒子。獲得的納米顆粒通常會在表面吸附大量的OH-，因此還需要進行洗滌、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節(jié)反應溫度、pH 值、鐵鹽的類型和比例、離子強度等來實現。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，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行的，如右旋糖苷或淀粉，它們與氧化鐵結合并具有親水性和生物相容性的表面。由此產生的納米顆?？梢栽诖蠖鄶瞪镆后w中很好地分散。共沉淀法是一種簡單、經濟、適合大規(guī)模合成的方法。因此，到目前為止，大多數用于生物醫(yī)學的Fe3O4磁性納米粒子是通過共沉淀法制備的[8-9]。但是對于磁性納米粒子的合成，共沉淀法通常很難獲得高質量的單分散膠體，不利于其在各個領域的廣泛應用。

1.2 熱分解法

熱分解法是合成磁性納米粒子最簡單的途徑之一。有機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存環(huán)境，如加熱、光照和超聲等[10]，可分解成零價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體[11]。常規(guī)操作是將容易分解的金屬前驅體快速注入具有高沸點的有機溶劑中來實現納米粒子的快速成核，通過控制反應時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合物作為前驅體可以制備金屬氧化物。在合成單分散磁性納米粒子時，對反應體系加熱，前驅體乙酰丙酮鐵[Fe（acac）3]發(fā)生分解，最終得到所需產物。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、結晶度高、分散性好的優(yōu)點。

1.3 仿生合成法

在石鱉和趨磁細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。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)境條件和水介質中實現對磁鐵礦結晶動力學的控制。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)生長設定條件。此外，還可以使用各種有機添加劑，如蛋白質、多肽和聚合物，促進或抑制磁鐵礦成核和生長[13]。Bird 等[14]率先在技術應用中實現了仿生磁鐵礦形成。通過使用軟光刻技術，創(chuàng)建一個圖案表面，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)域的部分氧化實現磁鐵礦納米顆粒的選擇性成核和生長。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/長度為（0.899±0.066）nm]水凝膠-磁鐵礦復合材料目前正受到密切關注，特別是對其在生物學應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用

超順磁Fe3O4納米粒子的超順磁性使其可被外界的磁場調控，進而實現了對腫瘤組織的靶向給藥，也使其在細胞治療中發(fā)揮作用。基于氧化鐵的磁性納米顆粒作為MRI 造影劑已在臨床試驗中得到應用，而且Fe3O4磁性納米粒子在交變磁場下可產生一定的熱量，可使腫瘤組織的局部因過熱而失活。另外磁性納米技術也可通過外部磁場選擇性地高效傳遞治療相關基因，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臟器官如肝、腎及中樞神經系統(tǒng)的基因傳遞效率。也正因如此，磁性納米技術使活體腫瘤的基因治療進入了全新的前沿領域。

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，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胞機制并研制開發(fā)治療惡性腫瘤的藥物。這也促使了對新型納米藥物（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。磁靶向治療的研究目的是通過磁場引導藥物分子載體，使其優(yōu)先積聚在靶組織中，減少不良反應。以載體和載體結合各種生物活性分子（如藥物、基因、酶和其他蛋白質或核苷酸）為基礎，創(chuàng)建復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。

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[19-21]。在注射入血液后，這些團簇容易被單核吞噬系統(tǒng)（mononuclear phagocyte system，MPS）清除，該系統(tǒng)可以迅速將這些團簇從循環(huán)中移除，從而減少它們對腫瘤部位的作用。

如今，診斷治療學已經引起了特別的關注，因為它結合了腫瘤診斷和治療，圖像引導光療的診斷治療系統(tǒng)被認為是一種潛在的腫瘤治療技術，而磁性納米粒子在其中扮演著載體的重要角色。在一項研究中，Fe3O4納米粒子被負載在稻草纖維素上作為5-氟尿嘧啶載體，用于潛在的結直腸癌治療[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，以及對動物的全身毒性[19]。

2.2 腫瘤光熱療法

光熱治療（photothermal therapy，PTT）以腫瘤內積累的光熱劑作為外源性熱源，結合近紅外光（near infrared spectrum instrument，NIR）照射，具有侵襲性小、治療效果好等優(yōu)點，是一種選擇性光熱消融腫瘤細胞而不損傷正常細胞的微創(chuàng)方法，在抗腫瘤治療中得到了廣泛的關注。此外，為了提高治療效果，許多多模式治療納米結構已經通過將光熱劑與抗腫瘤藥物、光敏劑或放射增敏劑結合，從而產生協同效應。各種功能材料也被吸收、附著、封裝或包覆在光熱納米結構上，用于熒光、CT、MRI，通過診斷和治療結合實現腫瘤診斷、腫瘤定位、部位特異性治療和治療反應評估。雖然免疫治療已經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暴產生嚴重不良反應（如細胞因子釋放綜合征等）而不可忽視[23]。在IMpassion130 試驗中，部分患者發(fā)生Ⅲ級以上間質性肺炎，嚴重者導致死亡[24]，開發(fā)低毒有效的治療方式勢在必行。

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

2.3 基因治療

基因治療目前被認為是臨床領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?！癿agnetofection”就是用磁場來提高基因轉染效率的材料。在體外培養(yǎng)的細胞中，特別是在傳統(tǒng)基因傳遞方法難以轉染的細胞中，利用磁鏈技術實現高轉染效率的報道很多。用于磁化的Fe3O4納米粒子通常涂以陽離子聚合物，如聚乙烯亞胺或陽離子脂質，通過靜電相互作用吸附siRNA 或DNA 質粒[30-31]。應用磁場可以將Fe3O4磁性納米粒子集中在細胞表面，從而增強細胞對其攜帶的核酸的吸收。在被細胞內化后，陽離子包被進一步破壞核內體的穩(wěn)定性，從而釋放物質進入細胞質。磁靶向還可以改善體內基因傳遞。例如，siRNA 與含有磁性納米粒子的脂質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。

2.4 細胞療法

近年來，細胞療法已經成為許多疾病的一種有前途的治療方法，包括再生醫(yī)學和免疫系統(tǒng)干細胞重編程腫瘤治療的細胞。與化療相似，細胞療法的治療效果依賴于足夠的工程細胞募集到目標組織，而細胞播散到正常組織會增加畸胎瘤或自身免疫反應的風險。磁靶向在細胞治療中的應用要求細胞被磁化，通常是通過誘導細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，每個人間充質干細胞（human mesenchymal stem cell，hMSC）可以裝載超過106個MION，而不影響其生存能力和多能性。經靜脈注射后，這些被磁化的hMSC可被小塊磁鐵捕獲于尾靜脈或股動脈。另一項在小鼠腫瘤模型中的研究進一步表明，在小動物MRI 儀器產生的磁場下，含有MION 的巨噬細胞可以靶向前列腺原發(fā)腫瘤或肺轉移灶，證明了體內磁靶向的可行性。磁靶向溶瘤巨噬細胞可顯著增加原發(fā)腫瘤壞死面積，減少肺轉移灶計數。

3 小結與展望

納米磁學憑借其允許在單個細胞周圍產生局部磁性、機械和熱場分子的特點，為生物醫(yī)學研究和臨床應用提供了獨特的工具。制造性能更好的超順磁性Fe3O4納米粒子的能力和生物醫(yī)學應用的需要推動了超順磁性Fe3O4納米粒子的發(fā)展。與此同時，在現代醫(yī)學中，“一刀切”的診療方法正逐漸被精準醫(yī)療所取代，精準醫(yī)療的目標是針對特定的致病分子或細胞進行個性化診斷。這兩個領域的發(fā)展有助于將Fe3O4磁性納米粒子的應用從傳統(tǒng)的藥物傳遞、成像和熱療擴展到基因組編輯、細胞治療。

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生、能量傳遞和粒子間相互作用的機制，這需要在材料科學、量子力學和化學領域共同努力。此外Fe3O4磁性納米粒子的生物學功能依賴于其在體內達到靶分子/細胞的浸潤能力。開發(fā)新的策略以克服體內運輸障礙，從系統(tǒng)到細胞水平是迫切需要的。這不僅需要新的納米制造技術，也需要更好地理解納米相互作用，包括對納米材料的免疫反應。將更多的Fe3O4磁性納米粒子應用到臨床，還需要進行廣泛努力。隨著多學科領域的發(fā)展，未來十年將會有更個性化、高性能的超順磁性Fe3O4納米粒子和更多的分子療法出現。