樸美玉，趙經(jīng)文

隨著生物技術(shù)不斷進步，利用新型功能納米材料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域來進行診斷、治療已成為新的研究熱點。20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的磁性納米粒子(magnetic nanoparticles，MNP)在生物醫(yī)學(xué)方面呈現(xiàn)出良好的應(yīng)用潛力。在已報道的各種磁性材料中，磁性氧化鐵納米粒子(iron oxide nanoparticles, IONPs)，特別是Fe3O4和γ-Fe2O3的制備及應(yīng)用研究尤其受到關(guān)注。IONPs的磁響應(yīng)性和生物相容性較好，毒性低，比表面積大以及飽和磁化強度高，在外加磁場作用下可控性好，制備過程相對簡便，易于被功能化。因此IONPs可以成為蛋白質(zhì)、低分子量試劑、離子、無機或有機污染物等物質(zhì)的高效載體，并在磁共振造影成像、靶向藥物運輸及控制釋放、磁性分離提純、磁感應(yīng)腫瘤熱療和靶向基因治療等方面廣泛應(yīng)用[1]。本文在簡要介紹磁性氧化鐵納米粒子的基本性質(zhì)的基礎(chǔ)上，對IONPs的在生物醫(yī)藥方面的最新研究進展進行綜合評述。

1 IONPs的基本性質(zhì)和制備

氧化鐵系列化合物以不同的形式廣泛存在于自然界中，常見的無水氧化鐵系列化合物按晶體結(jié)構(gòu)中鐵離子的化合價來進行分類主要有三種。第一種氧化亞鐵FeO，立方晶體結(jié)構(gòu)中只有Fe2+，熱力學(xué)不穩(wěn)定，在室溫下具有反鐵磁性。第二種氧化鐵Fe2O3，晶體結(jié)構(gòu)中只有三價鐵離子，但具有多態(tài)性，即其不同的晶體結(jié)構(gòu)可以具有不同物理化學(xué)性質(zhì)，有以下四種晶型：⑴α-Fe2O3，六方晶體結(jié)構(gòu)；⑵β-Fe2O3，立方晶體結(jié)構(gòu)；⑶γ-Fe2O3，反尖晶石結(jié)構(gòu)的立方晶體結(jié)構(gòu)；⑷ε-Fe2O3，正交晶系晶體結(jié)構(gòu)。第三種是四氧化三鐵Fe3O4，同時含有Fe2+和Fe3+的，反尖晶石結(jié)構(gòu)的立方晶體結(jié)構(gòu)。Fe3O4和γ-Fe2O3因其特有的磁性質(zhì)，成為生物醫(yī)學(xué)和生物技術(shù)應(yīng)用方面的候選材料，與體相材料有明顯差別[2]。在γ-Fe2O3或Fe3O4中用非鐵離子置換晶體結(jié)構(gòu)中的鐵離子會改變它們的滯后參數(shù)(磁硬度)，從而改變其磁特性。另一方面，如果它們的納米粒子大小在特定閾值之下(通常約10～15 nm)，會有自發(fā)磁化特性，磁矩呈任意取向，呈現(xiàn)超順磁性，即無磁滯現(xiàn)象。

合成磁性粒子的路線主要有以下六類：共沉淀法、水熱合成法、溶膠-凝膠合成法、流動注射合成法、超聲波輔助法、高溫分解法。此外，除了以溶劑和熱分解為基礎(chǔ)的合成方式，磁性粒子還可以通過生物體內(nèi)趨磁細菌的生物礦化反應(yīng)而得。新合成的MNP大都穩(wěn)定性高、單分散性良好，但是具有疏水性，并且由于納米粒子固有的表面效應(yīng)和小尺寸效應(yīng)，表面原子具有極強的活性，容易發(fā)生團聚等問題，導(dǎo)致磁特性消失，在體內(nèi)會迅速被網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)吞噬。因此需對其進行表面改性使其穩(wěn)定再應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)方面。常用的方法是構(gòu)成核-殼結(jié)構(gòu)，其磁性核心和表面化學(xué)性質(zhì)決定它的功能和工作環(huán)境。一方面，通過調(diào)整磁性核心的性質(zhì)(如化學(xué)組成)和晶格結(jié)構(gòu)(如大小)等可以使納米粒子有更強的磁響應(yīng)。另一方面，通過殼表面包覆合適的功能化分子使磁性粒子在溶液中具有更好的性質(zhì)：(1)提高穩(wěn)定性和生物相容性，防止磁性粒子在血液等不利環(huán)境中降解；(2)抑制磁性粒子間的相互作用，增加分散性；(3)為連接的生物活性分子提供官能團，可結(jié)合和運輸物質(zhì)；(4)提高pH響應(yīng)性，降低毒性等。殼表面通常由無機(二氧化硅、金、碳等)、有機表面活性劑(油酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉等)或有機聚合物(聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乳酸等)通過表面化學(xué)修飾包覆。合成的無機或有機磁納米復(fù)合物可以有更多的功能，甚至兼具治療和診斷學(xué)性質(zhì)，在兩個領(lǐng)域都發(fā)揮作用。不同核-殼的磁性納米粒子的大小從幾納米到幾百納米不等，并表現(xiàn)出不同的結(jié)構(gòu)形狀。單個顆粒大于50 nm為超順磁性氧化鐵納米粒子(superparamgnetic iron oxide，SPIO)，4～13 nm為超小型超順磁性氧化鐵納米粒子(ultrasmall superparamagnetic iron oxide，USPIO)，通常為半球形。從濃縮的氧化鐵納米粒子中獲得的納米簇要大得多(>50 nm)，也是半球形[3]。除了半球形，還有納米管、四面體納米粒子[4]、磁性納米星[5]、納米桿等形狀。此外，磁性納米粒子的化學(xué)性質(zhì)不僅由它們的形狀和大小決定，還受流體力學(xué)直徑、溶劑分散性、表面電荷、膠體穩(wěn)定性、對極端磁場的響應(yīng)速度等影響。

2 IONPs的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

2.1 磁共振成像 磁共振成像(MRI)已成為診斷組織病變，檢測腫瘤的有效的方法之一。目前已經(jīng)投入臨床使用的造影劑多為納米級別的磁性材料。SPIOs在保證安全性的前提下，在病灶組織內(nèi)特異性分布較強，且起效濃度(nM級別)遠低于釓類金屬配合物，可以逃離單核吞噬細胞系統(tǒng)(MPS)。SPIOs可以明顯改變磁性納米顆粒附近的水分子的T2，提高圖像的負反差。其對比性能受納米粒子自身大小、親水性、表面殼厚度影響。使用低分子量化合物共軛連接磁納米顆?？梢允褂行ё孕龔拇藕诵霓D(zhuǎn)移到周圍的水中，從而提高水的弛豫效能。Wang等[6]報告使用聚乙二醇(PEG)單甲醚聚合脂質(zhì)囊泡承載還原響應(yīng)SPIO/阿霉素(DOX)(SPIO&DOX-PPLVs)作為一種新型的腫瘤磁共振成像診斷和藥物遞送控制治療診斷系統(tǒng)。體外表征顯示SPIO&DOX-PPLV具有納米尺寸的結(jié)構(gòu)(～80 nm)，優(yōu)良的膠體穩(wěn)定性，良好的生物相容性，以及相對高的T2弛豫(r2=213.82mM-1s-1)。體外細胞攝取研究和抗腫瘤研究顯示SPIO和DOX-PPLV具有磁性靶向性質(zhì)和有效的抗腫瘤活性。體內(nèi)研究顯示SPIO和DOX-PPLV具有優(yōu)異的T2加權(quán)腫瘤靶向MRI能力，圖像指導(dǎo)藥物遞送能力和高抗腫瘤效應(yīng)。這些結(jié)果表明SPIO&DOX-PPLVs是用于MRI診斷和癌癥治療有前途的納米載體。雖然超順磁性氧化鐵納米粒子(SPIO)被認為是用于使用磁共振成像(MRI)體內(nèi)跟蹤干細胞的有前途的工具，但是它們的信號在注射細胞消失數(shù)周后仍然存在于心臟中。為了克服這個缺點，Mahmoudi等[7]使用磁-內(nèi)胚層(ME)衍生的趨磁細菌標(biāo)記人誘導(dǎo)多能干細胞衍生的心肌細胞(iPSC-derived cardiomyocytes, iCMs)。將ME-標(biāo)記的iCMs注射到鼠心臟的梗塞區(qū)域，通過MRI和生物發(fā)光成像(BLI)進行探測，結(jié)果顯示ME在細胞死亡的1周內(nèi)清除。

2.2 靶向藥物運輸 靶向藥物運輸，尤其是抗腫瘤靶向給藥是目前給藥方式的研究熱點。磁靶向藥物(magnetic targeted drug delivery,MTDD)治療是將藥物先固定到MNP，然后注射載藥MNP，利用外部永磁體產(chǎn)生的高梯度磁場引導(dǎo)粒子準(zhǔn)確集中到所需部位。藥物通過酶的活性或pH、滲透壓和溫度等的變化從磁性載體釋放。最終提高靶區(qū)藥物濃度降低對正常組織毒副作用，提高藥效。磁靶向藥物治療效果受到粒子物理性質(zhì)、用量濃度、結(jié)合藥物類型、注射方式、靶組織的血管供應(yīng)、外部磁場的幾何形狀、強度和持續(xù)時間等條件影響。患者的生理參數(shù)，如體重、血容量、心輸出量、循環(huán)系統(tǒng)的外周阻力和器官功能，也會影響外部磁鐵的效率。對于大多數(shù)的磁性載體，在靶區(qū)部位是200～700 mT磁場強度(磁通密度)與約8～100 T/mZ軸梯度。當(dāng)磁場力超過線性血流速度(10 cm/s)或毛細管血流速度(0.05 cm/s)時，藥物可截留在目標(biāo)組織并被內(nèi)皮細胞內(nèi)吞。癌癥組織和健康組織周圍的物理環(huán)境在形態(tài)學(xué)上有很大不同，血管結(jié)構(gòu)異常。被動靶向是指20～30 nm到100～150 nm的粒子，由于實質(zhì)腫瘤的高通透高滯留效應(yīng)(enhanced permeability and retention effect, EPR)，能選擇性從血液外滲透到腫瘤間質(zhì)的受損泄漏脈管，能逃脫腎臟清除，能夠避免血漿蛋白吸附而被巨噬細胞吞噬，還能逃脫網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)的吞噬，最終被動靶向在癌癥部位。相反，健康組織濃密的上皮細胞形成了高效屏障，可阻止磁納米滲入。主動靶向給藥是指，首先在超順磁性粒子表面涂覆或修飾高分子物質(zhì)后得到磁性納米粒子、磁性微球(1～100 nm)、磁性納米球(10～500 nm)或者磁性納米囊，使其能結(jié)合藥物活性分子。繼而通過物理導(dǎo)向方法，如磁性導(dǎo)向系統(tǒng)控制，在高強度的外加磁場作用下，使藥物聚集在靶部位；或者生物導(dǎo)向方法，在磁納米表面修飾抗體等，將藥物定向輸送到治療部位，最終通過酶、pH、溫度等作用將釋放于，實現(xiàn)主動靶向治療，從而大大降低了常規(guī)治療中藥物對正常細胞的毒副作用。Peng等[8]構(gòu)建了一種新型核殼結(jié)構(gòu)Fe3O4@ZnO：Er(3+)，Yb(3+)@(β-CD)納米粒子作為藥物載體，在0.9%氯化鈉溶液中，室溫10min即可達到10%的承載率，并且隨時間延長，承載率逐漸增加，最高可達到70%。這種載藥的SPIONs在體內(nèi)正常溫度下穩(wěn)定，當(dāng)溫度≥42 ℃時，藥物會在90 min內(nèi)迅速釋放，故可利用微波輻射釋放。同時細胞殺傷實驗證明此種藥物載體無細胞毒性，在載藥后對MCF-7等癌細胞有明顯的殺傷效果。He[9]發(fā)現(xiàn)SPIONs能夠特異性靶向癌細胞，干擾癌細胞線粒體電子傳遞鏈，導(dǎo)致線粒體ROS形成，釋放細胞色素C，誘導(dǎo)癌細胞凋亡。該發(fā)現(xiàn)有助于對納米藥物設(shè)計的安全性評價。因此在磁靶向藥物運輸方向上，研究主要著重于如何通過修飾磁性納米粒子來提供藥物代謝動力學(xué)、腫瘤選擇性和個性化的治療方案。

2.3 磁性分離提純 高效分離細胞、蛋白質(zhì)以及遺傳物質(zhì)(DNA、RNA)是臨床上的重要步驟，MNP在生物分離提純方面發(fā)揮的作用也愈發(fā)受到人們重視。將磁性載體置于溶液中后，溶液中的目的蛋白或細胞會吸附到載體表面，并在外加磁場的定向控制下實現(xiàn)物理分離。去掉磁場后，MNP可立即重新分散于溶液中?；诖朔椒梢灾苯訌脑瓨尤缪獦?、骨髓、組織勻漿、培養(yǎng)基等中將目的細胞或蛋白分離，操作簡單快捷、過程溫和、可重復(fù)利用，在生物分離與生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域中具有獨到的優(yōu)勢。Borlido等[10]發(fā)現(xiàn)MNP可用于通過抗體分離細胞，以及通過靜電相互作用分離離子。研究結(jié)果證實，可通過多克隆抗體修飾的免疫磁珠分離人體CD4、CD8、CD19、CD34等細胞，分離效率達99.9%以上。Gadke等[11]將官能化的超順磁性氧化鐵納米顆粒直接添加到巨大芽孢桿菌生長培養(yǎng)基上清中，孵育10 min后，>85%的重組蛋白A產(chǎn)物被吸附到顆粒上。使用手持式釹磁體磁性分離顆粒，并洗脫產(chǎn)物。0.5 g/L低的顆粒濃度即可有效的分離產(chǎn)物，且也不影響細菌的生長。在一步純化中，蛋白A產(chǎn)物的純度可以達到> 99.9%，故應(yīng)用氧化鐵納米顆粒是一種很好的輔助分離手段。

2.4 磁致發(fā)熱治療 磁致發(fā)熱治療(magnetic fluid hyperthermia, MFH)是MNP和SPIO在生物醫(yī)學(xué)方面的又一應(yīng)用領(lǐng)域。由于腫瘤組織在高熱下相比于正常組織散熱困難，溫度升溫快，對熱耐受性低于正常組織，因此熱療可以達到抗癌治療效果。研究表明，利用外加磁場將磁性納米粒子集中到腫瘤部位，再由外加交變磁場(alternating magnetic field, AMF)通過感應(yīng)渦流、磁滯損耗或者奈爾松弛產(chǎn)生的發(fā)熱效應(yīng)，可使腫瘤組織升溫至有效治療溫度(41～46 ℃)，從而使癌細胞發(fā)生凋亡和細胞程序性死亡[12]。周邊正常組織由于沒有產(chǎn)熱介質(zhì)不會受到升溫影響，也不會受到損害，保證了熱療的安全性。Alvarez-Berríosd等[13]實驗證明，在同樣的條件下，磁性納米粒子(MFH)誘導(dǎo)高熱將比使用熱水浴(HWH)的熱療更有效地增強蛋白酶體抑制劑硼替佐米(bortezomib,BZ)在BZ敏感性和BZ耐受性癌細胞中的細胞毒性。Arriortua等[14]設(shè)計一種新型的特異性靶向表達αVβ3受體的癌細胞的RGD肽綴合的MNP，這種納米顆粒呈現(xiàn)出非常高的超順磁性，對于磁性流體產(chǎn)生高于500 W/g的高熱值。這些液體已經(jīng)通過血管施用于大鼠，結(jié)果表明可降低腫瘤生存力。

上述說明磁性納米材料是理想的磁致熱療試劑，而磁致發(fā)熱治療在比以往熱療方法更具優(yōu)勢，可成為惡性腫瘤治療的新趨勢。

2.5 基因治療與診斷 磁性納米粒子作為非病毒載體已開發(fā)應(yīng)用于基因治療。磁性納米粒子介導(dǎo)基因傳遞系統(tǒng)，也稱為磁轉(zhuǎn)染。磁性納米材料表面活性基團可通過靜電吸引作用與質(zhì)?；蚰康幕駾NA片段形成相應(yīng)的復(fù)合物，并且保護基因，使其避免被核酸酶降解，也可被用來提供反義寡核苷酸和siRNA下調(diào)基因的表達。Voronina等[15]用聚乙烯亞胺/磁性納米顆粒載體(PEI/MNP)，與直接PEI轉(zhuǎn)染細胞比較，發(fā)現(xiàn)PEI/MNP復(fù)合物具有較高的效率。并且證明，若每個細胞僅載有0.37 pg鐵，104個miR/PEI/MNP改造的磁響應(yīng)細胞就可以被MRI檢測出來?？傊?，他們的體外研究結(jié)果表明PEI/MNP作為磁性指導(dǎo)的血管生成調(diào)節(jié)的多功能工具是非常有前途的。Fernandes等[16]針對神經(jīng)干細胞難以轉(zhuǎn)染的問題，提出了MNP介導(dǎo)小環(huán)DNA的基因傳遞方法，這種方法轉(zhuǎn)染效率高達54%，且基因的表達也可持續(xù)四個星期，更重要的是，神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細胞和少突膠質(zhì)細胞它都可以轉(zhuǎn)染。這對神經(jīng)干細胞的遺傳工程應(yīng)用具有很重大的意義。

2.6 生物毒性 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)納米顆粒可通過呼吸途徑進入人體，引起肺部病變。通過消化道進入的納米顆粒，也有可能富集于肝臟、脾臟、腎臟等部位的網(wǎng)狀內(nèi)皮組織中。因此納米顆粒的生物毒性也必須注意。通常認為納米材料的毒性由大小、表面積、表面修飾、聚集狀態(tài)等多種因素決定?？傮w而言，小于5 nm的磁性納米粒子會很快被清除；水力學(xué)直徑為5～8 nm(與30～50 kD血漿蛋白大小相近)并且低分子量的磁性納米粒子可以經(jīng)腎排泄。更大水力學(xué)直徑的磁性納米粒子，可被網(wǎng)狀內(nèi)皮組織(reticuloendothelial system，RES)在肝、脾處捕獲[17]。此外，帶正電或負電的磁納米粒子也可與血漿蛋白相互作用，產(chǎn)生生物毒性。但是包覆有聚乙二醇、葡聚糖等親水性衣殼的中性磁納米粒子，不會與白蛋白、免疫球蛋白、纖連蛋白、補體等調(diào)理素蛋白發(fā)生相互作用。Lartigue等[18]提出，無表面修飾的磁納米粒子的IC50接近0.5 mg/mL，而表面功能化磁納米粒子具有更低的細胞毒性，與沒有表面覆蓋的粒子相比甚至可以稱為無毒性。磁性納米粒子的降解通常是由溶酶體降解完成的，同時釋放鐵離子。降解的動力學(xué)由三個因素決定，磁性納米粒子表面是否可被酶識別、其表面聚合物具有親水性以及粒子不能大量聚集在溶酶體中。鐵離子的釋放會促進細胞內(nèi)氧化反應(yīng)增強，而鐵離子平衡是被體內(nèi)酶系統(tǒng)高度調(diào)控的，過量的鐵離子會被迅速儲存在血清鐵蛋白中，體內(nèi)的酶系統(tǒng)會保持鐵離子的水平。Jarockyte等[19]用NIH 3T3細胞檢測SPIONs，發(fā)現(xiàn)其被定位在靠近細胞核的囊泡，而且其細胞毒性很低，在24 h細胞存活率接近95%，48 h細胞存活率僅有輕微降低。Li等[20]用殼聚糖/海藻酸包覆Fe3O4，發(fā)現(xiàn)其能特異性引起胃癌細胞系SGC7901/ADR死亡，檢測下游基因LC3的表達，發(fā)現(xiàn)是由于細胞自噬引起的。Zhang等[21]研究發(fā)現(xiàn)，這種細胞自噬是由于Fe3O4能夠損傷溶酶體，并導(dǎo)致LC3陽性自噬小體累積。而且Fe3O4會導(dǎo)致線粒體損傷，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)/高爾基體應(yīng)激。也就是說這種自噬的產(chǎn)生是多機制的，但若在Fe3O4表面包覆PLGA則會大大降低這種自噬。Remya等[22]也提出，右旋糖苷可以穩(wěn)定IONs，使其不引起氧化應(yīng)激，從而是生物安全的。但Joris[23]提出，單一細胞系是無法證明納米顆粒的毒性的，因為不同的細胞系會有不同的響應(yīng)，他提議應(yīng)該建立一系列標(biāo)準(zhǔn)的細胞系用來篩選納米顆粒的安全性。總的來說，磁性氧化鐵納米粒子與其他納米粒子相比，生物毒性較小，但還有待進一步研究驗證其安全性。

3 結(jié)語

自磁性納米粒子出現(xiàn)以來，其在制備、改性、應(yīng)用方面的發(fā)展迅速。磁性納米粒子作為一種具有獨特磁學(xué)性質(zhì)的納米材料，其在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中表現(xiàn)出卓越性能和巨大的發(fā)展?jié)摿?，已逐漸成為國內(nèi)外生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究發(fā)展的熱點。目前磁納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的臨床應(yīng)用還不成熟，面臨著多重問題和挑戰(zhàn)：制備具有更好穩(wěn)定性、專一性和良好生物相容性的改性磁性納米粒子；避免免疫系統(tǒng)大量消耗，提高病灶部位的磁性粒子富集率；如何提高靶向定位的精確度；如何降低其細胞毒性和使用劑量，減少對人體的不良反應(yīng)；如何實現(xiàn)大規(guī)模批量生產(chǎn)及臨床應(yīng)用等。隨著材料和生物醫(yī)學(xué)的互助發(fā)展，必將促進對磁納米材料的研發(fā)和應(yīng)用，開發(fā)更有效應(yīng)用于臨床的復(fù)合功能材料。