牛盼紅 王 巖 劉營營 張 潔 張書平,2 劉思金

山東第一醫(yī)科大學(xué)(山東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院) 1.生物醫(yī)學(xué)科學(xué)學(xué)院； 2.醫(yī)學(xué)科技創(chuàng)新中心，山東 濟(jì)南 250062；3.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，環(huán)境化學(xué)與生態(tài)毒理學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085

磁性納米粒子(magnetic nanoparticles, MNPs)具有易于磁性分離[1]、磁靶向[2]、磁熱療[3]及磁成像[4]等特點(diǎn)，在腫瘤納米治療中得到了廣泛關(guān)注[5]。其中，鐵基磁性納米材料(Fe-MNPs)具有毒性小、成本低且制備相對簡單，易于大批量生產(chǎn)的優(yōu)勢，是納米載藥體系研究中最常見的材料。在近五十年的發(fā)展過程中，逐漸發(fā)展了以鐵基氧化物、鐵單質(zhì)和鐵合金為代表的磁性納米材料，作為納米載體材料，在生物成像、生物傳感器、藥物磁靶向、磁共振成像和磁熱療等方面均得到了較好的應(yīng)用，極大的促進(jìn)了Fe-MNPs在腫瘤納米載藥治療中的發(fā)展，其中用于治療神經(jīng)膠質(zhì)瘤的納米氧化鐵磁性流體(NanoTherm?)和用于治療缺鐵性貧血的AMAG制藥Feraheme?都是鐵基磁性的納米藥物，已獲得美國食品和藥物管理局(FDA)的批準(zhǔn)。另一方面，一種鐵依賴的活性氧累積導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化的細(xì)胞死亡新形式——鐵死亡，在腫瘤、神經(jīng)退行性疾病、代謝綜合征等慢性疾病發(fā)生發(fā)展中的重要作用正被逐步發(fā)現(xiàn)，開啟了基于鐵死亡的腫瘤治療的新策略[6-7]。本綜述主要圍繞目前納米載藥的發(fā)展、Fe-MNPs的制備以及作為納米載體在腫瘤治療的作用進(jìn)行了系統(tǒng)介紹，同時(shí)對Fe-MNPs引發(fā)鐵死亡的作用和相關(guān)機(jī)理進(jìn)行了闡述，旨在為Fe-MNPs的設(shè)計(jì)和開發(fā)及其在腫瘤治療中的應(yīng)用提供理論參考。

1 納米載藥及其腫瘤靶向機(jī)理

在過去的幾十年中，納米技術(shù)已經(jīng)成功用于工程、電子、化學(xué)、材料及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[8]。將藥物分子負(fù)載到納米載體材料表面或者包裹在核內(nèi)制備納米藥物,作為抗腫瘤的“生物炸彈”，吸引了科學(xué)家的廣泛關(guān)注。納米載體材料包括無機(jī)納米材料、有機(jī)高分子材料和生物來源及人工合成的生物納米載體材料。無論何種類型的納米載體材料均需具有良好的生物兼容性、可長效循環(huán)、一定的機(jī)械強(qiáng)度和較好的載藥能力[9]。無機(jī)納米材料主要包括SiO2、金屬或金屬氧化物(AuNPs、FexOy、TiO2、MFe2O4, M=Mn、Zn、Cu等)、生物礦物(鈣、鎂和錳的磷酸、碳酸或硅酸鹽基納米載體材料)和碳材料[10]，其中SiO2和以FexOy為代表的金屬氧化物基納米載體材料應(yīng)用最為廣泛。生物礦物基納米載體材料與人體組織具有相同的成分，在弱酸環(huán)境下可以發(fā)生代謝[11-12]，從而避免毒性積累，在蛋白和基因藥物遞送治療腫瘤方面得到了較快發(fā)展[13-16]。有機(jī)高分子材料主要包括合成高分子[聚酯類、聚乳酸、聚乳酸-乙交酯、聚二噁烷、聚(2-惡唑啉)、聚乙二醇(PEG)]和天然高分子材料(葡聚糖、殼聚糖和環(huán)糊精)[17]。該類材料作為納米載體具有明顯的優(yōu)勢是既可將藥物分子包裹其內(nèi)，也可在其表面進(jìn)行吸附負(fù)載，在利用腫瘤微環(huán)境變化進(jìn)行納米藥物可控釋放方面表現(xiàn)突出[18-21]。

納米載藥材料通常采用靜脈注射、鼻腔給藥、胃部灌藥、腹腔注射等方式進(jìn)行治療。納米藥物進(jìn)入動(dòng)物體內(nèi)后，根據(jù)其到達(dá)治療靶點(diǎn)的方式可以分為主動(dòng)靶向和被動(dòng)靶向。主動(dòng)靶向的原理一方面是基于腫瘤細(xì)胞的高通透性和滯留(enhanced permeability and retention, EPR)效應(yīng)[9,22]，使納米材料在腫瘤細(xì)胞中得到累積。另一方面是基于腫瘤細(xì)胞內(nèi)刺激的誘導(dǎo)，包括pH值、溫度和活性酶等因素，使載藥納米材料實(shí)現(xiàn)腫瘤的特異性靶向治療。再者，根據(jù)腫瘤細(xì)胞高表達(dá)或特異性表達(dá)某種蛋白分子特別是膜表面蛋白，針對性地對納米材料進(jìn)行功能化修飾，從而獲得更高的特異性和準(zhǔn)確性。此外，外部物理刺激方式，如磁場、超聲和光信號(hào)或者其中的兩種結(jié)合，也可實(shí)現(xiàn)載藥納米材料的被動(dòng)靶向治療[23]。然而，納米載藥材料在體內(nèi)長時(shí)間傳輸過程中不可避免會(huì)出現(xiàn)不同程度的損失，造成最終到達(dá)病灶的藥物劑量明顯不足，因此，提高其靶向率，不僅可以減少對正常組織的損傷，還對提高腫瘤治療效果具有重要意義。利用外部磁場進(jìn)行腫瘤的磁導(dǎo)向靶向治療，可以更好的實(shí)現(xiàn)載藥納米材料在腫瘤部位的富集并減少用藥量[24]，同時(shí)，能控制藥物的運(yùn)輸速率，提高藥物運(yùn)輸效率，減少對正常組織的毒副作用，有助于藥物動(dòng)力學(xué)的研究[25]。此外，磁場導(dǎo)向?qū)ι眢w無傷害，尤其是Fe-MNPs，其在體內(nèi)代謝過程中產(chǎn)生的鐵是人體必需的微量元素，因此，作為藥物載體不會(huì)產(chǎn)生毒性，在藥物遞送過程中得到了廣泛關(guān)注。

2 Fe-MNPs的種類和制備

鐵基磁性功能基主要包括氧化鐵(Fe3O4、α-Fe2O3和γ-Fe2O3)、金屬鐵單質(zhì)和金屬合金(FeCo、FeNi、FePt及多金屬合金)、鐵氧體(如MFe2O4, M=Mn、Mg、Zn、Cu、Ni、Co等)。

2.1 鐵單質(zhì)及其合金

鐵單質(zhì)作為磁性功能體多采用溶液熱解法制備。該方法以羰基化合物、金屬配合物和乙酰丙酮鹽為原料，通過添加表面活性劑，控制晶體的生長從而得到粒徑可控的磁性金屬粒子[26-28]。另一種對尺寸高度可控的方法是微乳液膠束法。該方法通過各向異性的兩相形成微乳液，微乳液的水相和反膠束相的比例決定了微反應(yīng)器的尺寸，進(jìn)而調(diào)控制備的磁性納米粒子的粒徑[29]。該方法所獲得的磁性納米粒子分散性好、結(jié)構(gòu)可控。而金屬合金則繼承兩種或多種磁性金屬的優(yōu)點(diǎn)，表現(xiàn)出比單金屬更大的磁化率、磁各向異性和矯頑力，表面功能化修飾形成的核殼結(jié)構(gòu)材料也具有更好的磁學(xué)性能。

2.2 氧化鐵和鐵氧體

氧化鐵和鐵氧體磁性材料兼具磁性和表面豐富的化學(xué)位點(diǎn)，在磁導(dǎo)向、磁熱治療等腫瘤治療領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

Fe3O4磁性納米粒子制備方法簡單、無毒性作用、原料價(jià)格低、表面易于功能化修飾。其中研究最多的晶型結(jié)構(gòu)為Fe3O4、α-Fe2O3和γ-Fe2O3，其結(jié)構(gòu)可以通過X-射線衍射進(jìn)行區(qū)分。α-Fe2O3和γ-Fe2O3的制備方法相似，通常采用的方法有溶劑熱法[30]、溶膠-凝膠法[31]、微乳液法[32]和沉淀法[33]。α-Fe2O3比γ-Fe2O3更穩(wěn)定，γ-Fe2O3在400 ℃會(huì)不可逆的轉(zhuǎn)變成α-Fe2O3。磁性Fe3O4納米粒子(Fe3O4NPs)的制備通常采用化學(xué)共沉淀法和溶劑熱法。前者是利用氨水共沉淀Fe3+和Fe2+，從而得到磁性的Fe3O4NPs。后者通常在反應(yīng)釜中進(jìn)行，乙二醇或聚乙二醇作為溶劑，在堿性環(huán)境加熱條件下還原Fe3+制備得到Fe3O4。該方法制備的磁性納米粒子分散性好，尺寸更均勻。

鐵氧體磁性材料在電子器件、信息儲(chǔ)存和磁響應(yīng)成像等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用[34-35]。鐵氧體作為一種特殊的磁性材料，兼具磁性和表面豐富的化學(xué)位點(diǎn)，作為納米載體在藥物遞送中也得到了應(yīng)用[36]。Zhang等人[37]首先采用溶劑熱法制備磁性材料，然后在500 ℃進(jìn)行熱解從而得到CuFe2O4空心球，之后用于腌制豆腐中蘇丹I-IV著色劑的萃取，該CuFe2O4空心球空腔填充基因或抗癌藥物后，在腫瘤的治療中也具有應(yīng)用潛力。氧化鐵和鐵氧體材料相比于金屬單質(zhì)和金屬合金，具有制備過程簡單、成本相對較低、pH耐受范圍寬、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，作為納米藥物遞送載體，在腫瘤治療中具有很好的應(yīng)用前景。

3 Fe-MNPs在腫瘤治療中的應(yīng)用

3.1 磁導(dǎo)向定位

Fe-MNPs的磁導(dǎo)向定位功能是在體外利用磁場，采用非侵入方式將納米藥物遞送到腫瘤部位，實(shí)現(xiàn)靶向治療和藥物富集。Sang 等人[38]將黑洞熒光猝滅劑共價(jià)鍵合IR780染料和殼聚糖寡糖，進(jìn)而與索拉非尼和Fe3O4納米粒子通過功能化自組裝制備得到磁性復(fù)合納米材料，將其用于乳腺癌磁靶向遞藥治療。其中，IR780近紅外染料是一種親脂性陽離子化合物，能夠?qū)崿F(xiàn)線粒體定位；索拉非尼作為一種補(bǔ)充試劑用于促進(jìn)腫瘤細(xì)胞發(fā)生鐵死亡。Fe3O4NPs具備超順磁性特點(diǎn)，通過外部磁場可實(shí)現(xiàn)磁導(dǎo)向，從而定位腫瘤發(fā)生部位。另有研究表明，磁場能夠作為Fe-MNPs的引發(fā)劑，促進(jìn)Fe-MNPs誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生活性氧(reactive oxygen species，ROS)。Flanagan等人[39-40]發(fā)現(xiàn)磁場能夠加熱鐵氧體納米粒子，對腫瘤進(jìn)行局部熱療，結(jié)合納米粒子來源的Fe共同誘導(dǎo)ROS的產(chǎn)生，從而抑制腫瘤細(xì)胞增殖。此外，磁場的加入可以增加細(xì)胞間順磁性自由基的濃度、存活能力和壽命，并改變氧化應(yīng)激相關(guān)酶的構(gòu)象和活性，最終引發(fā)細(xì)胞功能紊亂，甚至導(dǎo)致細(xì)胞死亡。Wang等人[41]也進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)高靜電磁場能夠促進(jìn)骨肉瘤細(xì)胞MG63對鐵的吸收。因此，利用Fe-MNPs納米載體在外部磁場作用下進(jìn)行腫瘤治療，將表現(xiàn)出磁導(dǎo)向定位、促進(jìn)ROS產(chǎn)生和鐵吸收多種功能。

3.2 磁共振成像

磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)因其良好的無創(chuàng)性、有效性被廣泛用于腫瘤診斷，利用磁性納米粒子，比如Fe-MNPs作為MRI造影劑，可提供高對比度、高分辨率的圖像[42]。此外，F(xiàn)e-MNPs由于其特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，可以很容易地在腫瘤部位實(shí)現(xiàn)累積。納米顆粒的功能和磁靶向效率與鐵顆粒的大小密切相關(guān)。Guo等人[24]發(fā)現(xiàn)尺寸較小的Fe3O4納米顆粒更容易被細(xì)胞內(nèi)化，而較大的Fe3O4納米顆粒則更容易在腫瘤內(nèi)積聚。Fe-MNPs出色的生物相容性、飽和磁強(qiáng)度以及良好的藥物吸收和釋放能力，使得其在腫瘤納米治療中具備藥物遞送和成像功能雙優(yōu)勢。

單模式成像存在不穩(wěn)定、準(zhǔn)確度較低的缺點(diǎn)，多模式成像在組織深度和精密度方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，從而得到了越來越多的關(guān)注。Liu等人[43]設(shè)計(jì)了聚乙二醇化的FePt@Fe2O3核殼納米粒子，用于搭建基于成像的多功能癌癥治療納米平臺(tái)。 Chou等人[44]合成了水溶的、尺寸可調(diào)的超順磁性FePt納米粒子，作為MRI/CT雙模態(tài)造影劑。 Chen等人[45]的研究表明，經(jīng)過工程改造的、具有很好生物相容性的FePt納米顆粒可用于細(xì)胞成像和體內(nèi)MRI造影成像，這為FePt NP的未來應(yīng)用提供了新途徑。以上研究均表明，F(xiàn)e-MNPs在臨床中具有作為多模態(tài)成像造影劑的應(yīng)用潛力。

3.3 磁熱療

Gilchrist等人[46]在1957年首次提出磁熱療，Kobayashi等人[47]在二十世紀(jì)九十年代初首次進(jìn)行了磁熱療的臨床試驗(yàn)，之后在前列腺癌、食道癌等多種癌癥治療中均得到了應(yīng)用[48-50]。腫瘤熱療實(shí)現(xiàn)腫瘤治療的機(jī)理是基于對腫瘤細(xì)胞的直接殺傷作用、促進(jìn)腫瘤細(xì)胞凋亡、抑制腫瘤血管再生和提高熱休克蛋白的表達(dá)等[51]。具有熱磁療的Fe-MNPs主要包括Fe3O4和r-Fe2O3基納米材料、CoFe2O4、鐵單質(zhì)和合金等復(fù)合納米材料。

近期研究表明，磁熱效應(yīng)可以提高腫瘤組織中血管的通透性，增強(qiáng)藥物在腫瘤部位的有效富集，改變腫瘤微環(huán)境。Xiang等學(xué)者[52]將金屬有機(jī)骨架在高溫?zé)峤庋苌玫降亩嗫譌e3O4@C納米復(fù)合材料，進(jìn)一步用聚乙烯吡咯烷酮修飾，通過表面吸附方式實(shí)現(xiàn)阿霉素(Doxorubicin，DOX)的負(fù)載，從而制備了Fe3O4@C-PVP@DOX納米載藥體系，并以此建立了MRI引發(fā)的電磁觸發(fā)熱化學(xué)療法智能平臺(tái)?；贑AL27舌鱗癌小鼠模型的機(jī)制研究表明，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡、抑制微血管形成是Fe3O4@C-PVP@DOX納米載藥體系抑制腫瘤生長的主要原因，表明Fe3O4@C-PVP@DOX具有優(yōu)異的抗腫瘤功效。Wang等人[53]制備介孔二氧化硅包覆的錳鋅鐵氧體(Mn0.6Zn0.4Fe2O4)納米球，經(jīng)羅丹明B異硫氰酸酯(RBITC)標(biāo)記后，與抗腫瘤藥物DOX共同分散在水凝膠體系中得到納米球復(fù)合材料，并將其應(yīng)用于4T1乳腺癌小鼠模型的腫瘤診斷和治療。體外和體內(nèi)研究結(jié)果均表明，水凝膠負(fù)載DOX和錳鋅鐵氧體可以實(shí)現(xiàn)腫瘤磁熱療和化學(xué)治療的協(xié)同作用。然而，磁熱療法引起的治療部位溫度過高會(huì)造成正常組織損傷，因此，需要對磁熱療設(shè)備的交變磁場強(qiáng)度進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控[54]。為進(jìn)一步推動(dòng)磁熱療在腫瘤治療中的發(fā)展應(yīng)用，對居里溫度在42～46 ℃的自控溫磁性納米粒子的制備探索是解決以上問題的主要方向[55-57]。

3.4 鐵死亡誘導(dǎo)

鐵死亡(ferroptosis)是一種新的非程序性細(xì)胞死亡方式，其誘導(dǎo)過程是由過量的活性二價(jià)鐵離子啟動(dòng)Fenton反應(yīng)，將內(nèi)源性過氧化氫轉(zhuǎn)化為羥基自由基，進(jìn)而引發(fā)脂質(zhì)過氧化并破壞細(xì)胞膜，從而造成細(xì)胞死亡。越來越多的研究表明，鐵死亡抵抗是腫瘤發(fā)展和轉(zhuǎn)移的重要機(jī)制，而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞發(fā)生鐵死亡，是腫瘤治療的一種新策略。

Li等學(xué)者[58]將H2O2封裝到Fe3O4-PLGA納米載體中，直接運(yùn)載到腫瘤細(xì)胞，通過這種外源性補(bǔ)充的方式，為腫瘤細(xì)胞發(fā)生鐵死亡提供H2O2和三價(jià)鐵離子。然而，H2O2因其特殊的物理化學(xué)特性和強(qiáng)氧化性，在納米遞藥過程中易造成過早泄漏，對正常組織具有潛在的氧化損傷危害。因此，探索局部產(chǎn)生H2O2而非直接向腫瘤細(xì)胞遞送是一種更加安全的解決方案。Shi等人[59]通過將天然葡萄糖氧化酶(GOD)和Fe3O4NPs共同負(fù)載到樹狀二氧化硅納米結(jié)構(gòu)中，構(gòu)建了一種新型納米催化劑。納米系統(tǒng)中的GOD用于消耗腫瘤細(xì)胞中的葡萄糖并產(chǎn)生H2O2，H2O2隨后被用作Fe3O4NP催化Fenton反應(yīng)的反應(yīng)物。在順序催化反應(yīng)過程中產(chǎn)生了大量有毒的羥基自由基，從而觸發(fā)了腫瘤細(xì)胞的鐵死亡。因此，特定酶的全身遞送用以實(shí)現(xiàn)H2O2的催化生成要比強(qiáng)氧化劑的全身遞送更加安全。

運(yùn)載鉑用于促進(jìn)腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生H2O2進(jìn)而觸發(fā)鐵死亡是常用的納米載藥治療方法。Shen等人[60]將Fe3O4/Gd2O3運(yùn)載順鉑，并鍵合乳鐵蛋白和RGD二聚體，制備了Fenton反應(yīng)增強(qiáng)型的磁性納米粒子(FeGd-HN@Pt@LF/RGD2)，并用于原位腦腫瘤鐵死亡研究。磁性復(fù)合納米粒子的尺寸為6.6 nm，可通過乳鐵蛋白受體介導(dǎo)的胞吞作用跨越血腦屏障，之后通過整合素αvβ3介導(dǎo)內(nèi)化進(jìn)入腫瘤細(xì)胞，在酸性的腫瘤微環(huán)境中降解，釋放出Fe2+、Fe3+和順鉑。其中Fe2+和Fe3+直接參與Fenton反應(yīng)，順鉑通過間接產(chǎn)生H2O2促進(jìn)Fenton反應(yīng)。由此產(chǎn)生的ROS引發(fā)脂質(zhì)過氧化，最終通過鐵死亡方式誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞死亡。Zhang等人[55]設(shè)計(jì)了一種新型“Peanut”探針，該探針可以負(fù)載氧分子和Pt(IV)前藥(GINP-Pt)，之后將轉(zhuǎn)鐵蛋白標(biāo)記的氨基聚乙二醇(Tf-PEG-NH2)修飾在GINP-Pt表面，增強(qiáng)納米載體材料的靶向性和pH響應(yīng)能力。所獲得的Tf-PGINP-Pt納米復(fù)合材料進(jìn)入癌細(xì)胞時(shí)，可通過谷胱甘肽將釋放的Pt(IV)還原為Pt(II)，從而造成谷胱甘肽耗竭而使ROS濃度升高。同時(shí)，Tf-PGINP-Pt將大量的氧氣分子輸送到癌細(xì)胞中，顯著提高了癌細(xì)胞中的氧氣水平。此外，生成的Pt(II)可以激活煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶，從而加速向超氧陰離子的轉(zhuǎn)化并提高下游H2O2的水平。從Tf-PGINP-Pt釋放的Fe2+/Fe3 +離子，迅速將H2O2轉(zhuǎn)化為羥基自由基，導(dǎo)致DNA和線粒體膜損傷，從而引起腫瘤細(xì)胞鐵死亡。

鐵死亡用于腫瘤治療，其機(jī)理與增強(qiáng)Fenton反應(yīng)進(jìn)而觸發(fā)脂質(zhì)過氧化密不可分，因此能夠增強(qiáng)Fenton反應(yīng)的分子或離子均有希望通過誘導(dǎo)鐵死亡而用于腫瘤治療。目前在利用鐵死亡進(jìn)行腫瘤治療的研究中，采用的納米載體主要是氧化鐵，其他類型的Fe-MNPs也有望在腫瘤細(xì)胞鐵死亡治療中發(fā)揮重要作用。此外，F(xiàn)e-MNPs所具有的磁靶向、MRI成像和磁熱療功能可與鐵死亡誘導(dǎo)產(chǎn)生協(xié)同的治療效果。

4 結(jié) 論

Fe-MNPs來源豐富，且具有良好的生物兼容性，在腫瘤治療中能夠發(fā)揮磁靶向、磁共振成像、磁熱療和鐵死亡誘導(dǎo)的作用。其在腫瘤治療中表現(xiàn)出集多種功能于一體的特點(diǎn)，可有效減少復(fù)合納米載體在制備過程中的復(fù)雜步驟，在構(gòu)建腫瘤診療一體化分析平臺(tái)方面具有良好的發(fā)展?jié)摿?。隨著對鐵死亡機(jī)理認(rèn)識(shí)的加深，F(xiàn)e-MNPs基納米載體在腫瘤治療中的研究也將進(jìn)一步得到發(fā)展。然而，由于人體缺乏主動(dòng)將鐵排出體外的能力，F(xiàn)e-MNPs基納米載體的應(yīng)用可能造成鐵負(fù)荷問題，從而帶來一定的副作用。因此，F(xiàn)e-MNPs在細(xì)胞中的含量監(jiān)測和控制是進(jìn)行腫瘤Fe-MNPs治療的重要研究內(nèi)容。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突