佟千姿， 呂曉成， 劉喜富， 孫雪珂

(河北師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，河北 石家莊 050024)

惡性腫瘤嚴(yán)重威脅著人類的生命安全，現(xiàn)有的傳統(tǒng)腫瘤治療手段主要包括化療、手術(shù)治療、放療等，但是這些方法的副作用較大，效果并不理想[1-2].近些年，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，納米診療劑的開發(fā)已成為當(dāng)前腫瘤治療炙手可熱的新方向，并且有望實(shí)現(xiàn)高效精準(zhǔn)的腫瘤治療[3].其中四氧化三鐵納米粒子(Fe3O4NPs)因其良好的生物相容性、可降解性以及易修飾等特點(diǎn)引起了科研人員的濃厚興趣，同時基于Fe3O4NPs的腫瘤診療劑開發(fā)也備受矚目.研究證明，F(xiàn)e3O4NPs經(jīng)過修飾后不僅可獲得pH、熱、光甚至酶的特定響應(yīng)性，由于自身的超順磁性，在局域磁場的作用下，還可以促進(jìn)藥物在細(xì)胞內(nèi)的內(nèi)化，提高藥物的生物利用度[4].基于這些理化特性，F(xiàn)e3O4NPs的發(fā)展為生物醫(yī)學(xué)各方面的應(yīng)用提供了各種可能，例如分子成像、藥物遞送、基因治療等[5-7].Fe3O4NPs的獨(dú)特優(yōu)勢使其在精準(zhǔn)醫(yī)療上和未來的臨床應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大的潛力，而且作為FDA批準(zhǔn)應(yīng)用后第一代實(shí)際用于臨床的納米材料，F(xiàn)e3O4NPs具有極大研究價值[8-10].本文中，筆者主要對近年來基于Fe3O4NPs的復(fù)合診療劑的設(shè)計(jì)及其在腫瘤診療方面的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行綜述.

1 Fe3O4 NPs的制備方法

Fe3O4NPs的合成方法有很多種，目前常用的幾種方法有共沉淀法、溶劑熱法、微乳液法和高溫?zé)峤夥╗11].1)共沉淀法：操作簡單且原料經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，通過調(diào)整攪拌速度、表面活性劑用量、pH值等可調(diào)整材料的粒徑和形貌等性質(zhì)[12].Liang等[13]在2020年通過簡單的噴霧干燥和共沉淀法成功制備了Fe3O4修飾的空心石墨烯微球，經(jīng)過一系列表征后證明合成的納米粒子穩(wěn)定且大小適宜；2)溶劑熱法：產(chǎn)率高，比較容易控制產(chǎn)出晶體的整體粒子度[14]；3)微乳液法：合成反應(yīng)易控制，不同的表面活性劑、堿濃度、陳化時間等條件可影響粒子的理化性質(zhì)[15].Han等[16]在2018年以新型C16E15做表面活性劑，通過反向微乳液法合成了高飽和磁化強(qiáng)度的超小型的Fe3O4NPs；4)高溫?zé)峤夥ǎ涸摲椒煽匦詮?qiáng)，通過調(diào)整溫度、反應(yīng)時間、反應(yīng)轉(zhuǎn)速等條件可精準(zhǔn)控制材料的尺寸和均一性等，是目前實(shí)驗(yàn)室常用的合成方法[17-18].例如，2019年，Crippa等[19]呈現(xiàn)了一種有效的熱分解法，成功合成分散性好、能夠在有機(jī)溶劑中穩(wěn)定保存的球形Fe3O4NPs，并將其用于磁熱療.除了上述4種方法之外，F(xiàn)e3O4NPs的制備還可以通過微波輔助合成法[20-21]、水熱法[22-23]、多元醇法[24]、電沉積[25]等.實(shí)驗(yàn)室合成可根據(jù)診療需求如核磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)、磁熱、靶向治療等選擇相應(yīng)的方法制備不同尺寸、形貌、表面修飾的Fe3O4NPs.

2 Fe3O4 NPs在腫瘤診療方面的應(yīng)用

2.1 Fe3O4 NPs 用于MRI造影劑

核磁共振成像與其他臨床成像相比是一種空間分辨率更高、創(chuàng)傷性更小的臨床成像.在核磁共振現(xiàn)象中，弛豫是指原子核發(fā)生共振且處在高能狀態(tài)時，當(dāng)射頻脈沖停止后，迅速恢復(fù)到原來低能狀態(tài)的現(xiàn)象，恢復(fù)的過程即稱為弛豫過程.核磁造影劑可提高M(jìn)RI的敏感度，可以分為縱向弛豫(T1)和橫向弛豫(T2)兩類.T1造影劑通過加速氫質(zhì)子快速縱向弛豫從而使標(biāo)記區(qū)域變亮，T2造影劑通過加速氫質(zhì)子快速橫向弛豫使得標(biāo)記區(qū)域變暗.目前，T1加權(quán)的MRI造影劑常采用含Gd3+的復(fù)合納米材料，相比之下Fe3O4NPs經(jīng)過調(diào)整尺寸、改變磁矩后可用于制備T2-T1轉(zhuǎn)換的MRI造影劑[26-27].1996年，Tiefenauer等[28]研究開發(fā)了一種新的組織特異性造影劑.用3種人工多肽包覆磁鐵礦顆粒并將其與CEA特異性抗體共價偶聯(lián)，該研究通過MRI 判斷復(fù)合納米顆粒在生物體內(nèi)的分布，為造影劑在腫瘤成像方面提供了重要的研究基礎(chǔ).2019年，Du等[29]探討了不同尺寸和組成的Fe3O4NPs對于成像效果的影響，為了提高靶向性，該研究將Fe3O4NPs與腫瘤靶向肽CREKA共軛，雙模式成像證明了該復(fù)合納米粒子的高腫瘤靶向性和藥物傳遞的均一性.2019年，Stephen等[30]使用膠質(zhì)瘤靶向配體-氯毒素修飾Fe3O4NPs，通過對流增強(qiáng)輸送將靶向和非靶向的納米粒子分別注入老鼠后，在外加磁場的作用下觀察不同時間點(diǎn)老鼠體內(nèi)的MRI圖像來判斷納米粒子的分布.通過時間分辨的MRI揭示了膠質(zhì)母細(xì)胞瘤模型中對流增強(qiáng)輸送過程的動力學(xué)，證明了時間分辨的MRI是研究對流增強(qiáng)輸送動力學(xué)的一種合適的方式.準(zhǔn)確的診斷對精準(zhǔn)醫(yī)療至關(guān)重要，MRI利用高明暗對比度的圖像實(shí)施一種無創(chuàng)、實(shí)時的監(jiān)測，是一種有效的腫瘤診斷方法.目前科研人員基于Fe3O4NPs將其與別的納米粒子結(jié)合可實(shí)現(xiàn)多模式成像診療，進(jìn)一步促進(jìn)了精準(zhǔn)治療的發(fā)展[31].

2.2 Fe3O4 NPs用于磁靶向藥物遞送

納米治療劑一般通過高通透性和滯留效應(yīng)(enhanced permeation and retention，EPR)聚集在腫瘤部位，但由于藥物分子在傳遞過程中是全身非特異性的分布以及遇到各種生物屏障的阻礙，如細(xì)胞內(nèi)化、巨噬細(xì)胞吞噬等，導(dǎo)致其在病變部位的積累遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到理想的效果.最終腫瘤細(xì)胞因攝取藥物不足和正常組織非特異性積累大大了降低治療效果，甚至?xí)a(chǎn)生嚴(yán)重的副作用[32].因此，納米治療劑的靶向性對腫瘤治療十分重要，而磁性納米粒子在外加磁場的作用下可以靶向腫瘤部位，提高藥物傳遞的效率，進(jìn)而增強(qiáng)腫瘤治療效果[33].1994年，Hafeli等[34]以聚乳酸微球?yàn)檩d體，加入10 %的Fe3O4NPs使該磁性微球?qū)ν獠看艌鲇许憫?yīng)，實(shí)現(xiàn)藥物的選擇性傳遞，該研究為后續(xù)的磁靶向傳遞藥物提供了重要的研究基礎(chǔ).2019年，Wang等[35]提出了一種磁性微機(jī)器人大規(guī)模合成的技術(shù)用于腫瘤治療.首先在螺旋藻細(xì)胞中合成核殼結(jié)構(gòu)的Pd@Au納米粒子做光熱轉(zhuǎn)換劑；隨后將Fe3O4NPs沉積到Pd@Au@Sp納米粒子表面使其具有磁性驅(qū)動的能力.結(jié)果表明，該復(fù)合納米粒子在旋轉(zhuǎn)磁場下表現(xiàn)出具有高速驅(qū)動的性能和精確的定位引導(dǎo)，最終將藥物傳遞到特定的腫瘤部位.2020年，Zhang等[36]構(gòu)建了一種磁性納米粒子給藥系統(tǒng)，該給藥系統(tǒng)以Fe3O4NPs為核心負(fù)載吲哚菁綠、以聚乙二醇多酚為涂層裝載R837鹽酸鹽形成復(fù)合納米粒子.在Fe3O4NPs的作用下，靜脈注射后該給藥系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)磁靶向和磁共振引導(dǎo).基于Fe3O4NPs的藥物傳遞系統(tǒng)的開發(fā)，很大程度上提高了藥物的生物利用度和降低了對正常組織的傷害，明顯提高了腫瘤治療的效果.

2.3 Fe3O4NPs用于磁熱治療

磁熱治療主要利用磁性納米粒子在交變磁場的作用下產(chǎn)生熱量，作為一種局部治療方法，它具有靶向殺傷腫瘤、生物相容性高、組織穿透深等優(yōu)勢.1979年，Gordon等[37]提出一種新的“細(xì)胞內(nèi)”生物物理癌癥治療的方法概念，主要內(nèi)容是腫瘤細(xì)胞吞噬亞微米粒子后，局部產(chǎn)生感應(yīng)熱能，而亞微米粒子被磁激發(fā)，再利用外部電磁場提高粒子的溫度，這種局部治療選擇性殺死癌細(xì)胞，對正常細(xì)胞幾乎沒有傷害.隨著對Fe3O4NPs性質(zhì)更深入的了解，越來越多的研究將Fe3O4NPs用于磁熱療并與其他診療方式結(jié)合.如今隨著科研人員的不斷探索，磁熱治療有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，尤其是近20年來，磁熱治療因有效的腫瘤治療得到大家的認(rèn)可[38-39].例如,2018年，Lu等[40]制備了C225包覆的Fe3O4@Au核殼磁性納米粒子，對神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞進(jìn)行靶向磁熱療和近紅外熱療聯(lián)合治療，體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)表明該復(fù)合納米粒子具有明顯的抗腫瘤效果.2019年，Ma等[41]設(shè)計(jì)了具有MRI/PA雙模式成像特性的Fe3O4-Pd復(fù)合納米粒子，利用Fe3O4NPs的磁光熱特性和Pd納米片的等離子體光熱效應(yīng)，在高空間分辨率和精確度的雙模式成像指導(dǎo)下協(xié)同光熱治療腫瘤的效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單一治療.

2.4 基于Fe3O4 NPs的復(fù)合納米材料用于光學(xué)治療

光學(xué)治療是利用激光照射特定的損傷部位而治療疾病的一種手段，是近年來極具潛力的腫瘤治療方式，包括光動力治療(photodynamic therapy，PDT)和光熱治療(photothermal therapy，PTT)，其中PDT主要原理是光敏劑在激光照射下生成高毒性的ROS殺死腫瘤細(xì)胞；PTT是利用具有光熱轉(zhuǎn)換效率的材料將光能轉(zhuǎn)化為熱能殺傷腫瘤細(xì)胞.治療機(jī)制如圖1所示，在荷瘤小鼠模型中可以通過尾靜脈注射給藥，裝載光熱劑和光敏劑的Fe3O4的復(fù)合納米粒子可在外加磁場的作用下靶向累積在腫瘤部位.此時，在腫瘤部位給予相應(yīng)波長的激光照射可觸發(fā)PTT及PDT，因PTT后激光溫度升高后局部血流量增加會使氧氣增多用于光動力治療，最終實(shí)現(xiàn)光熱和光動力的協(xié)同治療.與此同時，F(xiàn)e3O4NPs的光熱轉(zhuǎn)換性能以及MRI也用于增強(qiáng)腫瘤光療[42].PDT方面：2019年Jing等[43]以抗癌藥物、光敏劑為原料，通過超聲輔助沉淀法將其包覆在超順磁Fe3O4納米團(tuán)簇上形成結(jié)構(gòu)均勻、穩(wěn)定性高的離散納米顆粒，該復(fù)合納米粒子既能通過MRI/熒光雙模式成像精確診斷又能實(shí)現(xiàn)化療和PDT的聯(lián)合治療.PTT方面：最初研究者嘗試將Fe3O4NPs 表面進(jìn)行功能化后用于MRI引導(dǎo)的PTT，有的納米體系在添加外部磁場后可在腫瘤部位發(fā)現(xiàn)明顯的積累，從而進(jìn)一步增強(qiáng)PTT靶向性.例如，Liao等[44]通過水熱反應(yīng)引入苯-1,3,5-三羧酸和檸檬酸鈉配體輔助合成NIR激活的Fe3O4納米結(jié)構(gòu)，在NIR照射下有良好的升溫效果.之后研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e3O4NPs與其他材料結(jié)合后可以大幅度增加PTT的效率，如Saeed等[45]制備的Fe3O4-TiO2復(fù)合納米材料在低密度和低功率激光照射后溫度均能迅速升高，在提升PTT效果的同時也大幅度減少了激光輻照時間.

圖1 Fe3O4 復(fù)合納米材料在腫瘤PDT,PTT的治療示意圖

因PTT可改善腫瘤組織的乏氧環(huán)境，所以在一定程度上可以增強(qiáng)PDT.基于這種理念，Lv等[46]用介孔二氧化硅包覆Fe3O4NPs，并通過靜電吸附將超小型上轉(zhuǎn)換納米粒子裝載在介孔中.該復(fù)合納米粒子在808 nm激光照射下可同時實(shí)現(xiàn)PDT和PTT治療.2020年，F(xiàn)eng等[47]以Fe3O4NPs為核心構(gòu)建了用鑭離子摻雜的介孔氧化錫上轉(zhuǎn)換納米粒子，并進(jìn)一步用磷酸化絲氨酸和聚乙二醇修飾.由于Fe3O4NPs可以消耗內(nèi)源性H2O2、原位生成O2，這有效緩解了腫瘤微環(huán)境的缺氧，明顯增強(qiáng)了PDT的效果.該復(fù)合納米粒子不僅利用電子躍遷的特殊結(jié)構(gòu)大大提高了光熱轉(zhuǎn)換效率，同時其成像功能可以有效監(jiān)測腫瘤治療過程，該研究為腫瘤診療一體化提供了新的思路.

2.5 Fe3O4 NPs用于化學(xué)動力學(xué)治療

化學(xué)動力學(xué)治療(chemodynamic Therapy，CDT)是近些年提出的新型治療方式，原理主要是利用金屬離子進(jìn)行芬頓反應(yīng)生成有毒的羥基自由基從而實(shí)現(xiàn)腫瘤殺傷，其反應(yīng)原理見圖2，基于Fe3O4NPs的復(fù)合納米材料進(jìn)入腫瘤細(xì)胞后，在特殊的腫瘤微環(huán)境下弱酸、H2O2濃度高等，復(fù)合納米材料分解釋放出Fe2+/Fe3+.基于其特殊的類過氧化物酶活性，F(xiàn)e2+與弱毒性的H2O2反應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為高毒性的·OH最終殺死腫瘤細(xì)胞.2007年，Gao等[48]報道發(fā)現(xiàn)了Fe3O4NPs內(nèi)在的模擬酶活性后，一系列基于Fe3O4NPs過氧化物酶活性的新型腫瘤診療劑相繼被開發(fā).2017年Shi等[49]將天然葡萄糖氧化酶(GOD)和超小Fe3O4NPs共同載入大孔徑的樹枝狀二氧化硅納米顆粒中.該治療劑中GOD可以有效地消耗腫瘤細(xì)胞中的葡萄糖，同時產(chǎn)生大量的H2O2，在Fe3O4NPs催化下進(jìn)行后續(xù)的芬頓反應(yīng)生成高毒性的羥基自由基，觸發(fā)腫瘤細(xì)胞的凋亡和死亡，葡萄糖氧化酶和超小Fe3O4NPs在腫瘤細(xì)胞中相互協(xié)同達(dá)到了1+1>2的效果.這種基于腫瘤微環(huán)境，原位觸發(fā)生成高毒性物質(zhì)的級聯(lián)治療策略既大大增強(qiáng)了腫瘤特異性又盡可能降低了對正常組織的毒副作用，為腫瘤精準(zhǔn)治療提供了新治療策略.2019年，Wang等[50]設(shè)計(jì)了一種核殼結(jié)構(gòu)的納米粒子，將超小的Fe3O4NPs嵌入空心碳框架(Fe3O4-C)中做核，堆疊的MnO2納米片做殼.在腫瘤細(xì)胞中，高濃度的GSH降解MnO2釋放的Mn2+用作造影劑，同時暴露出Fe3O4釋放出Fe2+/Fe3+通過催化H2O2進(jìn)行CDT治療，而且在近紅外光的照射下，碳骨架能升高溫度促進(jìn)催化速率，加快ROS的生成.該復(fù)合納米粒子成功實(shí)現(xiàn)了體內(nèi)外腫瘤細(xì)胞的完全殺傷，具有很大的發(fā)展?jié)摿?2021年，Chen等[51]將Pt與 Fe3O4NPs結(jié)合(Fe3O4@Pt NPs)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)該復(fù)合納米材料可通過電場觸發(fā)Pt產(chǎn)生活性氧(ROS)與Fe3O4NPs的類芬頓反應(yīng)結(jié)合增強(qiáng)腫瘤治療.

圖2 CDT的反應(yīng)原理示意圖

3 總結(jié)與展望

Fe3O4NPs在腫瘤精準(zhǔn)診療方面相比其他納米粒子表現(xiàn)出不可比擬的優(yōu)越性，例如前文提到的良好生物相容性、磁靶向性、MRI成像、模擬酶活性等[52].但是基于Fe3O4NPs的復(fù)合診療劑應(yīng)用于臨床仍然面臨一些問題：1)如何大量合成復(fù)合診療劑，目前需探索穩(wěn)定性更好、操作簡單、能夠大量合成的磁性納米粒子的方法；2)如何降低復(fù)合診療劑的生物毒性以及對健康組織的副作用，盡管Fe3O4本身生物相容性優(yōu)異，但經(jīng)過修飾后的復(fù)合治療劑在體內(nèi)的長期毒性仍需探究；3)如何降低復(fù)合診療劑在不同腫瘤以及患者之間的治療差異性等.總之,Fe3O4NPs為人類的腫瘤治帶來了新的希望，但是其向臨床轉(zhuǎn)化的過程仍需要進(jìn)一步探索.