趙惠豐，康瑞芳，朱孜璇，田啟威，2，楊仕平*

（1.上海師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，上海 200234；2.上海健康醫(yī)學(xué)院上海市分子影像學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201318）

0 引言

癌癥是一種威脅人類健康的多因素疾病，許多類型的癌癥具有高死亡率和高復(fù)發(fā)率的特點(diǎn)，這促使人們開(kāi)發(fā)更先進(jìn)的治療方法，其中納米技術(shù)是一種具有良好應(yīng)用前景的治療方法，因此也發(fā)展出了許多納米材料［1］.在過(guò)去的幾十年里，納米球技術(shù)發(fā)展迅速，生物相容性好、低毒和穩(wěn)定度高的納米球已被廣泛研究.其中磁性四氧化三鐵（Fe3O4）納米球在光熱治療（PTT）、化學(xué)動(dòng)力學(xué)治療（CDT）等方面具有潛在的應(yīng)用前景.由于Fe3O4納米粒子具有磁性，當(dāng)它們裸露時(shí)，高磁性相互作用容易使它們產(chǎn)生聚集.此外，在生物介質(zhì)中，它們很容易被氧化形成其他相［2］.近年來(lái)，人們采用了許多方法來(lái)克服這些限制，其中在Fe3O4納米顆粒表面覆蓋生物相容性材料被認(rèn)為是最有效的方法.通常的做法是在磁Fe3O4的表面形成一層或多層特定的材料來(lái)保護(hù)它們［3］.在眾多包覆材料中，介孔二氧化硅（SiO2）具有高度的生物相容性、低毒、化學(xué)穩(wěn)定性和易得性等特點(diǎn).在進(jìn)入人體后，磁性介孔SiO2納米球（MAG-MSNs）表面的硅羥基會(huì)逐漸被水解，最終被降解成對(duì)人體無(wú)毒的硅酸排出體外［4］.MAG-MSNs不僅避免了Fe3O4的缺點(diǎn)，而且結(jié)合了Fe3O4和介孔SiO2的優(yōu)點(diǎn)，因此具有核殼結(jié)構(gòu)的MAG-MSNs引起了研究者們的廣泛關(guān)注［5］.

1 MAG-MSNs的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

制備核殼結(jié)構(gòu)通常先合成順磁性的納米晶型Fe3O4，再在得到的Fe3O4納米顆粒上制備出一層介孔SiO2覆蓋層，一般硅源來(lái)自正硅酸乙酯（TEOS）［2］.如圖1所示，所得的MAG-MSNs的介孔SiO2殼呈現(xiàn)獨(dú)特的雙層結(jié)構(gòu)：內(nèi)部為無(wú)孔層，外部為介孔層，孔徑分布在1.8～3.0 nm.此外，由于Fe3O4在808 nm處有明顯紫外吸收，因此MAG-MSNs既可以作為PTT的腫瘤治療納米材料，也可以通過(guò)CDT治療腫瘤.

圖1 將載體釩酸鉍中的銪離子（Eu3+）嵌入到磁性介孔SiO2納米粒子（Fe3O4@mSiO2/BiVO4∶Eu3+）的合成工藝［6］

2 MAG-MSNs的制備方法

MAG-MSNs的制備一般采用兩步法：第一步首先合成Fe3O4內(nèi)核；第二步在其外包裹介孔SiO2.目前，國(guó)內(nèi)外制備Fe3O4的方法有很多，不同方法制備出來(lái)的Fe3O4納米粒子的性能和適用范圍大不相同.根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道制備Fe3O4納米粒子的方法主要有5種，它們是：1）共沉淀法.共沉淀法制備往往是在惰性氣體的保護(hù)下，通過(guò)在室溫或者較高溫度下的堿性水溶液中，利用Fe2+/Fe3+的共沉淀來(lái)合成磁性納米粒子.2）熱分解法.熱分解法以高沸點(diǎn)有機(jī)溶劑作為穩(wěn)定劑，熱分解金屬有機(jī)前驅(qū)體來(lái)制備Fe3O4.3）水熱法.水熱法一般是在高壓釜里，采用水溶液為反應(yīng)介質(zhì)，使通常難溶或不溶的物質(zhì)溶解、反應(yīng)并結(jié)晶，從而得到理想的納米顆粒產(chǎn)物.這種制備方法所需的原料廉價(jià)，反應(yīng)簡(jiǎn)單，制備出的粒子純度高、分散性好、晶型好，具有一定的普適性.如圖2所示，LIU等［7］通過(guò)使用檸檬酸三鈉作為穩(wěn)定劑的水熱法制備直徑約為160 nm的水分散性Fe3O4納米核.4）溶劑熱法.與水熱法相似，用有機(jī)溶劑替換水作為反應(yīng)介質(zhì)，得到納米顆粒產(chǎn)物.5）微乳液法.微乳液法通常是在油包水或水包油樣的“微反應(yīng)裝置”中進(jìn)行的顆粒成核和生長(zhǎng).

圖2 用不同初始物質(zhì)的量濃度的氯化鐵（FeCl3）合成的Fe3O4顆粒的掃描電鏡（TEM）圖像.

而在Fe3O4納米顆粒外包裹介孔SiO2外殼的制備方法通常有2種：1）一種是基于制備介孔SiO2殼的St?ber方法，首先將TEOS分子堿化水解，然后將水解的前驅(qū)體與模板（CTAB）通過(guò)靜電相互作用共同組裝成復(fù)合膠束.隨后，復(fù)合膠束由于水解前驅(qū)體的縮合而從溶液中聚集、沉淀，形成納米級(jí)低聚物.最后，這些納米低聚物沉積在磁性顆粒上，形成有序的介孔結(jié)構(gòu)硅層.早期由于制備方法不成熟，合成的多孔SiO2的孔道基本上是雜亂無(wú)序的.直到20世紀(jì)末，Mobi公司的KRESGE等［8］首次利用“模板法”對(duì)空間的限制作用，合成了孔道結(jié)構(gòu)有序的M41S系列介孔氧化硅材料.2）另一種是微乳法，由互不相溶的液體形成的熱力學(xué)穩(wěn)定分散體系，制備磁性復(fù)合納米粒子.通過(guò)改變反應(yīng)體系中表面活性劑、油相和水相的比例，可以改變粒子的形貌和大?。?］.在反應(yīng)體系中，表面活性劑的親水和疏水基團(tuán)既能溶解和分散納米粒子，又能夠很好地阻止納米粒子的團(tuán)聚［10］.如圖3所示，ASGARI等［11］通過(guò)反相微乳液法合成了單分散MAG-MSNs的核殼結(jié)構(gòu).相較第一種制備介孔SiO2外殼的方法，具有工藝簡(jiǎn)單、操作方便的特點(diǎn)，因此使用率更高.

圖3 用改進(jìn)的反相微乳液法合成介孔二氧化硅包裹四氧化三鐵（Fe3O4@mSiO2）納米粒子的示意圖［11］

3 MAG-MSN在腫瘤治療中的應(yīng)用

3.1 CDT

CDT作為一種新興的腫瘤治療方法，利用特定價(jià)態(tài)離子（如鐵離子等）與腫瘤組織內(nèi)高濃度的過(guò)氧化氫（H2O2）發(fā)生芬頓反應(yīng)，產(chǎn)生強(qiáng)氧化性的羥基自由基（·OH）消除腫瘤，具有獨(dú)特的腫瘤微環(huán)境響應(yīng)性，近年來(lái)引起廣泛關(guān)注.MAG-MSNs內(nèi)核的磁性Fe3O4納米粒子具有良好的芬頓反應(yīng)性能，因此被廣泛用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域.研宄表明：Fe3O4釋放的Fe2+/Fe3+可誘導(dǎo)芬頓反應(yīng)，催化細(xì)胞代謝產(chǎn)生的H2O2形成一種高毒性、強(qiáng)活性的·OH，從而導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞死亡［2］.作為一種新型的癌癥治療方式，利用內(nèi)源性化學(xué)能觸發(fā)芬頓型反應(yīng)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)對(duì)腫瘤酸性和高濃度H2O2微環(huán)境的反應(yīng)，顯示出較好的治療效果和良好的生物安全性和腫瘤特異性.因此，通過(guò)芬頓反應(yīng)產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化性的·OH已經(jīng)成為新型抗癌策略的有效手段［12］.

如圖4所示，SUN等［13］報(bào)道了一種介孔SiO2與Fe3O4和抗壞血酸棕櫚酯（PA）復(fù)合，作為放大腫瘤氧化治療的新型納米芬頓反應(yīng)器Fe3O4@SiO2-PA.其具有良好的分散性、穩(wěn)定性、均勻性，以及一致的光譜特性.通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)e3O4@SiO2-PA成功進(jìn)入了癌細(xì)胞，在酸性腫瘤微環(huán)境中，PA可通過(guò)金屬蛋白酶催化生成H2O2，而Fe2+作為催化劑可將H2O2還原為劇毒的·OH.通過(guò)活性氧（ROS）的產(chǎn)生，從而觸發(fā)DNA損傷，導(dǎo)致絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）和磷脂酰肌醇激酶/絲氨酸/蘇氨酸激酶（PI3K/AKT）通路的功能障礙，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，顯著抑制HeLa細(xì)胞和體外3D腫瘤球體的生長(zhǎng).結(jié)果表明：Fe3O4@SiO2-PA通過(guò)觸發(fā)增強(qiáng)的氧化損傷和調(diào)節(jié)多個(gè)信號(hào)通路來(lái)抑制體內(nèi)外HeLa細(xì)胞的生長(zhǎng)，在體內(nèi)表現(xiàn)出較少的副作用和良好的生物相容性，具有潛在的臨床應(yīng)用前景.

圖4 Fe3O4@SiO2-PA的合理設(shè)計(jì)和所提出的信號(hào)通路的示意圖

3.2 PTT

PTT是指在近紅外光的照射下光熱試劑的溫度會(huì)升高，從而產(chǎn)生局部高溫殺死腫瘤細(xì)胞.PTT的效果取決于光熱材料的性能，主要通過(guò)光熱轉(zhuǎn)換效率評(píng)價(jià).PTT是將具有較高光熱作用的材料注入體內(nèi)，利用組織對(duì)近紅外光具有低吸收率和高透過(guò)率這一特點(diǎn)，通過(guò)外界激發(fā)光的照射下將光能轉(zhuǎn)化為熱能從而殺死腫瘤細(xì)胞的一種治療手段.激光照射的光熱納米制劑產(chǎn)生的熱量可以準(zhǔn)確地定向到癌細(xì)胞，這大大減少了對(duì)周圍健康細(xì)胞和組織的潛在損害［14］.

理想的PTT試劑不僅能吸收近紅外，而且具有較高的光熱轉(zhuǎn)換效率.最早研究的光熱納米制劑有金納米材料，后來(lái)又有Fe3O4和硫化銅（CuS）等光熱試劑［15］.但純凈的Fe3O4納米顆粒由于其磁性而容易團(tuán)聚.它們?cè)诨瘜W(xué)性質(zhì)上也不穩(wěn)定，很容易在空氣中被氧化，如果在Fe3O4外包裹了一層SiO2形成復(fù)合納米粒子［16］，就能克服這些缺點(diǎn).Fe3O4納米粒子在更寬的范圍內(nèi)吸收光線，具有更高的生物安全性.因此，F(xiàn)e3O4納米粒子有可能成為下一代具有研究前景的光熱劑.如圖5所示，DAI等［17］將化學(xué)治療和PTT集成到磁性靶向阿霉素（DOX）負(fù)載的Fe3O4@SiO2納米顆粒（Fe3O4@SiO2@DOX）系統(tǒng)中.磁性Fe3O4@SiO2納米復(fù)合材料在近紅外照射下表現(xiàn)出良好的光熱效應(yīng).用808 nm近紅外激光照射10 min，即可將系統(tǒng)溫度從室溫提高到55℃，有效地誘導(dǎo)了體外癌細(xì)胞的凋亡.Fe3O4@SiO2@DOX納米微球在A549肺癌細(xì)胞的體外實(shí)驗(yàn)中顯示出良好的抗腫瘤作用.僅含0.5 μg·mL-1DOX的Fe3O4@SiO2@DOX孵育15 min，對(duì)A549肺癌細(xì)胞的殺傷率為81.3%.

圖5 合成SiO2包覆磁性Fe3O4納米粒子作為DOX載體和光敏劑，以增強(qiáng)化學(xué)治療/PTT的協(xié)同效應(yīng)

3.3 CDT和PTT聯(lián)合治療

PTT使用光熱劑來(lái)消融癌細(xì)胞，用近紅外照射來(lái)提高腫瘤周圍的局部溫度，與紫外光和可見(jiàn)光相比，近紅外光可以穿透深層組織［18］.與磁熱療法相比，PTT更方便、更安全.芬頓反應(yīng)是提高細(xì)胞內(nèi)ROS水平的一種有效途徑，其利用Fe2+/Fe3+催化細(xì)胞代謝產(chǎn)生H2O2，從而形成高毒性強(qiáng)氧化性的·OH，最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡.同時(shí)，芬頓反應(yīng)克服了光動(dòng)力治療過(guò)程中組織穿透性不足的缺陷［19］.在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，將CDT與PTT聯(lián)合所產(chǎn)生的治療效果會(huì)比單一治療方法產(chǎn)生的效果更顯著.

如圖6所示，DONG等［20］通過(guò)簡(jiǎn)單地將超小的鐵基納米顆粒和天然葡萄糖氧化酶（GOx）沉積到樹(shù)枝狀介孔SiO2硅球的大介孔（約13 nm）中，設(shè)計(jì)了一種新型的磁性靶向納米平臺(tái)，用于近紅外光增強(qiáng)CDT功效.在這種結(jié)構(gòu)中，GOx可以有效地消耗腫瘤細(xì)胞中的葡萄糖，以誘導(dǎo)pH值的降低，并產(chǎn)生相當(dāng)量的H2O2，這兩者都促進(jìn)后續(xù)的芬頓反應(yīng).這些超小的鐵基納米顆粒不僅作為有效的芬頓催化劑降解腫瘤內(nèi)增加的H2O2，產(chǎn)生高毒性的·OH，而且在用808 nm近紅外光照射時(shí)表現(xiàn)出高的光熱效率.重要的是，所產(chǎn)生的溫度可以顯著加速芬頓反應(yīng)過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)PTT與CDT聯(lián)合增強(qiáng)治療效果的目的.

圖6 光熱腫瘤消融和808 nm激光照射增強(qiáng)CDT治療癌癥的方案

4 結(jié)論與展望

在腫瘤的診療應(yīng)用材料中，許多復(fù)合納米顆粒可以用于多功能診療平臺(tái)，但大多數(shù)尚未實(shí)現(xiàn)臨床應(yīng)用，而Fe3O4納米顆粒已被美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準(zhǔn)可用于臨床.磁性Fe3O4納米粒子的獨(dú)特磁學(xué)性質(zhì)，賦予其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域更多復(fù)合應(yīng)用，而介孔SiO2硅納米顆粒則具備良好的材料特性及生物相容性［21］.因此，將Fe3O4納米顆粒與介孔SiO2材料制備成MAG-MSNs復(fù)合材料，F(xiàn)e3O4納米顆粒的穩(wěn)定性較差和水溶性較弱的問(wèn)題也能得到較好的解決［22］，同時(shí)可以將不同的治療性能集中于單個(gè)顆粒中［1］.作為一種新型納米復(fù)合材料，MAG-MSNs由于其無(wú)毒、高生物相容性以及獨(dú)特的磁性和光熱性質(zhì)受到廣泛關(guān)注，在CDT和PTT上顯示出了巨大的應(yīng)用前景.盡管核殼型MAG-MSNs已經(jīng)具有良好的研究成果，但要進(jìn)一步擴(kuò)大和優(yōu)化核殼型MAG-MSNs的應(yīng)用，仍有一些關(guān)鍵的問(wèn)題需要解決.相信隨著核殼結(jié)構(gòu)MAG-MSNs的深入研究，這類材料將在未來(lái)顯示出更廣闊的實(shí)際應(yīng)用前景［23］.