磁性納米顆粒在神經(jīng)系統(tǒng)中的醫(yī)學應用

鐘 海，徐東寶(綜述)，白茫茫，李 健(審校)

(延安大學附屬醫(yī)院神經(jīng)外科，陜西 延安 716000 )

近年來世界人口老齡化，中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system，CNS)疾病的發(fā)病率呈指數(shù)增加。CNS因血腦屏障(blood brain barrier，BBB)的存在，使藥物很難到達治療部位，因而尋找安全、有效、方便的CNS治療性藥物變得尤為重要。最近，制藥和生物醫(yī)學研究方面的納米技術發(fā)展，已創(chuàng)造出一些納米診斷和治療劑，有利于許多CNS疾病的治療[1]。由于磁性納米材料具有良好的磁導向性、生物相容性、生物降解性，可在磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)、靶向藥物傳遞、基因治療以及熱療等領域廣泛應用。該文就其在神經(jīng)系統(tǒng)中的應用進行簡單介紹和探討。

1 磁性納米顆粒

磁性納米顆粒(magnetic nanoparticles，MNPs)是一種處于納米尺寸范圍的磁性材料，通常情況下，一般大小為100 nm。形態(tài)學上為“核-殼結(jié)構”模式[2]。因其處于納米量級，使磁性納米粒子具有不同于常規(guī)材料的光、電、聲、熱、磁、敏感特性。

MNPs設計時，最重要的考慮是其循環(huán)藥動學[2]?；陬w粒的生物運動學，10～100 nm尺寸大小顆粒的體內(nèi)釋放是最理想的，不僅具有較長體內(nèi)循環(huán)時間，而且可在靶部位高濃度聚集，而顆粒<10 nm則難以逃避快速的腎臟清除，>200 nm的顆粒則被脾和肝的網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)(reticuloendothelial system，RES)所吞噬[3]。此外，通過親水涂層對顆粒表面修飾也可以降低RES的吞噬作用。

2 BBB

許多潛在的治療和診斷化合物有效傳遞到特定大腦區(qū)域，受到BBB、血腦脊液屏障或其他專門CNS屏障的阻礙[4]。BBB作為天然屏障，由毛細血管內(nèi)皮細胞、基膜和神經(jīng)膠質(zhì)結(jié)構(如星形膠質(zhì)細胞、周細胞和小膠質(zhì)細胞)構成[1]。超過98%的小分子量藥物不能穿越BBB，幾乎100%的大分子藥物不能穿越BBB。藥理學意義上，一種小分子藥物能穿過BBB，其必須具有的特點[5]：相對分子質(zhì)量低于400～500；高脂溶性。BBB限制外周循環(huán)與CNS之間的物質(zhì)運動，此種情況下，其對調(diào)節(jié)大腦微環(huán)境起著至關重要的作用[6]。

BBB是腦內(nèi)藥物發(fā)展的瓶頸，而且是限制神經(jīng)疾病治療方法未來增長的一個最重要的因素[5]。隨著高特異性和多功能性納米粒子的幫助，如樹突狀聚合物、治療劑、造影劑和診斷分子，可穿過BBB傳遞到大腦，在認識、診斷和治療CNS疾病方面，取得相當大的進步[7]。

3 MNPs在神經(jīng)系統(tǒng)中的醫(yī)學應用

3.1MRI 醫(yī)學MRI研究的重點集中于開發(fā)一種可以更好地區(qū)分健康組織和病變組織的對比劑。由于具有超順磁性、生物降解能力以及易修飾的表面特性等，使得MNPs在MRI應用中成為有前途的造影劑[8]。

以氧化鐵MNPs為基礎的超順磁性造影劑使所在組織區(qū)域顯示較暗，因此稱為陰性造影劑[9]。陰性造影劑一大優(yōu)點是靈敏度高，比傳統(tǒng)釓基造影劑(陽性造影劑)顯像清楚。例如，超小型超順磁性氧化鐵傾向于被在浸潤性腫瘤邊緣常見的活性吞噬細胞所吞噬。相反，標準釓基造影劑唯一成像在已經(jīng)發(fā)生BBB破壞的腫瘤區(qū)域，往往未能增強浸潤性腫瘤邊緣影像。因此，腫瘤區(qū)域不能被釓基造影劑顯像的可以使用氧化鐵納米顆粒檢測[10]。

MNPs的另一大優(yōu)點是具有高度選擇性靶向腫瘤的能力，可作為高度腫瘤特異性造影劑。例如，以納米顆粒為基礎的造影劑依靠顆粒表面涂覆藥物(如甲氨蝶呤)，能靶向于特殊腦腫瘤抗原，并通過MRI監(jiān)測[11]。Jiang等[12]研究共軛轉(zhuǎn)鐵蛋白的超順磁性氧化鐵納米顆粒用于腦神經(jīng)膠質(zhì)瘤的檢測，注射之后腫瘤部位的磁共振信號強度逐步減弱持續(xù)到48 h之后，從而證明其可作為有潛力的靶向MRI造影劑。

此外，以MNPs為基礎的造影劑能用于術中MRI[10]。術中MRI的最大挑戰(zhàn)之一是如何清楚區(qū)分殘余腫瘤增強區(qū)域和手術過程中破壞的BBB區(qū)域。傳統(tǒng)釓基造影劑靜脈注射后，通過手術破壞的BBB區(qū)域，導致手術通道中任意腫瘤區(qū)域的增強。而MNPs被腦腫瘤內(nèi)細胞吞噬長達24～28 h后仍能引起腫瘤的增強顯像，且不引起手術處理組織的顯像增強。Hunt等[13]證明，由右旋糖苷包被的氧化鐵顆粒組成的超微性超順磁對比顯影劑在腦腫瘤增強顯影，無術中釓基造影劑增強的缺點。

3.2靶向藥物傳遞 傳統(tǒng)給藥方式存在一定局限性，而且因BBB的存在，大多數(shù)藥物很難穿透屏障到達CNS。為了解決這一問題，納米載體的應用發(fā)展成型。由于小尺寸，納米載體能夠穿過BBB并在細胞水平上發(fā)揮作用[14]。理想的納米載體參與藥物傳遞穿越BBB，有如下特點[15]：顆粒尺寸<100 nm；無毒性，具有生物降解和生物適應性；血液中穩(wěn)定性；靶向BBB(如細胞表面、配體和受體介導的胞吞作用等的運用)；避免RES的吞噬，且延長循環(huán)時間；藥物控制釋放等。

載藥磁納米顆粒復合物靶向到病變組織，取決于它們的尺寸和表面化學，可以通過被動或主動機制完成[14]。被動靶向是由腫瘤組織增加的滲透和滯留效應所導致[16]。滯留效應被認為是開發(fā)新的抗癌藥物的“金標準”[17]。主動靶向策略通過利用可識別配體(如抗體)附著于MNPs表面，并在外部磁場作用下，使納米粒子吸引到靶向部位。磁靶向給藥系統(tǒng)(magnetic targeting drug delivery system,MTDDS)作為新興發(fā)展起來的一種新型靶向藥物輸送系統(tǒng)，尤其是超順MNPs在MTDDS中具有顯著的優(yōu)點：載藥磁納米顆粒在外加磁場作用下，準確靶向病灶部位，提高靶部位藥物濃度的同時減輕了對正常組織的損傷，不僅提高了藥效，而且降低了生理毒性；可通過MRI跟蹤藥物輸送過程及其在生物體內(nèi)的分布；在交變磁場的作用下，MNPs吸收能量產(chǎn)生熱能、發(fā)揮熱療效能的同時還可以控釋藥物[18]。

由于磁靶向藥物傳遞在腦腫瘤治療過程中是完全非侵入性的，而且不干擾正常的大腦功能，因而優(yōu)于其他傳遞策略[19]。Chen等[20]采用聚焦超聲瞬時穿透，增加被動擴散，隨后聯(lián)合應用外部磁場使結(jié)合化療藥物1,3-雙(2-氯乙基)-1-亞硝基脲的MNPs在鼠膠質(zhì)瘤局部靶向增強，同時通過MRI監(jiān)測，結(jié)果顯示腫瘤被抑制，無正常腦組織損害。此外，Estevanato等[21]設計一種封裝磁赤鐵礦納米粒子的磁性白蛋白納米球(magnetic albumin nanosphere,MAN)，作為一個磁性藥物傳遞系統(tǒng)，結(jié)果顯示，MAN安全穿過BBB且無神經(jīng)毒性，可應用于神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷和治療。

3.3靶向基因治療 基因治療通過引導載體基因的傳遞參與細胞遺傳內(nèi)容的修改。治療成功的關鍵因素是載體。常用基因載體分為兩類：病毒性載體和非病毒性載體。病毒載體(如γ反轉(zhuǎn)錄病毒等)因轉(zhuǎn)染效率高，靶向能力強而得以較多使用，但存在(如免疫原性和病毒性重組等)安全性問題。非病毒載體以其安全、低毒、低免疫反應、靶向性及易于組裝等優(yōu)點被寄予厚望。脂質(zhì)體是第一種用于基因治療的非病毒載體，但最初由于轉(zhuǎn)導效率低，使用受到限制[13]。

MNPs作為非病毒載體已開發(fā)應用于基因治療[23]。MNPs介導基因傳遞系統(tǒng)，也稱為磁轉(zhuǎn)染，提供了解決目前阻礙有效基因治療發(fā)展的一個潛在方案[23-24]。例如，通過MNPs復合基因載體的使用，治療性基因通過外部磁場可以選擇性地靶向腫瘤部位，不僅增加了腫瘤部位的治療性基因濃度，同時減少了身體其他部分的暴露[25]。它不僅具有病毒載體的優(yōu)點，還克服了脂質(zhì)體轉(zhuǎn)染效率低的缺點。超順磁性氧化鐵納米顆粒涂覆聚乙烯亞胺并且和DNA結(jié)合，在一個即穩(wěn)定磁場內(nèi)進行轉(zhuǎn)染，其轉(zhuǎn)染效率提高超過標準狀況40倍以上[26]。通過這種方法，一個最小的DNA劑量足夠達到較高的轉(zhuǎn)染水平，從而提供了整合載體新的高效的選擇，并且避免了與它們的整合相關的不利影響(如毒性)。Tencomnao等[27]用同樣方法在人工培養(yǎng)神經(jīng)元細胞中進行基因傳遞，也證明了這一點。

3.4惡性腫瘤的熱療 熱療誘導作為抗癌療法由于其很難安全輸送熱深入身體結(jié)構，因而將其納入癌癥治療的主流仍受到限制。一個新的策略被研發(fā)，即用MNPs在交變磁場下發(fā)熱治療惡性組織[28]。它利用鐵磁性物質(zhì)能在交變磁場中升溫的物理特性，將磁性物質(zhì)作為熱介質(zhì)引入腫瘤組織，使其在外加交變磁場作用下升溫并將腫瘤組織加熱到治療溫度，同時不損傷腫瘤周圍正常組織。

熱療作為一種癌癥治療方法，依賴于腫瘤局部加熱達43 ℃以上約30 min[29]。主要產(chǎn)熱機制包括奈爾和布朗弛豫，磁滯損耗。通過硅烷涂層外衣的使用和通過官能化方法，MNPs對腫瘤的專一性得到大大提高[30]。

Ren等[30]也證實在異種移植腫瘤的裸鼠實驗中，使用四氧化三鐵納米粒子進行熱療，腫瘤體積顯著減小，腫瘤細胞凋亡。此外，Zhao等[31]研究用異種移植腫瘤的老鼠模型模擬人類頭頸部腫瘤，在交變磁場下，應用MNPs誘導熱療，實驗結(jié)果顯示，在最初的5～10 min，腫瘤中心的溫度達到40 ℃，病理學研究證明上皮腫瘤細胞顯著破壞。Silva等[32]研究評估MNPs誘導熱療在腦膠質(zhì)瘤治療中的應用，通過體外實驗證明了其療效，腫瘤細胞通過壞死、凋亡或熱消融而促進死亡，這種效果在嚙齒類動物實驗模型中被證實，其生存率提高。因此，磁性納米材料是一種理想的磁熱療試劑，必將進一步廣泛用于腫瘤的熱療。

4 展 望

MNPs作為一種具有獨特磁學性質(zhì)的納米材料，其在神經(jīng)系統(tǒng)的醫(yī)學應用，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)學領域研究發(fā)展的熱點。但是，目前磁納米材料在神經(jīng)科學領域的臨床應用仍很有限，大多數(shù)仍處于研究實驗階段，面臨著許多挑戰(zhàn)和問題：設計出具有更好穩(wěn)定性、專一性和良好生物相容性且易于穿透BBB的MNPs；精確的靶向定位；避免免疫系統(tǒng)吞噬，提高病灶部位的富集率；如何降低其細胞毒性和使用劑量，減少對人體的不良反應；如何批量生產(chǎn)、簡化生產(chǎn)步驟和降低成本以及大規(guī)模臨床應用等。總之，隨著各學科的進一步融合和發(fā)展，必將加速對磁納米材料的開發(fā)和研究，從而推動神經(jīng)科學領域的發(fā)展，使之進入一個高速發(fā)展階段。

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