藥用鐵基納米材料及其發(fā)展前景

陳 博，顧 寧

(1.東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院 江蘇省生物材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗室生物電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，江蘇南京 210096)(2.蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心 納米藥物與生物材料專業(yè)中心，江蘇蘇州 215123)

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藥用鐵基納米材料及其發(fā)展前景

陳 博1,2，顧 寧1,2

(1.東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院 江蘇省生物材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗室生物電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，江蘇南京 210096)(2.蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心 納米藥物與生物材料專業(yè)中心，江蘇蘇州 215123)

顧 寧

鐵基納米材料是指以天然或人工方法得到的納米尺度范圍的鐵、鐵氧體及鐵合金等的功能性材料。根據(jù)結(jié)構(gòu)組成可分為超順磁性氧化鐵納米粒、磁性氧化鐵微球、磁性鐵蛋白、磁小體、磁性氧化鐵脂質(zhì)體及鐵合金納米粒等。鐵基納米材料具有優(yōu)良的尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)與量子效應(yīng)，尤為重要的是獨(dú)特的磁學(xué)性質(zhì)，使其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，包括核磁共振造影、體外生物分離、腫瘤磁熱療、藥物遞送及組織工程等方面得到了廣泛應(yīng)用，且已有產(chǎn)品被批準(zhǔn)上市或處于臨床試驗研究。理想的藥用鐵基納米材料應(yīng)具有結(jié)構(gòu)明確、性質(zhì)穩(wěn)定、高度分散、可規(guī)?；a(chǎn)以及體內(nèi)應(yīng)用安全有效等特性。限制鐵基納米材料醫(yī)學(xué)應(yīng)用的問題在于鐵離子在體內(nèi)產(chǎn)生的氧化應(yīng)激反應(yīng)與鐵過載對機(jī)體的毒性。綜述了藥用鐵基納米材料的研究現(xiàn)狀以及面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，并展望了其發(fā)展前景。

鐵基納米材料；藥用；制備方法；臨床研究；發(fā)展前景

1 前 言

鐵元素在地球上含量高且分布廣泛，長期以來鐵基材料也在不斷發(fā)展，應(yīng)用于多個領(lǐng)域。藥用鐵基納米材料由于在臨床應(yīng)用中的安全有效性，極具研究價值和發(fā)展前景。藥用鐵基納米材料是指以天然或人工制備得到的納米尺度范圍的鐵、鐵氧體及鐵合金等可用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域的功能性材料。藥用鐵基納米材料由鐵基組分和功能性材料兩大部分構(gòu)成，鐵組分主要發(fā)揮磁性和補(bǔ)鐵等生理作用，而功能性材料在提高整體材料的生物相容性與保證鐵組分穩(wěn)定的同時，兼具特有的藥用功能。與其他納米材料相比，藥用鐵基納米材料不僅具有尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)及量子效應(yīng)等性質(zhì)，同時還體現(xiàn)出其它顯著的優(yōu)勢，如低毒性、低免疫原性和高生物降解性能，在體內(nèi)使用的安全有效性，以及優(yōu)良的磁學(xué)特性。其中特殊的磁學(xué)性質(zhì)包括超順磁性[1]、高磁化性、低居里溫度等。但藥用鐵基納米材料仍面臨一些較為嚴(yán)重的體內(nèi)應(yīng)用問題，如對細(xì)胞內(nèi)信號通路的異常誘導(dǎo)，致使基因表達(dá)特性改變，產(chǎn)生氧化應(yīng)激及其他對鐵穩(wěn)態(tài)潛在的破壞等[2]。美國FDA批準(zhǔn)上市的鐵基納米藥物數(shù)量稀少，目前允許在臨床上單獨(dú)應(yīng)用的鐵基納米藥物僅有Ferumoxytol一種，F(xiàn)erumoxytol因具有良好的安全性，已被作為‘Off Label’藥物廣泛應(yīng)用于炎癥和腫瘤區(qū)域成像的臨床試驗。越來越多種類的藥用鐵基納米材料在不斷涌現(xiàn)，本文就目前鐵基納米材料在醫(yī)藥領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，并展望了其發(fā)展前景。

2 藥用鐵基納米材料的分類及其制備方法

藥用鐵基納米材料根據(jù)結(jié)構(gòu)組成，即鐵基部分與修飾材料的不同可分為超順磁性氧化鐵納米顆粒(SPIOs)、磁性氧化鐵類微球、鐵蛋白類納米顆粒、磁小體及各種鐵基納米復(fù)合物(見圖1)等。

圖1 幾種藥用鐵基納米材料的電子顯微鏡照片：(a)磁性微球[3]，(b)錳鋅鐵氧體[4]，(c)鐵蛋白[5]，(d)磁小體[6]，(e)共沉淀法制備的超順磁性氧化鐵納米粒[7]Fig.1 Electron microscope photographs of different pharmaceutical iron based nano-materials: (a) magnetic microspheres[3],(b) Mn-Zn ferrite nanoparticle[4], (c) ferritin[5], (d) magnetosome[6], and (e) SPIOs prepared by co-precipitation[7]

2.1 超順磁性氧化鐵納米粒

超順磁性氧化鐵納米顆粒(SPIOs)是目前發(fā)展最為迅速的藥用鐵基納米材料,尺寸效應(yīng)是其在體內(nèi)發(fā)揮功能的基礎(chǔ)。SPIOs的組成一般分為兩個部分：氧化鐵核心和醫(yī)用材料組成的外殼。氧化鐵核的組成主要為Fe3O4或γ-Fe2O3。外殼包裹材料改善了顆粒的溶解性與穩(wěn)定性，由各種生物相容性良好的天然物質(zhì)或人工合成材料組成，如葡聚糖、殼聚糖、聚乙二醇、聚乙烯醇等。

SPIOs的制備方法多樣，包括物理法、生物法、化學(xué)法與物化法等，目前能夠滿足藥用與工業(yè)生產(chǎn)需求的只有化學(xué)共沉淀法。該方法所需的原料廉價易得，制備過程易于調(diào)控，產(chǎn)率相當(dāng)可觀。該制備方法的原理為三價與二價鐵鹽溶液加堿后形成過飽和溶液而瞬間大量成核，繼而通過緩慢的升溫熟化過程制備SPIOs。該法最初由Massart等[8]開發(fā)出來，在酸或堿介質(zhì)中未添加穩(wěn)定劑共沉淀制備SPIOs。共沉淀法的工藝改善主要包括初始溶液中鐵價態(tài)的比例和濃度，表面包覆劑或穩(wěn)定劑的種類與濃度，終溶液中的pH和離子強(qiáng)度及反應(yīng)溫度等。Chen等[7]基于SPIOs在交變磁場中的磁滯產(chǎn)熱原理，利用共沉淀法原理在中頻交變磁場中制備納米藥物Ferumoxytol，在形貌和磁性方面比普通共沉淀法的產(chǎn)品大有改善。除此之外，另一種廣泛使用的制備SPIOs的方法為高溫?zé)峤夥?，利用高溫?zé)峤夥芍苽涑鲂蚊埠土礁鼮榫磺掖艑W(xué)性能更佳的SPIOs。該方法采用如五羰基鐵、乙酰丙酮鐵及油酸鐵等較為昂貴的前驅(qū)體原料，在包覆劑和非極性的高沸點(diǎn)溶劑存在下高溫分解鐵前驅(qū)體生成粒度分散均一的顆粒。除此之外，SPIOs制備手段還包括水熱法、微乳法、溶膠-凝膠法、多元醇法、流動注射合成法、電化學(xué)法、蒸氣/氣霧法與超聲分解法等[8]。

2.2 磁性氧化鐵類微球

磁性微球的粒徑大于超順磁性氧化鐵納米粒，范圍是100 nm～2 μm，一般小于4 μm，以避免在體內(nèi)循環(huán)中堵塞毛細(xì)血管。磁微球表面修飾的功能性分子決定了其醫(yī)學(xué)應(yīng)用，目前大多磁性微球用于藥物載體與免疫分離。根據(jù)用途可分為治療型磁微球、體內(nèi)診斷型磁微球與體外診斷型磁微球等。

磁性微球的化學(xué)制備方法主要包括7種：復(fù)乳法、交聯(lián)法、堿共沉淀法、反相懸浮聚合法、聲化學(xué)法、溶脹和滲透法以及低溫水熱法等[9]。根據(jù)表面材料的包覆形式也可分為原位法與兩步法。Molday等[10]混合甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸羥乙酯、甲基丙烯酸、乙二醇二甲基丙烯酸酯與四氧化三鐵納米顆粒，真空下經(jīng)γ輻射聚合生成磁微球，繼續(xù)使用溴化氰在微球表面衍生化二氨基庚烷功能基團(tuán)并偶聯(lián)上異硫氰酸熒光素，構(gòu)建出可標(biāo)記與分離細(xì)胞的免疫磁性微球。Deng等[11]使用多步法合成了表面可固定胰島素酶的磁性微球，首先采用溶膠-凝膠法在Fe3O4納米粒表面包裹一層硅質(zhì)，硅層可防止水熱過程中對微球的腐蝕，同時也為硅酸鹽晶體的生長提供了基底，繼續(xù)在硅層表面修飾聚二烯丙基二甲基氯化銨，分解帶電荷的硅酸鹽晶種，憑借庫侖相互作用，硅酸鹽晶種納米粒吸附在微球表面，在140oC的氨蒸汽中將硅層轉(zhuǎn)化為硅酸鹽晶體，由此獲得核殼結(jié)構(gòu)的硅酸鹽磁性微球。

2.3 鐵蛋白類納米顆粒

人體內(nèi)存在多種處于納米尺度的鐵類蛋白質(zhì)如轉(zhuǎn)鐵蛋白。納米鐵蛋白外殼擁有一個位于顆粒重鏈區(qū)域的催化位點(diǎn)，可將溶液中的二價鐵導(dǎo)入并啟動三價鐵核的成核反應(yīng)，從而形成納米鐵蛋白。已有研究[12,13]通過人工合成，將病毒衣殼、鐵蛋白及熱休克蛋白等作為外殼，將鐵核心包裹在內(nèi)形成納米蛋白質(zhì)籠結(jié)構(gòu)。該類鐵蛋白納米粒在體內(nèi)外的生物相容性高，易被機(jī)體吸收而發(fā)揮作用。鐵蛋白納米粒的基本制備步驟為：首先通過基因工程技術(shù)合成出蛋白外殼，繼而利用礦化作用在殼內(nèi)生成氧化鐵顆粒。Masaki等[14]使用鐵蛋白籠氧化鐵顆粒制備新型的超順磁性T2核磁共振造影劑，方法為將編碼人源H鏈鐵蛋白(HFn)的基因利用PCR技術(shù)擴(kuò)增，并克隆入NdeI/BamHI限制性內(nèi)切酶位點(diǎn)，在大腸桿菌中表達(dá)出重組的人源H鏈鐵蛋白HFn蛋白(rHFn)，再將rHFn蛋白分離提純，以硫酸鐵銨為鐵源、雙氧水為氧化劑進(jìn)行礦化反應(yīng)，在rHFn的內(nèi)部生成Fe3O4，使用尺寸排阻色譜分離出單分散性的礦化rHFn納米粒。Fan等[5]運(yùn)用基因工程技術(shù)在大腸桿菌體內(nèi)表達(dá)出重組人轉(zhuǎn)鐵蛋白(HFn)，經(jīng)純化得到單分散且形貌規(guī)整的HFn蛋白殼，將氧化鐵裝載入內(nèi)部并氧化得到穩(wěn)定的HFn，其鐵核尺寸約為4.7 nm，整體粒徑為12～16 nm，并發(fā)現(xiàn)這些鐵蛋白具有類過氧化氫酶活性。

2.4 磁小體

趨磁細(xì)菌在自然界中分布廣泛，其吸收生長環(huán)境中的鐵離子并在胞內(nèi)生成磁性納米鐵顆粒，即為磁小體。磁小體由含有蛋白質(zhì)的磷脂雙分子層包覆，單個磁小體形態(tài)多樣呈球狀與長柱狀等，而整體一般呈鏈狀排列。鐵基組分為Fe3O4、FeS、Fe3S4或FeS2等，一般呈超順磁性?？刂瓢l(fā)酵罐中的溶氧量、鐵源與多種營養(yǎng)元素保證趨磁菌菌體的生長，可批量制備磁小體。該生物合成的方法綠色環(huán)保，適合規(guī)模化生產(chǎn)，尤為重要的是在絕氧程度極高的情況下，可得到磁性優(yōu)越的產(chǎn)品。Blakemore[15]首先報道了趨磁螺旋菌生產(chǎn)四氧化三鐵磁小體的條件：約1%的氧含量與氮氧化物的添加，后者可提供終端電子受體以促進(jìn)Fe3O4生成。Heyen等[16]通過篩選趨磁螺菌在微氧下培養(yǎng)的介質(zhì)與生長條件，創(chuàng)制了一種規(guī)?；苽浯判◇w的發(fā)酵法，產(chǎn)率相比傳統(tǒng)方法有大幅提高。

2.5 鐵合金納米粒

為了得到滿足臨床應(yīng)用需求的高磁性鐵基納米材料，摻雜自然界中其他金屬元素制備新一代鐵雜合磁性顆粒已成為一種重要手段。將不同的金屬鹽如錳、鋅、鈷等與鐵元素前驅(qū)體的膠束溶液混合，相應(yīng)的金屬陽離子可以取代二價鐵組成鐵合金核，如MnFe2O4，CoFe2O4，NiFe2O4等。晶體結(jié)構(gòu)組成可由加入的前驅(qū)體的比例來調(diào)控，摻雜后能夠改變顆粒的尺寸、表面狀態(tài)及磁晶相，與單獨(dú)鐵氧體相比具有較大的磁各向異性與較高的磁化率，顯著改善其核磁共振性質(zhì)與熱療性能。Adam等[17]使用微乳液法制備了納米CoFe2O4，混合氯化鈷與氯化亞鐵溶液，加入表面活性劑十二烷基硫酸鈉形成了十二烷基硫酸鐵和十二烷基硫酸鈷的膠束溶液，并以此為前驅(qū)體得到鐵鈷納米顆粒。Xie等[4]以乙酰丙酮金屬鹽(鐵、錳、鋅)在油酸與油胺存在下高溫分解制備出單分散性良好的超順磁性錳鋅鐵氧體，并可通過改變晶體生長速率調(diào)控納米顆粒的形貌使其出現(xiàn)球形-立方形-星型結(jié)構(gòu)的變化，可用于動物體內(nèi)乳腺癌的核磁共振成像與熱療。

3 藥用鐵基納米材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

藥用鐵基納米材料已被多個藥物企業(yè)開發(fā)成商品并批準(zhǔn)在臨床上進(jìn)行診斷或治療。臨床上批準(zhǔn)使用的商品主要應(yīng)用于三大領(lǐng)域：核磁共振造影、體外生物分離與腫瘤磁流體熱療。表1展示了目前已被批準(zhǔn)用于臨床或正處于臨床試驗的鐵基納米藥物。除此之外，各種新的診療功能如藥物載體、基因轉(zhuǎn)染、組織工程等也在不斷開發(fā)。表2列舉了一些用于臨床前研究或僅供動物試驗的藥用鐵基納米材料。以下詳細(xì)敘述了藥用鐵基納米材料的應(yīng)用現(xiàn)狀。

表1 已被批準(zhǔn)用于臨床或正處于臨床試驗的鐵基納米藥物

表2 處于臨床前研究或僅供動物試驗的藥用鐵基納米材料

3.1 核磁共振造影劑

SPIOs具有優(yōu)良的超順磁性，可影響待檢測組織周圍的水分子質(zhì)子自旋弛豫，擾亂磁場的均質(zhì)性，增強(qiáng)T2成像的精確度，有利于區(qū)分腫瘤或炎癥區(qū)域，提高病變區(qū)域檢出率與定性診斷的準(zhǔn)確率。已經(jīng)上市的SPIOs類造影劑中，早期多應(yīng)用于增強(qiáng)單核細(xì)胞吞噬系統(tǒng)的肝脾、淋巴結(jié)與骨髓等部位的造影，目前有臨床試驗也在針對一些惡性腫瘤如膠質(zhì)瘤等的成像。

適宜MRI的SPIOs尺寸在10～200 nm之間。一般來說大于4 μm的顆粒會堵塞肺部，200 nm～4 μm 易被肝脾的巨噬細(xì)胞和單核細(xì)胞吞噬(MPS系統(tǒng))，小于7 nm的顆粒則易外滲并被腎臟清除出血液循環(huán)。只有尺寸為10～200 nm的顆粒在體內(nèi)應(yīng)用最為有效[18-19]。如Resovist?(62 nm)靜脈注射后，經(jīng)血液循環(huán)后富集于肝臟的網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)，顯示出T2和T1加權(quán)造影信號的下降；而惡性的肝腫瘤區(qū)域并不包含MPS細(xì)胞，不會引起Resovist?的富集，因此與正常區(qū)域產(chǎn)生了信號明暗的差異，由此確定腫瘤位置[20]。Feridex?(50 nm左右)被批準(zhǔn)上市應(yīng)用于肝臟造影，而稍小粒徑的Combidex?被批準(zhǔn)上市應(yīng)用于淋巴造影，能夠被正常的淋巴結(jié)吞噬而不會進(jìn)入轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)。一項應(yīng)用于多發(fā)性硬化癥的臨床試驗中[21]，F(xiàn)eraheme?(30 nm)相比釓劑能夠?qū)z測區(qū)域更為清晰地標(biāo)記出來，檢測率得到顯著提高(NCT01973517)。

利用新的生物材料或靶向分子結(jié)合SPIOs，能夠顯著提高M(jìn)RI效果。Lee[22]等使用高生物相容性的聚乙烯基吡咯烷包裹氧化鐵顆粒，終產(chǎn)品與Ferumoxides相比飽和磁化強(qiáng)度高達(dá)110 emu/g Fe，在體內(nèi)外實(shí)驗中顯示出良好的吞噬細(xì)胞攝取率，有潛力應(yīng)用于臨床。

3.2 體外生物分離

磁性鐵基納米材料可在外周血液中迅速靈敏地記錄循環(huán)腫瘤細(xì)胞，臨床上可有效檢測腫瘤的復(fù)發(fā)與轉(zhuǎn)移情況。該方法具有明顯的優(yōu)勢[8]：磁性分離過程簡單易操作、敏感性高，所有的步驟均在一個試管內(nèi)完成且不需要昂貴的液相色譜系統(tǒng)。使用磁性微球進(jìn)行體外分離的步驟大致為：憑借其表面功能化的材料如抗體、活性官能團(tuán)等與待分離的細(xì)胞或蛋白親和性吸附，清洗除去未吸附的物質(zhì)，外加磁場介入下將結(jié)合靶細(xì)胞或蛋白的磁微球解吸下來。目前被FDA批準(zhǔn)的鐵基磁流體的體外分離診斷系統(tǒng)為CellSearch?。該系統(tǒng)由以下組分構(gòu)成：測試盒、操作設(shè)備與遠(yuǎn)程工作站，分別負(fù)責(zé)樣品采集、制備與分析。主要過程是根據(jù)免疫磁分離原理富集得到血液中的上皮源性的腫瘤細(xì)胞，熒光顯微鏡觀察細(xì)胞核染色情況，流式細(xì)胞儀記錄細(xì)胞角蛋白的表達(dá)量來計數(shù)腫瘤細(xì)胞，以此監(jiān)測如乳腺癌、結(jié)腸癌及前列腺癌等患者的腫瘤轉(zhuǎn)移情況[23]。該操作半自動化，易于控制，精確高效，測試結(jié)果可重復(fù)性高。除了細(xì)胞分離，磁性鐵基微納材料還可用于多種生物分子如DNA、蛋白質(zhì)和病毒等的分離、檢測與純化。GeneMAG-DNA 96/Blood試劑盒利用二氧化硅磁性微球簡易高效地分離并純化血液細(xì)胞中的DNA，為PCR擴(kuò)增等生物應(yīng)用提供了便利[24]。

3.3 磁流體熱療

磁流體熱療的概念為：在細(xì)胞層面，針對腫瘤細(xì)胞對熱敏感(42～52℃)的特性[25]，通過維持一定時間和溫度的熱療，致使胞內(nèi)熱休克蛋白的高水平表達(dá)，誘導(dǎo)蛋白質(zhì)變性，折疊和凋亡，從而對腫瘤細(xì)胞進(jìn)行殺傷并抑制其自身的修復(fù)系統(tǒng)；在組織層面，熱療升溫使腫瘤局部微環(huán)境的pH、灌注和含氧量情況發(fā)生改變，抑制腫瘤的增長。該技術(shù)主要應(yīng)用于惡性程度高、一線治療手段難以起效的腦部癌癥等實(shí)體瘤。采用磁納米顆粒進(jìn)行熱療的設(shè)想首先出現(xiàn)在Jordan[26]的開創(chuàng)性工作中，注射氧化鐵磁流體于10位前列腺癌患者腫瘤部位，每周進(jìn)行6次共持續(xù)60 min的熱療，觀察瘤內(nèi)最高溫度至55oC，而周圍溫度為40.2oC。2010年由歐洲藥品管理局批準(zhǔn)了一種氨基硅烷包裹的磁性氧化鐵納米顆粒NanoThermTM，輔助交變磁場施加裝置，用于瘤內(nèi)注射臨床治療復(fù)發(fā)性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤。該熱療系統(tǒng)包括：氧化鐵磁流(NanoThermTM)，模擬軟件(NanoPlan?)與交變磁場設(shè)備(NanoActivator?)。Targeted Nano-Therapeutics (TNTTM) System是處于臨床前研究的一種實(shí)體瘤磁熱療系統(tǒng)，包括T探針和磁場裝置兩部分，其中鐵基部分的T探針為表面偶聯(lián)單抗的約40 nm尺寸的氧化鐵納米顆粒，注射后可與腫瘤細(xì)胞特異性結(jié)合并聚集[27]。Hauff 等[28]評估了對復(fù)發(fā)性多形性膠質(zhì)瘤進(jìn)行SPIOs磁流體熱療的可行性和耐受性。經(jīng)熱療后瘤內(nèi)中心溫度可達(dá)44.6oC，所有病人并未出現(xiàn)副作用。后續(xù)實(shí)驗發(fā)現(xiàn)經(jīng)治療后病人的中位總生存期達(dá)到23.2個月，顯著改善了未治療組的14.6個月。Le等[29]報道了磁性氧化鐵脂質(zhì)體的靶向熱療作用，在磷脂膜的EMC-DPPE上交聯(lián)抗體得到主動靶向的磁性脂質(zhì)體，體內(nèi)應(yīng)用檢測有60%能夠靶向膠質(zhì)瘤細(xì)胞，極大提高了熱療效果，腫瘤細(xì)胞在兩周后即出現(xiàn)抑制。

3.4 靜脈補(bǔ)鐵

缺鐵性貧血是由于人體內(nèi)鐵元素不足或代謝問題而導(dǎo)致紅細(xì)胞生成減少的癥狀，在世界范圍內(nèi)普遍存在，危害極大，多發(fā)于婦女和兒童，臨床上主要通過口服或靜脈應(yīng)用補(bǔ)鐵劑來進(jìn)行治療。納米鐵劑與傳統(tǒng)鐵劑相比，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、鐵離子不易泄露、體內(nèi)毒性低、利用率高。Ferumoxytol(FMT)是目前唯一上市作為補(bǔ)鐵劑的鐵基納米材料，于2009年在FDA批準(zhǔn)用于治療慢性腎病患者的缺鐵性貧血。FMT可一次性靜脈注射17 mL并補(bǔ)充510 mg鐵，具有良好的體內(nèi)代謝動力學(xué)性質(zhì)。此外，Powell研究組開發(fā)了一種由酒石酸修飾的水鐵礦納米粒，鐵核粒徑為2～3 nm，體外胃溶解試驗顯示在60 min內(nèi)即可完全釋放出鐵離子，在缺鐵的大鼠模型上應(yīng)用后觀察，機(jī)體對硫酸亞鐵和納米鐵劑的鐵吸收率相當(dāng)，可快速有效補(bǔ)鐵，同時能避免鐵離子在胃腸造成的氧化應(yīng)激反應(yīng)，極具潛力成為新型口服補(bǔ)鐵劑[30]。

3.5 藥物載體

鐵基納米藥物載體系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，特點(diǎn)為：既可通過外部磁場定位與表面修飾的特異性靶向分子實(shí)現(xiàn)對病區(qū)的主動靶向，也可利用外置磁場進(jìn)行熱療與藥物釋放，兼具了診斷與治療的作用。藥物載入的方法主要包括物理吸附、包埋或者化學(xué)偶聯(lián)。早期開發(fā)出載有多柔比星的磁性白蛋白微球，隨后研制出SPIOs與磁小體的磁靶向藥物載體系統(tǒng)。而由脂質(zhì)材料(聚乙二醇與磷脂等)包裹同時表面偶聯(lián)有特異靶向分子(單抗、葉酸與短肽等)的磁性氧化鐵顆粒具有對腫瘤組織的主動靶向功能，及對腫瘤的高通透性和滯留效應(yīng)的被動靶向，成為了目前的研究熱點(diǎn)(圖2)。Kaittanis等[31]以FMT為載體，利用其表面改性的右旋糖酐外殼這種納米孔的靜電吸附作用將疏水性藥物紫杉醇載入顆粒。體外MRI發(fā)現(xiàn)T2信號與載藥量呈正性關(guān)系，并應(yīng)用于移植人乳腺瘤的裸鼠，對腫瘤診斷進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。Sun等[32]在細(xì)菌中提取純化出磁小體，加入戊二醛將阿霉素分子與磁小體共價結(jié)合，發(fā)現(xiàn)對荷H22肝癌細(xì)胞小鼠的抑瘤率與阿霉素媲美，且呈現(xiàn)更低的心臟毒性。Fuchigami等[33]使用水熱法合成了一種載藥的脂質(zhì)鐵基納米膠囊，先由Fe/Pt納米粒和修飾上陽離子脂質(zhì)聚(二芳基二甲基氯化銨)的硅殼構(gòu)成膠囊模板，使用薄膜水化法將水溶性的抗癌藥物載入硅殼的中空孔道，最后包裹上卵磷脂避免藥物泄露，在磁場引導(dǎo)下可富集入胃癌細(xì)胞并增強(qiáng)抗腫瘤效果。

圖2 易滲漏的腫瘤血管及其增強(qiáng)滲透和滯留效應(yīng)(a)，外置磁場可提高氧化鐵納米顆粒在腫瘤區(qū)域的聚集(b)[34]Fig.2 Tumors leaky vascular and their enhanced permeability and retention (a), and presence of an externally applied magnetic field can increase the accumulation of the IONPs in tumor area (b)[34]

3.6 細(xì)胞標(biāo)記、示蹤與成像

藥用鐵基納米材料在體外標(biāo)記入各種功能性的細(xì)胞，體內(nèi)通過MRI示蹤可實(shí)現(xiàn)多種診療目的。Mya等[35]將肝素、魚精蛋白與Ferumoxytol混合一起形成HPF復(fù)合物，標(biāo)記入干細(xì)胞，用于細(xì)胞示蹤。Karussis等[36]設(shè)計了Ferumoxides標(biāo)記間充質(zhì)干細(xì)胞(MSC)的臨床試驗，在轉(zhuǎn)錄前加入多聚賴氨酸將MSC與Ferumoxides共孵育24～48 h，成功對腦部和脊髓完成核磁共振成像檢測。圖像顯示這類細(xì)胞主要遷移入腦膜脊髓和神經(jīng)根脊髓薄壁組織，同時也會因巨噬細(xì)胞吞噬氧化鐵顆粒而遷移至炎癥區(qū)域。Richards等[37]成功將Feridex?標(biāo)記入人外周血單核細(xì)胞，對健康志愿者肌內(nèi)和靜脈注射后并無顯著副作用出現(xiàn)，而在肝脾組織處信號降低，說明標(biāo)記后的細(xì)胞體內(nèi)安全性高且具有追蹤局部炎癥病灶的功能(NCT00972946,NCT01169935)。

3.7 模擬酶與固定化酶

某些鐵基納米材料具有類似生物酶的性質(zhì)，催化效率極高，在體內(nèi)外可模擬生物酶來發(fā)揮功能，也稱為納米酶。同時，以鐵基納米材料為承載物，將生物酶固定在材料表面，可由外部磁場調(diào)控并能多次重復(fù)使用。Fan等[5]利用磁轉(zhuǎn)鐵蛋白納米粒(M-HFn)與腫瘤細(xì)胞表面過表達(dá)的轉(zhuǎn)鐵蛋白受體的強(qiáng)親和力，以及M-HFn類似天然辣根過氧化物酶的催化活性，在過氧化氫存在時催化過氧化物酶的底物發(fā)生顏色反應(yīng)，完成對腫瘤組織的可視化檢測。Chen[38]等研究發(fā)現(xiàn)SPIOs具有pH依賴的類過氧化物酶與類過氧化氫酶催化活性，具體表現(xiàn)為當(dāng)溶酶體(pH約4.8)中的SPIOs逃逸至細(xì)胞質(zhì)(pH約7.4)內(nèi)，隨著pH的變化，其類過氧化物酶活性將轉(zhuǎn)變?yōu)轭愡^氧化氫酶活性，將H2O2分解為H2O與O2，從而降低對細(xì)胞的長時毒性。Zhang等[39]制備了普魯士藍(lán)氧化鐵納米顆粒，發(fā)現(xiàn)在不同pH環(huán)境中均體現(xiàn)出類超氧化物歧化酶的作用，可清除體內(nèi)的超氧陰離子自由基，具有良好的抗炎作用。Deng等[11]報道了一種新型核殼結(jié)構(gòu)的磁性沸石氧化鐵微球，對胰蛋白酶具有強(qiáng)吸附能力與親和力，胰蛋白酶固定化在微球上后可在微波輻射下15 s內(nèi)完全消化蛋白質(zhì)，催化效率遠(yuǎn)高于溶液狀態(tài)中的反應(yīng)，且可重復(fù)使用7次。

3.8 腫瘤介入栓塞療法

磁性納米顆粒的栓塞療法隨著腫瘤動脈介入技術(shù)的發(fā)展也日漸興起。由于小尺寸的鐵基磁性納米顆?？蓽粲谀┥已芴巵斫Y(jié)束循環(huán)過程，可形成理想的永久性末梢栓塞，有效地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)材料難以完全阻斷腫瘤血供的缺陷；同時該栓塞在外加交變磁場的作用下還可進(jìn)行磁感應(yīng)熱療。Chung等[40]制備出高度球形的殼聚糖磁微球，經(jīng)動脈導(dǎo)管栓塞應(yīng)用于雄性新西蘭兔的右側(cè)腎動脈中，通過核磁共振監(jiān)測到微球富集并滯留了18周。Qiu等[41]使用反相懸浮交聯(lián)法合成了一種新型的載藥磁凝膠微球，呈現(xiàn)類碘油的流動性，在體內(nèi)靶向形成固體栓子，可應(yīng)用于腫瘤栓塞的熱化療。藥用鐵基納米材料的栓塞療法也有臨床試驗進(jìn)行，Magforce公司已將MFH300F型磁感應(yīng)熱療機(jī)聯(lián)合應(yīng)用Resovist?與MFL AS兩種磁流體，進(jìn)行肝部腫瘤的栓塞化療。

3.9 基因轉(zhuǎn)染

基于磁性鐵基納米材料在藥物載體方面的良好應(yīng)用，其在基因載體領(lǐng)域也受到青睞。采用特定技術(shù)使磁性納米鐵顆粒與核酸分子結(jié)合，借助外部磁場將復(fù)合物導(dǎo)入靶細(xì)胞，保證高效的轉(zhuǎn)染，實(shí)現(xiàn)快速完成基因調(diào)控的目的。MagnetofectionTM和TranMAG-PEI是兩種使用廣泛的磁轉(zhuǎn)染試劑，前者主要包括CombiMAG和PloyMAG兩種納米鐵顆粒，后者由聚醚酰亞胺包裹的氧化鐵納米顆粒和外置的永磁鐵構(gòu)成。Mah等[42]在聚苯乙烯磁性微球表面，通過可清除的硫酸肝素偶聯(lián)上腺相關(guān)病毒編碼的綠色熒光蛋白，并將該磁性鐵顆粒應(yīng)用于DNA的靶向遞送。肌注入129/svJ小鼠體內(nèi)后觀察到病毒對C12s細(xì)胞的轉(zhuǎn)染效率發(fā)生了顯著提高。Namiki等[43]制備了Fe16N2陽離子脂質(zhì)納米粒，與質(zhì)粒DNA混勻結(jié)合后轉(zhuǎn)染入腫瘤細(xì)胞，可檢測到熒光色素酶的高表達(dá)。

3.10 組織工程

在組織修復(fù)或替代工程中，細(xì)胞接種于3D支架的淺層時常會導(dǎo)致移植后支架中部出現(xiàn)組織壞死。為了解決該問題，Takuro等[44]利用磁性氧化鐵顆粒來提高細(xì)胞侵入支架的程度。實(shí)驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這種生物相容良好的殼聚糖包裹的磁性顆粒引入細(xì)胞后，在磁鐵吸引下可大幅提高其向支架內(nèi)入侵的效率，同時基質(zhì)金屬蛋白酶和黏附因子也明顯上調(diào)。Meng等[45-46]利用靜電紡絲技術(shù)制備出摻有SPIOs的納米纖維膜支架結(jié)構(gòu)，體外細(xì)胞實(shí)驗結(jié)果顯示該納米纖維膜能夠促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化，植入骨缺損動物模型后發(fā)現(xiàn)其在靜磁場的作用下能大幅促進(jìn)骨缺損的修復(fù)。Sun等[47]使用磁場組裝SPIOs得到的條紋狀組裝體作為基底培養(yǎng)大鼠原代骨髓細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)該組裝體能夠誘導(dǎo)細(xì)胞成骨分化。Wang等[48]的研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)納米藥物Ferumoxytol能夠促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化，且這種促進(jìn)效應(yīng)與顆粒本身的磁學(xué)性質(zhì)相關(guān)。此外，Han等[49]發(fā)現(xiàn)氧化鐵納米顆粒還能加強(qiáng)心肌細(xì)胞之間的連接，Xiong等[50]的實(shí)驗結(jié)果表明SPIOs具有心肌保護(hù)樣的藥物活性，可促進(jìn)心肌組織損傷的修復(fù)。這些研究結(jié)果為藥用鐵基納米材料在器官移植及再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了新方向。

4 結(jié) 語

藥用鐵基納米材料生物相容性好，原料廉價易得，制備過程經(jīng)濟(jì)、環(huán)保，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)明確，化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定，體內(nèi)易于降解代謝。這些優(yōu)勢使其在臨床應(yīng)用中大有用武之地。但鐵基納米材料在體內(nèi)仍存在一些問題，主要包括鐵離子產(chǎn)生的氧化應(yīng)激反應(yīng)、炎癥與基因毒性，在細(xì)胞層面會造成主要的細(xì)胞器如自噬體、溶酶體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體等的功能不全[51]。因此藥用鐵基納米材料的發(fā)展前景是在保證其高生物相容性和生物降解性的前提下，改善氧化鐵核的形貌與磁學(xué)性能，并通過表面修飾的材料拓展其生理功能，以開發(fā)更多適應(yīng)臨床病癥的產(chǎn)品。相信未來會有結(jié)構(gòu)組成更多元化、功能更加智能化和全面化的藥用鐵基納米材料應(yīng)用于臨床研究。

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(本文為本刊約稿 編輯 蓋少飛)

Current Status and Development of Pharmaceutical Iron Based Nanomaterials

CHEN Bo1,2, GU Ning1,2

(1.Jiangsu Key Laboratory for Biomaterials and Devices, State Key Laboratory of Bioeletronics, School of Biological Sciences & Medical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)(2.Collaborative Innovation Center of Suzhou Nano-Science and Technology, Suzhou 215123, China)

Iron-based nanomaterial is made of nano-sized iron, iron oxide and ferroalloy by nature product or artificial synthesis. According to different structures and compositions, iron-based pharmaceutical nanomaterials can be classified into super paramagnetic iron oxide nanoparticles, magnetic iron oxide microspheres, magnetoferritin, magnetic iron oxide liposome, ferroalloy nanoparticle andetc. Iron-based nanomaterial has remarkable size effect, surface effect and quantum effect, especially unique magnetic properties, which makes it be widely used in magnetic resonance imaging, bioseparationinvitro, magnetic hyperthermia and drug delivery. Moreover, quite a few products have been approved in market or under clinical trials. Ideal iron-based nanomedicine should own important characteristic including definite structure, stable physical properties, uniform distribution, scalable production, safety and effectivenessinvivo. The drawbacks that confine medicinal application of iron-based nanomaterial depend on oxidative stress induced by iron ion and toxicity by iron overload in body. This article reviews research status of iron-based medicinal nanomaterials and the facing opportunities and challenges, and gives a prospects for the development finally.

iron-based nanomaterials; medicinal application; preparation method; clinical research; development prospect

2016-10-18

國家自然科學(xué)基金國際合作重點(diǎn)項目(61420106012)

陳 博，男，1987年生，博士研究生

顧 寧，男，1964年生，教授，博士生導(dǎo)師， Email:guning@seu.edu.cn

10.7502/j.issn.1674-3962.2017.03.08

O614.811; TB383

A

1674-3962(2017)03-0211-08