四氧化三鐵磁性聚合物納米粒子在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的毒性研究進(jìn)展

王晶 鄒琴 井堯 羅航

摘要：四氧化三鐵納米粒子作用于生物體中時(shí)會(huì)與動(dòng)物或人體的細(xì)胞直接接觸，其帶給生物體的毒性不容忽視。文章總結(jié)了四氧化三鐵納米粒子產(chǎn)生毒性的機(jī)理和影響四氧化三鐵納米粒子毒性的因素。

關(guān)鍵詞：四氧化三鐵納米粒子；毒性；機(jī)理

1 四氧化三鐵基于超順磁性氧化鐵納米顆粒

四氧化三鐵納米粒子（ Magnetic NanoParticles，MNPs）是一種黑色的鐵的氧化物納米粒子（SuperParamagnetic Iron Oxide Nanoparticles，SPION），具有良好的生物相容性，在室溫下表現(xiàn)出超順磁性、高的磁場(chǎng)強(qiáng)度。與非納米粒子相比四氧化三鐵納米粒子擁有更大的比表面積，可以提供更多的表面活性原子從而增加粒子的表面活性，其表面經(jīng)蛋白質(zhì)、脂質(zhì)體或者聚合物改性之后在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域可用于診斷和治療，如藥物釋放、磁轉(zhuǎn)染、熱療、核磁共振成像增強(qiáng)劑、生物傳感器等。

雖然四氧化三鐵納米粒子在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，尤其是當(dāng)粒子載藥之后用于靶向藥物釋放和熱療給腫瘤患者帶來(lái)了福音，但是其帶給身體的其他副作用不容忽視，有必要很好地研究四氧化三鐵納米粒子可能帶給身體的傷害，本文對(duì)四氧化三鐵納米粒子的合成方法、產(chǎn)生生物毒性的機(jī)理和影響毒性的因素，進(jìn)行了總結(jié)。

2 毒性研究

研究發(fā)現(xiàn)，四氧化三鐵納米粒子會(huì)使細(xì)胞通過(guò)4種方式產(chǎn)生氧化應(yīng)激反應(yīng)：（1）納米粒子表面與細(xì)胞直接接觸；（2）酶的作用使四氧化三鐵納米粒子表面發(fā)生降解；（3）通過(guò)改變線粒體和其他細(xì)胞器的功能；（4）四氧化三鐵納米粒子使細(xì)胞發(fā)生信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)并激活炎性細(xì)胞。四氧化三鐵納米粒子使細(xì)胞發(fā)生氧化應(yīng)激反應(yīng)是產(chǎn)生毒性的主要原因。四氧化三鐵納米粒子的毒性強(qiáng)弱受多種因素控制，粒子的每一項(xiàng)物理化學(xué)性質(zhì)（粒子的大小、形狀、表面包裹物的官能團(tuán)、表面包裹物親水性、粒子表面的電荷）的改變都會(huì)導(dǎo)致生物體發(fā)生變化進(jìn)而影響其毒性。

2.1 粒子濃度

粒子的濃度是決定是否對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生毒性的最重要的因素，研究發(fā)現(xiàn)粒子濃度對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生的毒性的影響比其他因素如表面包裹材料、表面電荷和粒子的粒徑更強(qiáng)，低濃度不會(huì)產(chǎn)生毒性或者產(chǎn)生的毒性很小，而高濃度會(huì)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生很高的毒性甚至致死。

2.2 表面包裹材料和電荷

四氧化三鐵納米粒子表面是否有包裹物和表面所帶電荷都會(huì)影響體外細(xì)胞毒性和粒子在體內(nèi)的分布和排泄。當(dāng)給四氧化三鐵納米粒子做體外細(xì)胞毒性檢測(cè)時(shí)，沒有經(jīng)過(guò)表面處理的四氧化三鐵納米粒子在培養(yǎng)液中其表面可能會(huì)吸附OH-1和cl-1而帶負(fù)電，電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)會(huì)吸引抗衡離子，從而易與蛋白質(zhì)相結(jié)合。這種結(jié)合既影響細(xì)胞培養(yǎng)液中粒子濃度和pH，也會(huì)影響粒子的表面性質(zhì)，從而導(dǎo)致細(xì)胞分離而死亡。而當(dāng)表面包裹一些聚合物或者蛋白質(zhì)會(huì)使粒子表面與培養(yǎng)液中的物質(zhì)的相接觸的接觸點(diǎn)變少，從而對(duì)培養(yǎng)液或者細(xì)胞產(chǎn)生較小影響。當(dāng)裸露的四氧化三鐵納米粒子作用于生物體內(nèi)時(shí)，粒子容易于血漿蛋白相結(jié)合并快速被巨噬細(xì)胞吞噬。當(dāng)粒子表面有包裹物時(shí)，包裹物所帶官能團(tuán)在溶液中離子化會(huì)使粒子帶電荷，如當(dāng)官能團(tuán)是羧基時(shí)會(huì)使粒子帶負(fù)電荷，當(dāng)官能團(tuán)是胺基時(shí)會(huì)使粒子帶正電荷。粒子是否帶電荷以及所帶電荷的種類會(huì)對(duì)其在體內(nèi)的分布產(chǎn)生影響。由于細(xì)胞膜帶負(fù)點(diǎn)荷，當(dāng)粒子帶正電時(shí)會(huì)與細(xì)胞發(fā)生非特異性結(jié)合。粒子帶負(fù)電時(shí)會(huì)與組織發(fā)生非特異性結(jié)合。當(dāng)粒子不帶電時(shí)不易與血漿蛋白結(jié)合，但容易發(fā)生自身團(tuán)聚減少粒子的血液循環(huán)時(shí)間。不管粒子帶正電還是負(fù)電荷，增加電荷都會(huì)使粒子更易被吞噬，減少粒子的血液循環(huán)時(shí)間。不同的包裹材料對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生的毒性也不同，有研究表明表面含有羧基比含有胺基的四氧化三鐵納米粒子產(chǎn)生的毒性更強(qiáng)，這可能與粒子表面所帶電荷的種類有關(guān)。

2.3 粒徑

用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的四氧化三鐵納米粒子需要小粒徑。小粒徑的粒子才具有超順磁性，當(dāng)施加外加磁場(chǎng)時(shí)四氧化三鐵磁性粒子擁有磁性，當(dāng)外加磁場(chǎng)撤離時(shí)納米粒子的磁性消失，粒子高度分散，否則納米粒子會(huì)團(tuán)聚，從而被巨噬細(xì)胞吞噬影響療效。粒子的粒徑也會(huì)影響粒子在體內(nèi)的分布、代謝和循環(huán)時(shí)間。人體最小的血管直徑是4 mm，若納米粒子的粒徑超過(guò)4 mm粒子會(huì)滯留在肺部可引起肺部血栓，若粒徑小于4 mm可被肝臟或者脾臟的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)皮層細(xì)胞吸收（若大于200 nm會(huì)被脾臟吸收排除，小于150 nm可被肝臟吸收排除），當(dāng)處于正常的生理?xiàng)l件時(shí)，粒徑大于10 nm不能穿過(guò)內(nèi)皮細(xì)胞而當(dāng)處于炎癥或者腫瘤等病理?xiàng)l件時(shí)，可使穿過(guò)內(nèi)皮細(xì)胞的直徑達(dá)到700 nm。通常粒子的直徑為10-100 nm時(shí)，粒子在體內(nèi)的時(shí)間最長(zhǎng)，療效最好。增加粒徑會(huì)促進(jìn)細(xì)胞產(chǎn)生炎癥反應(yīng)，Injumpa等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粒徑為20-100 nm時(shí)，只會(huì)使巨噬細(xì)胞產(chǎn)生少量的炎性因子，而當(dāng)?shù)?00 nm時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的炎性因子。

2.4 形狀

四氧化三鐵納米粒子的形狀對(duì)其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用也有影響。粒子的形狀會(huì)影響粒子向血管內(nèi)壁著邊，和球形的粒子相比，扁圓形的粒子存在扭轉(zhuǎn)力會(huì)引起粒子翻轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而向血管內(nèi)壁橫向漂移。粒子的形狀還會(huì)影響粒子與細(xì)胞表面的接觸，網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)清除粒子也受粒子形狀支配。與球形的粒子相比，扁圓形的粒子不易被巨噬細(xì)胞吞噬擁有更長(zhǎng)的血液循環(huán)時(shí)間。納米粒子進(jìn)入正?；蛘甙┘?xì)胞內(nèi)部也受粒子的形狀控制，對(duì)于擁有長(zhǎng)縱橫比的粒子來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)軸平行細(xì)胞膜比短軸平行細(xì)胞膜內(nèi)部化速度低。相同粒徑的球形和立方體的四氧化三鐵納米粒子相比，立方體的粒子比球形的粒子有更高的結(jié)晶度、更大的單晶、更高的飽和磁化度和T，弛豫。棒狀的比球形的四氧化三鐵納米粒子對(duì)小鼠巨噬細(xì)胞產(chǎn)生更強(qiáng)的毒性。

2.5 細(xì)胞種類

相同粒徑或者濃度的納米粒子對(duì)不同細(xì)胞產(chǎn)生的毒性不同。Injumpa等發(fā)現(xiàn)增加粒徑或者濃度對(duì)成纖維細(xì)胞或者巨噬細(xì)胞的影響不同，成纖維細(xì)胞比巨噬細(xì)胞更耐毒性。

3 結(jié)語(yǔ)

納米粒子的粒徑、形狀、所用包裹材料和所帶電荷會(huì)影響其在細(xì)胞和體內(nèi)的分布、排泄和毒性。雖然很多研究團(tuán)體做了大量的四氧化三鐵納米粒子的毒性研究，但是仍然存在很多的問(wèn)題，如不同的毒性測(cè)試方法測(cè)得的毒性不同，不同的研究團(tuán)體的四氧化三鐵納米粒子毒性研究使用不同的粒子濃度、檢測(cè)時(shí)間、不同的細(xì)胞和培養(yǎng)條件使毒性比較變得困難。毒性研究應(yīng)當(dāng)更加標(biāo)準(zhǔn)化，并進(jìn)行更多包裹物和細(xì)胞或者動(dòng)物的毒性檢測(cè)，從而推動(dòng)四氧化三鐵磁性納米粒子大批量應(yīng)用于臨床，最終治愈廣大的癌癥患者。