磁性納米顆粒在腫瘤藥物及腫瘤治療中的研究進(jìn)展

劉慶祖，楊慧愷，劉建恒，毛克亞

解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心，北京 100853 1骨科；2麻醉科

目前臨床上腫瘤的治療方式主要為手術(shù)、放療、化療三種[1-2]。手術(shù)治療通常不能徹底切除腫瘤?；熕幬锵到y(tǒng)使用在作用部位有效濃度較低，因此需要大劑量用藥，對(duì)肝腎造成不同程度的損害[3-5]。提高化療藥物的靶向性，增加其在腫瘤部位蓄積，是提高抗腫瘤藥物藥效和減輕不良反應(yīng)的核心[6]。近年來，納米技術(shù)發(fā)展迅速，磁性納米顆粒由于其獨(dú)特的性質(zhì)，已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)與臨床研究，包括磁靶向給藥、腫瘤的磁過熱療法以及腫瘤的免疫治療等方面[7-10]。本文針對(duì)磁性納米顆粒表征以及其在腫瘤靶向治療方面的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述并對(duì)其應(yīng)用前景作出展望。

1 磁性納米顆粒的表征和修飾

納米顆粒尺寸極其微小，具有獨(dú)特的特點(diǎn)。超順磁性鐵氧納米顆粒(superparamagnetic iron oxide nanoparticles，SPIONs)是特殊的納米材料，粒徑為1～100 nm[11]。由于其磁響應(yīng)性高、比表面積大、生物相容性好、毒性低而廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)和臨床研究。但其在液態(tài)環(huán)境容易聚合納米團(tuán)塊導(dǎo)致其分散性與生物相容性變差[12]。SPIONs表面帶正電荷，易吸附機(jī)體內(nèi)蛋白，易被單核吞噬細(xì)胞系統(tǒng) (mononeuclear phagocyte system，MPS)所吞噬[13]。為了使納米顆粒在機(jī)體內(nèi)穩(wěn)定存在，增長其有效循環(huán)時(shí)間，研究人員對(duì)磁性納米顆粒進(jìn)行了表面修飾，將納米顆粒設(shè)計(jì)成不同的殼核結(jié)構(gòu)(圖1)，即以SPIONs為核心，在納米顆粒周圍包裹聚合物[14]。

圖1 磁性納米顆粒的表面修飾Fig. 1 Surface modif i cation of magnetic nanoparticles

理想的修飾材料(如聚乙二醇)為兩親性分子，疏水端對(duì)顆粒有較高的親和力，親水端可以提升磁性納米顆粒在液態(tài)環(huán)境下的分散性以及水溶性，并降低顆粒的毒性進(jìn)而提高生物相容性。目前用于修飾磁性納米材料主要有兩類：天然生物大分子與合成高分子[15-16]。天然生物大分子包括葡聚糖、殼聚糖、瓊脂糖等；合成高分子包括聚乙二醇、聚乙烯醇等。對(duì)納米顆粒進(jìn)行表面修飾，可以改變顆粒的粒徑、形態(tài)，相應(yīng)地可改善顆粒細(xì)胞毒性、生物相容性。修飾材料所攜帶的羥基可以與抗體、凝集素、葉酸、蛋白多肽、激素、核苷酸、生物素等特異性結(jié)合，在外加磁場的作用下實(shí)現(xiàn)藥物的靶向運(yùn)輸，減少了藥物的不良反應(yīng)[17-24]。

2 磁性納米顆粒應(yīng)用于腫瘤靶向化療研究

傳統(tǒng)的化療藥物采用靜脈給藥方式通過血液循環(huán)最終作用于全身各個(gè)臟器，由于缺乏對(duì)腫瘤部位的特異性，往往需要較大的劑量才能有效殺滅腫瘤。所以，化療藥物在殺滅腫瘤的同時(shí)，對(duì)人體組織也造成巨大傷害[25]。近年來，科研人員致力于研發(fā)可以將藥物靶向送至作用部位的介質(zhì)，提高化療藥物在腫瘤部位的分布。隨著納米技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用，科研人員構(gòu)建了磁性納米顆粒載藥系統(tǒng)，將化療藥物偶連在經(jīng)過表面修飾的納米顆粒表面或者內(nèi)部[26-27]。通過外加交變磁場，增強(qiáng)的藥物的滲透性和滯留效應(yīng)(enhanced permeability and retention effect，EPR)允許更多藥物在腫瘤處蓄積[28]。目前納米顆粒搭載化療藥物研究較多的是阿霉素、順鉑、紫杉醇和喜樹堿等。常娟娟等[29]分別使用殼聚糖、聚乙二醇對(duì)磁性納米顆粒(粒徑為10±0.2 nm的Fe3O4)進(jìn)行修飾改性并作為藥物載體，成功搭載阿霉素，測(cè)得藥物釋放性能良好，并測(cè)得載藥系統(tǒng)可明顯抑制K150癌細(xì)胞的增殖。Cheng等[30]報(bào)道了使用明膠包裹Fe3O4納米粒子，搭載低毒的鉑Ⅳ(platinum，PtⅣ)前體藥物，并通過在細(xì)胞環(huán)境內(nèi)釋放鉑Ⅱ(platinum，PtⅡ)整合胰酶降解明膠進(jìn)一步提高抗癌效果。Tian等[31]報(bào)道了使用聚乙二醇-賴氨酸-油 酸 (polyethylene glycol-lysine-Oleic acid，PLO，mPEG-Lys-OA2)包裹磁性納米顆粒，搭載紫杉醇構(gòu)建紫杉醇-磁性納米顆粒-聚乙二醇-賴氨酸-油酸(paclitaxel-magnetic nanoparticals-polyethylene glycol-lysine-Oleic acid，PTX-MNPs-PLO)系 統(tǒng)，研究去體內(nèi)分布以及藥物動(dòng)力學(xué)顯示PTX-MNPs-PLO系統(tǒng)比單純的紫杉醇的循環(huán)時(shí)間更長，表明了磁性納米顆粒靶向給藥的應(yīng)用前景。喜樹堿具有廣譜的抗腫瘤活性，但是其水溶性以及化學(xué)穩(wěn)定性較差。Allam等[32]報(bào)道了使用二棕櫚酰磷脂酰膽堿和1,2-棕櫚酰磷脂酰甘油修飾超順磁性Fe3O4納米并搭載喜樹堿構(gòu)建了磁性納米顆粒載藥系統(tǒng)。在42℃(臨床熱療所要求的溫度)下藥物釋放的速度明顯加快。表明包裹了熱敏性磷脂的SPIONs能夠負(fù)載高度親脂性和化學(xué)不穩(wěn)定的化療藥物。

3 磁性納米顆粒用于腫瘤熱療研究

腫瘤組織的血管神經(jīng)發(fā)育不良，因此供氧不足，導(dǎo)致散熱功能較差，對(duì)41℃～ 45℃的溫度較為敏感，而正常細(xì)胞可以耐受更高的溫度。因此可通過加熱對(duì)腫瘤細(xì)胞造成不可逆損傷，從而達(dá)到消滅腫瘤的目的[33]。現(xiàn)代的熱療多用微波、超聲對(duì)腫瘤病灶進(jìn)行局部熱療，但是由于靶向性不足，破壞腫瘤組織的同時(shí)，也導(dǎo)致正常組織受到損傷。與正常血管系統(tǒng)相比，腫瘤血管壁間隙較寬、結(jié)構(gòu)完整性差，淋巴回流缺失，造成大分子類物質(zhì)和脂質(zhì)顆粒具有選擇性、高通透性和滯留性，這種效應(yīng)使納米粒子更容易穿過滲漏和高通透性的毛細(xì)血管，通過網(wǎng)狀血管內(nèi)皮系統(tǒng)轉(zhuǎn)運(yùn)至腫瘤細(xì)胞內(nèi)部，達(dá)到增強(qiáng)熱消融療效或介導(dǎo)熱療的目的，同時(shí)納米粒子可將藥物在細(xì)胞或亞細(xì)胞水平釋放，進(jìn)而增強(qiáng)藥物療效并降低毒性[34]。1957年Glichrist等[35]首先提出磁熱療的概念。使得更多科研人員的目光轉(zhuǎn)向磁熱療方向，促進(jìn)磁性納米顆粒在熱療方面的迅速發(fā)展。磁熱療通過將磁性納米材料植入腫瘤組織中并通過外界交變磁場的作用實(shí)現(xiàn)腫瘤組織局部的溫度升高，可用于深部腫瘤的治療[36]。Avazzadeh等[37]研發(fā)了偶聯(lián)HER2抗體的磁性右旋糖酐-精胺納米顆粒(ADMNPs)用于對(duì)乳腺癌細(xì)胞的體外實(shí)驗(yàn)，在交變磁場(alternating magnetic field，AMF)下，對(duì)乳腺癌細(xì)胞(SKBR3)和成纖維細(xì)胞進(jìn)行熱療，具有良好靶向能力和升溫能力的ADMNPs組可殺死65%的癌細(xì)胞，且未對(duì)正常成纖維細(xì)胞造成影響。表明ADMNPs在體外熱療治療乳腺癌具有巨大的潛力。Babincová等[38]將磁熱療和化療藥物靶向遞送結(jié)合治療膠質(zhì)瘤，使用溫敏磁性脂質(zhì)體包裹超順磁性氧化鐵納米顆粒和阿霉素系統(tǒng)，在AMF下對(duì)大鼠C6神經(jīng)膠質(zhì)瘤進(jìn)行體外和體內(nèi)試驗(yàn)。研究結(jié)果表明，磁性靶向藥物具有較強(qiáng)的抗膠質(zhì)瘤效應(yīng)，腫瘤生長受到抑制并完全消退，表明這種靶向遞送和控制釋放抗癌藥以及磁熱療結(jié)合的方式具有較大的臨床應(yīng)用潛力。He等[39]已經(jīng)合成了粒徑為22 nm的Zn0.3Fe2.7O4納米顆粒，該納米顆粒在AMF下3 min可升溫至43℃，將該粒子與骨肉瘤細(xì)胞暴露于交流電場(AC Field)10 min，早期導(dǎo)致了79.35%的腫瘤細(xì)胞凋亡，晚期導(dǎo)致了9.83%的腫瘤細(xì)胞凋亡，表現(xiàn)出了對(duì)腫瘤細(xì)胞的殺傷作用，該納米粒子的出現(xiàn)極大程度地促進(jìn)了磁熱療的發(fā)展。Fe3O4-MNP是被美國食品藥品監(jiān)督管理局(Food and Drug Administration，F(xiàn)DA)批準(zhǔn)應(yīng)用于臨床的磁性納米材料。Johannsen等[40]對(duì)10例前列腺癌復(fù)發(fā)且沒有發(fā)生轉(zhuǎn)移患者的前列腺注射磁性納米顆粒分散體，在AMF下每周治療6次，每次治療60 min，治療1年后，在患者前列腺中檢測(cè)到納米顆粒的沉積物，且8例患者的前列腺特異性抗原下降。

4 磁性納米顆粒用于腫瘤免疫研究

腫瘤患者大部分免疫功能較差，機(jī)體相對(duì)處于免疫功能抑制狀態(tài)。相關(guān)研究表明，對(duì)腫瘤部位進(jìn)行熱療，可引起抗腫瘤免疫反應(yīng)，對(duì)腫瘤的原發(fā)部位進(jìn)行磁熱療的時(shí)，發(fā)生轉(zhuǎn)移的腫瘤也會(huì)消失，這種現(xiàn)象被稱為熱療的異位效應(yīng)[41]。對(duì)腫瘤進(jìn)行局部熱療時(shí)熱應(yīng)激的癌細(xì)胞會(huì)釋放熱休克蛋白(heat-shock proteins，HSP)，HSP在細(xì)胞內(nèi)攜帶多種多肽物質(zhì)形成HSP-抗原肽復(fù)合物，激活抗原呈遞細(xì)胞(antigen-present cells，APC)，被細(xì)胞毒性T細(xì)胞識(shí)別，并產(chǎn)生特異性免疫。因此熱療可啟動(dòng)并促進(jìn)T細(xì)胞免疫反應(yīng)，熱療所引起的抗腫瘤免疫反應(yīng)通常認(rèn)為是細(xì)胞免疫起主要作用。咪喹莫特(imiquimod，R837)是一種強(qiáng)效的Toll樣受體7激動(dòng)劑，可以有效地激活免疫反應(yīng)。研究人員使用磁性納米顆粒搭載咪喹莫特的系統(tǒng)(MNP-R837)來增強(qiáng)抗腫瘤免疫反應(yīng)[42]。Bocanegra Gondan等[10]使用粒徑為5 nm的mZnSPION構(gòu)建了mZnSPIONPolyIC-R837系統(tǒng)，聯(lián)合PD-L1免疫阻斷法對(duì)黑色素瘤(B16-F10)進(jìn)行免疫治療，研究顯示，與游離TLR激動(dòng)劑相比，mZnSPION-polyIC-R837復(fù)合物刺激BMDCs后，其釋放的促炎性細(xì)胞因子IL-6和IL-12顯著增加(mZnSPION-polyIC-R837 IL-6，6 ng/ml，IL-12，130 ng/ml；polyIC-R837組IL-6，3 ng/ml，IL-12，60 ng/ml)，表明可以使用低劑量獲得較強(qiáng)抗腫瘤免疫應(yīng)答與游離藥物相比，通過納米顆粒靶向給予Toll樣受體激動(dòng)劑可增強(qiáng)抗腫瘤免疫。

5 結(jié)語

磁性納米顆粒在生物醫(yī)學(xué)研究中快速發(fā)展，但重點(diǎn)問題仍需要解決：1)提高納米顆粒作為藥物載體的性能，即提高磁性納米顆粒載藥制備過程中藥物的載藥率、包封率；2)提高磁性納米顆粒在體內(nèi)的飽和磁化強(qiáng)度、穩(wěn)定性及磁靶向性。當(dāng)前已可合成粒徑合適、生物相容性良好、毒性低的納米顆粒，用于靶向遞送化療藥物、磁熱療和腫瘤免疫，在腫瘤治療方面表現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。雖然在短期內(nèi)難以像手術(shù)、放化療一樣成為治療腫瘤常規(guī)手段，但相信通過科研人員的深入研究，未來磁性納米顆粒會(huì)造福腫瘤患者。