超順磁性氧化鐵納米粒子在癌癥診療中的研究進(jìn)展

劉卓妍 宋曉偉 崔云秋 全姬善 金光玉

(延邊大學(xué) 1附屬醫(yī)院，吉林 延吉 133000;2藥學(xué)院)

診斷治療學(xué)是一種將診斷與治療相結(jié)合的臨床策略，可實(shí)現(xiàn)診斷與藥物治療同時(shí)進(jìn)行，并可實(shí)時(shí)地獲得疾病發(fā)生和發(fā)展信息，及時(shí)、合理地指導(dǎo)臨床調(diào)整治療方案，近年來作為一種新的治療手段備受關(guān)注，特別在癌癥診療領(lǐng)域有重大的應(yīng)用前景。超順磁性氧化鐵納米粒子(SPION)作為磁共振成像(MRI)的T2負(fù)性造影劑發(fā)揮重要作用，是分子影像學(xué)研究中的熱點(diǎn)。SPION由磁鐵礦或磁赤鐵礦組成，直徑在1～100 nm。主要特性包括：具有超順磁性，即在較低的磁場下可以產(chǎn)生較高的磁化能力；形成穩(wěn)定的磁流體；可通過外界磁場將其引導(dǎo)到體內(nèi)所需部位；可通過實(shí)體瘤的高通透性和滯留效應(yīng)(EPR)從而被動(dòng)靶向到腫瘤部位〔1,2〕。因具有以上優(yōu)良特性，SPION作為MRI的T2負(fù)性造影劑在腫瘤的診斷中應(yīng)用廣泛〔3,4〕。例如，1996年美國食品藥物管理局(FDA)批準(zhǔn)用于肝臟造影的注射劑——菲立磁(Ferumoxides)，隨后出現(xiàn)多種以超順磁性氧化鐵(SPIO)及超小超順磁性氧化鐵(USPIO)為磁心的MRI造影劑。一般認(rèn)為USPIO粒徑小于40 nm，因其比SPIO粒徑小而容易逃避網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)(RES)的攝取，具有更長的半衰期更利于MRI。然而上述產(chǎn)品僅通過被動(dòng)靶向模式實(shí)現(xiàn)MRI，缺乏區(qū)分特定腫瘤類型與正常組織的特異性，且僅具有診斷功能，并無治療功能。近年來，將SPION進(jìn)行改性和表面修飾(作為造影劑)而進(jìn)行的MRI引導(dǎo)下的可視化藥物傳遞、基因治療及磁熱療等多功能治療手段成為腫瘤診療學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)〔5〕。本文就SPION在診療學(xué)中的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 化療

在腫瘤的多種治療方法中，化療已經(jīng)成為最重要的治療手段，是現(xiàn)今臨床上最常用、最有效的腫瘤治療方法。傳統(tǒng)化療最嚴(yán)重的缺陷為無靶向性，雖然可以有效殺滅腫瘤細(xì)胞，但也對正常細(xì)胞造成損傷，從而導(dǎo)致諸多不良反應(yīng)和并發(fā)癥〔6〕。具有靶向性的藥物載體，可使藥物濃集于腫瘤部位，增加化療藥物在腫瘤部位的濃度，從而減少對非靶向細(xì)胞的毒性〔7〕。因加載SPION的藥物載體可在外加磁場條件下靶向傳遞藥物，并可在MRI下實(shí)時(shí)觀測藥物的遞送，成為近年來研究熱點(diǎn)，現(xiàn)將幾種常用的加載SPION的納米載體列舉如下：

1.1脂質(zhì)體 脂質(zhì)體是公認(rèn)的藥物遞送納米載體，可通過薄膜分散法、透析法和反相蒸發(fā)法等方法制備。良好的生物相容性和細(xì)胞滲透性使其有利于化療藥物的遞送〔8〕。利用脂質(zhì)體作為載體將化療藥物和SPION遞送到體內(nèi)，可使藥物靶向釋放，減少毒性，增加難溶藥物的生物相容性，還可以實(shí)現(xiàn)MRI引導(dǎo)下的體內(nèi)藥物實(shí)時(shí)追蹤〔9〕。Chen等〔10〕應(yīng)用改進(jìn)的反相蒸發(fā)法制備了聚乙二醇修飾的包裹SPION和鹽酸阿霉素(DOX)的雙層脂質(zhì)體，細(xì)胞實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示包裹SPION及DOX的脂質(zhì)體和未包裹SPION及DOX的脂質(zhì)體抗腫瘤效果相似，在電磁場作用下包裹SPION和DOX的脂質(zhì)體抗腫瘤效果增加了40%，而未包裹SPION和DOX的脂質(zhì)體組在加入電磁場前后抗腫瘤效果無明顯變化，與此同時(shí)，脂質(zhì)體對DOX的包裹使得DOX較市售DOX注射劑進(jìn)入體內(nèi)量減少，達(dá)到低劑量化療的目的。紫杉醇是通過作用于細(xì)胞中的微管來抑制有絲分裂停滯的化療藥，可用于治療多種實(shí)體瘤，因疏水性及嚴(yán)重副作用，其治療指數(shù)低，Zhong等〔11〕應(yīng)用薄膜分散法制備了包裹SPION和紫杉醇的脂質(zhì)體，其在水溶液中穩(wěn)定性高，持續(xù)釋放能力強(qiáng)，在磁場引導(dǎo)下可靶向遞送到腫瘤部位，相比于游離的SPION，其具有更高的MRI T2靈敏度，使其成為很有前景治療腫瘤的多功能平臺(tái)。

外加磁場條件下，由于SPION的存在可使藥物更有效地到達(dá)腫瘤部位，與主動(dòng)靶向配體相結(jié)合后，磁性脂質(zhì)體的藥物靶向遞送能力更強(qiáng)。葉酸是腫瘤細(xì)胞增殖的關(guān)鍵，通常在腫瘤細(xì)胞中過表達(dá)，葉酸受體(FR)是一種細(xì)胞表面受體，可以特異性結(jié)合和內(nèi)化葉酸。Bothun等〔12〕制備了葉酸受體靶向的包裹DOX的陽離子磁性脂質(zhì)體，藥物包裹率達(dá)到89%，在交流電磁場加熱時(shí)DOX的釋放率是游離藥物的3倍。高葉酸受體表達(dá)的人宮頸癌細(xì)胞體外攝取實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，葉酸靶向磁性脂質(zhì)體較未加葉酸靶向脂質(zhì)體的攝取率明顯升高。多重靶向可以更好地實(shí)現(xiàn)靶向效果，能夠穿過傳統(tǒng)藥物難以通過的血腦屏障(BBB)，磁性脂質(zhì)體作為藥物載體、基因載體前景廣闊，但磁性脂質(zhì)體易于聚集導(dǎo)致循環(huán)時(shí)間短和靜脈給藥后的包涵體滲漏，如何使脂質(zhì)體長期保存，并實(shí)現(xiàn)在體內(nèi)可控釋放仍亟待解決〔13〕。

1.2膠束 為實(shí)現(xiàn)化療藥物與SPION的同時(shí)遞送，載體材料必須能夠保護(hù)內(nèi)容物免于降解并防止過早釋放，雙親嵌段共聚物膠束是較為理想的遞送載體。Situ等〔14〕合成了A54肽官能化的聚合物膠束，將DOX作為抗腫瘤的模型藥物，SPION作為MRI造影劑包裹其中，可以特異性靶向肝癌細(xì)胞系BEL-7402，A54肽聚合物膠束與BEL-7402細(xì)胞的特異性結(jié)合導(dǎo)致細(xì)胞表面受體過度表達(dá)和受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用及腫瘤細(xì)胞中的EPR增加了腫瘤細(xì)胞的攝取，結(jié)果顯示與市售DOX注射劑相比，DOX/SPION膠束具有治療效果好、毒性低的特點(diǎn)，并具有與裸SPION相近的弛豫率，可作為MRI造影劑用于成像，實(shí)時(shí)監(jiān)測藥物累積情況，以調(diào)整治療方案。因腫瘤部位的微環(huán)境致使腫瘤部位pH值低于血液，F(xiàn)eng等〔15〕合成了一種pH敏感性的包裹紫杉醇和SPION的納米膠束，以盡量減少細(xì)胞毒性藥物在血液中釋放和在腫瘤酸性條件下最大化釋放藥物，達(dá)到殺死腫瘤細(xì)胞的目的，并且可通過MRI使藥物分散部位可視化，盡管這種方法對腫瘤的治療具有明顯的靶向性，但是由于pH敏感性外殼對環(huán)境中pH過于敏感，這可能會(huì)影響藥物載體核心的穩(wěn)定性。

1.3納米粒 納米粒也稱毫微粒，是介于10～1 000 nm的固態(tài)顆粒，可作為傳導(dǎo)或輸送藥物的載體，提高藥物的療效，減少副作用。Menon等〔16〕合成了一種含放射增敏劑NU7441和吉西他濱的葉酸受體靶向的多功能磁性納米粒子用于肺癌的診療。體外實(shí)驗(yàn)顯示其具有良好的穩(wěn)定性及生物相容性，可劑量依賴性的吸入給藥通過小窩蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞途徑被細(xì)胞攝取，增加放化療的治療療效，有效地抑制腫瘤生長甚至消除腫瘤，并可通過MRI實(shí)時(shí)監(jiān)測藥物釋放。Gao等〔17〕制備了葉酸(FA)聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)包裹DOX及SPIO的納米粒(F/A-PLGA@DOX/SPIO)，F(xiàn)A和可激活的細(xì)胞穿透肽(ACPP)的表面修飾賦予了納米粒的靶向能力，因FA可以特異性識別A549表面的過表達(dá)的FR-α，體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)F/A-PLGA@DOX/SPIO可以促進(jìn)肺癌細(xì)胞A549內(nèi)的活性氧(ROS)過量產(chǎn)生，誘導(dǎo)細(xì)胞死亡。通過MRI系統(tǒng)追蹤和測量裸鼠模型的腫瘤治療情況，證實(shí)其治療腫瘤的效果優(yōu)于單獨(dú)DOX組并且對其他組織未見明顯損傷。納米粒的大小和形狀會(huì)直接影響細(xì)胞的攝取，靜脈注射給藥直徑大于200 nm的納米粒積聚在肝臟和脾臟中被單核吞噬系統(tǒng)清除，直徑小于10 nm會(huì)經(jīng)由腎臟排出體外，為使納米粒有效聚集在腫瘤部位需要控制納米粒直徑在30～200 nm。棒狀納米粒表現(xiàn)出的細(xì)胞攝取最高，其次是球形、圓柱體等，目前為止，多數(shù)研究都關(guān)注球形納米粒，可能是因?yàn)榉乔蛐渭{米粒與細(xì)胞的相互作用較球形復(fù)雜許多。

2 基因治療

化學(xué)療法是殺死腫瘤細(xì)胞和正常組織中分裂速度較快的細(xì)胞，由于很多腫瘤的基因表達(dá)出現(xiàn)異常，隨著人類基因組計(jì)劃的實(shí)施，開發(fā)了特異性阻斷這些基因或下游目標(biāo)分子的靶向治療，基因治療在腫瘤治療中扮演日漸重要的角色。由于DNA和RNA分子對生物體內(nèi)的酶和pH環(huán)境十分敏感，保證目的基因在到達(dá)靶組織前不被降解和清除十分必要。常用的方法有兩種：(1)通過二硫鍵將DNA或RNA分子連接到納米材料上；(2)利用基因載體將DNA或RNA分子攜帶到細(xì)胞內(nèi)〔18〕?；蜉d體分為兩大類：病毒載體和非病毒載體。病毒載體通過感染將目的基因?qū)胨拗骷?xì)胞，其組織特異靶向性是保證基因治療安全有效的關(guān)鍵〔19〕。目前應(yīng)用病毒載體對地中海貧血、維-奧綜合征及帕金森病的治療已初見成效〔20〕。如今也有上市的藥物今又生、宮頸癌疫苗等。非病毒基因載體由于其靈活的設(shè)計(jì)、低細(xì)胞毒性及免疫原性，成為基因載體研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)〔21〕。SPION和基因共同導(dǎo)入體內(nèi)，既可以在MRI下檢測到目的基因是否到達(dá)靶組織，也可以通過外加磁場增加基因進(jìn)入細(xì)胞的效率。常用的非病毒載體主要有陽離子聚合物和陽離子脂質(zhì)體。

2.1陽離子聚合物 陽離子聚合物通過靜電相互作用可以結(jié)合帶負(fù)電的核酸分子。其中聚乙烯亞胺(PEI)分子中含有高密度胺基基團(tuán)，具有質(zhì)子海綿效應(yīng)，可將核酸濃縮，保護(hù)其免受核酸酶的損傷〔22〕。陽離子聚合物表面正電荷增強(qiáng)細(xì)胞的攝取，但是其表面的正電荷和血液中陰離子紅細(xì)胞膜之間的電荷相互作用可能導(dǎo)致紅細(xì)胞聚集，降低陽離子聚合物的血漿半衰期也增加溶血和栓塞的風(fēng)險(xiǎn)。為解決這一問題，Yang 等〔23〕合成了靶向肝癌細(xì)胞表面唾液酸糖蛋白受體的半乳糖(Gal)和PEI修飾的SPION(Gal-PEI-SPION)，血清穩(wěn)定性檢測結(jié)果表明Gal-PEI-SPION可保護(hù)siRNA免于血清降解，并延長siRNA在體內(nèi)的半衰期。此外，Gal-PEI-SPION可特異性地將siRNA遞送至靶組織，并抑制腫瘤生長。

二硫鍵被稱為生物響應(yīng)性鏈接，由于其獨(dú)特的生物學(xué)特性而受到關(guān)注，陽離子聚合物可通過二硫鍵將核酸連接到納米材料上，將核酸導(dǎo)入細(xì)胞內(nèi)，細(xì)胞內(nèi)的谷胱甘肽將二硫鍵裂解，從而釋放核酸分子達(dá)到基因治療的目的，這樣可以使核酸與納米材料連接更緊密，增加轉(zhuǎn)染效率〔24〕。Li等〔25〕構(gòu)建了一種含有二硫鍵的陽離子聚合物SPION顆粒，其可將特定的核酸分子遞送到癌細(xì)胞內(nèi)，引起生長抑制和細(xì)胞凋亡，且高效低毒。裸鼠腫瘤模型的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該納米粒子可作為MRI的T2負(fù)性造影劑。

2.2陽離子脂質(zhì)體 陽離子脂質(zhì)體帶正電荷，腫瘤細(xì)胞因惡性轉(zhuǎn)化后組合物發(fā)生變化使其表面帶負(fù)電荷，因此陽離子脂質(zhì)體對腫瘤細(xì)胞具有親和力，脂質(zhì)體還可在體內(nèi)保護(hù)質(zhì)粒DNA免受核酸酶的影響從而延長外源性DNA和mRNA半衰期〔26〕。陽離子脂質(zhì)體免疫原性低易被降解，與基因的復(fù)合過程較容易，且易于大規(guī)模生產(chǎn)。高分子量的PEI具有較高的細(xì)胞毒性，低分子量的PEI雖然細(xì)胞毒性較低，但是DNA在細(xì)胞質(zhì)中的傳遞受到限制，Song等〔27〕制備了聚乙烯亞胺包被SPION的陽離子脂質(zhì)體(LP-PEI-SPION)，證實(shí)了低分子量PEI與陽離子脂質(zhì)體結(jié)合顯示出較好的轉(zhuǎn)染效率，且在3個(gè)細(xì)胞系上均顯示出清晰的MRI，實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)檢測基因治療結(jié)果。彭釗〔28〕制備了共載DOX和SATB1-shRNA的新型熱敏磁靶向陽離子脂質(zhì)體，使得在傳遞藥物和基因的同時(shí)，通過定向磁場和交變磁場的作用，提高了藥物和基因傳遞效率，并通過MRI實(shí)現(xiàn)了藥物實(shí)時(shí)監(jiān)測。然而，脂質(zhì)體中陽離子濃度過高會(huì)使其與體內(nèi)循環(huán)中的陰離子物質(zhì)產(chǎn)生相互靜電作用而聚集，導(dǎo)致腫瘤的EPR降低，較高的電荷通常更具細(xì)胞毒性。Pinnapireddy等〔29〕將PEI與陰離子脂質(zhì)體聯(lián)用，降低其表面電荷，從而提高轉(zhuǎn)染效率降低毒性。

目前非病毒載體取得了較大的進(jìn)展，然而非病毒載體的細(xì)胞毒性是阻礙基因遞送和基因下調(diào)載體治療用途的主要缺點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)更適合的載體或?qū)σ延休d體進(jìn)行修飾以提高轉(zhuǎn)染效率，延長目的基因表達(dá)時(shí)間，降低生物毒性仍需進(jìn)一步研究?；蛑委煹闹饕窒扌允悄[瘤的復(fù)雜性，其可能包含數(shù)百種遺傳變異，有研究表明〔19〕目前為止，不到5%的篩查患者與個(gè)性化試驗(yàn)相匹配，因此，未來需要研究針對更廣泛的腫瘤基因，結(jié)合其他療法協(xié)同治療腫瘤。

3 磁熱療

磁熱療是一種非侵入性的腫瘤治療方法。在外部磁場存在的條件下，由于布朗效應(yīng)，SPION固有的磁性會(huì)產(chǎn)生局部高溫，當(dāng)溫度達(dá)到42℃以上時(shí)，癌細(xì)胞會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)和功能的損傷(蛋白質(zhì)、細(xì)胞膜及細(xì)胞骨架破壞)〔30〕，更嚴(yán)重則會(huì)致細(xì)胞凋亡，而健康組織能夠承受42～45℃，溫度升高會(huì)促進(jìn)藥物的釋放，利于進(jìn)行放化療〔31〕。Wen 等〔32〕制備了人血清白蛋白(HSA)修飾的SPION(HSA-SPION)，其不僅在MRI上清晰成像，而且對腫瘤區(qū)域納米粒子的積聚和熱聲檢測具有較高的敏感性。體內(nèi)腫瘤治療實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示，由于HSA-SPION微波吸收特性強(qiáng)，能量轉(zhuǎn)換率高，可激發(fā)沖擊波和生物組織的深層穿透性，其介導(dǎo)的熱聲治療對于深部的腫瘤模型具有較好的治療作用。熱聲治療是基于熱聲效應(yīng)誘導(dǎo)的空洞，避免了對健康組織連續(xù)的熱損傷。因HAS在一定程度上阻滯RES識別，增加了血清穩(wěn)定性，此外，HSA鞘可與各類型腫瘤細(xì)胞表面上表達(dá)的細(xì)胞表面糖蛋白、受體等的相互作用促進(jìn)了納米粒的運(yùn)輸，因此HSA-SPION具有較好的發(fā)展前景。Sadhukha等〔33〕合成了表皮生長因子受體(EGFR)靶向的SPION(EGFR-SPION)以用于非小細(xì)胞肺癌的治療，結(jié)果顯示外加磁場后EGFR靶向性增加了EGFR-SPION在肺內(nèi)的停留時(shí)間，使腫瘤生長顯著抑制，并在治療過程中，通過MRI實(shí)時(shí)監(jiān)測治療效果以調(diào)整治療方案。也有研究將化療與磁熱療相結(jié)合，以達(dá)到更好的治療效果。Quinto等〔34〕合成了磷脂-聚乙二醇包被的SPION和DOX復(fù)合物，發(fā)現(xiàn)復(fù)合物在外加磁場后SPION可以產(chǎn)生大量熱量使腫瘤部位局部溫度升高至凋亡水平，并持續(xù)釋放DOX而不影響其活性，從而達(dá)到了藥物遞送、磁熱療和MRI三重作用。除誘導(dǎo)特異性腫瘤細(xì)胞死亡外，磁熱療誘導(dǎo)的熱休克蛋白表達(dá)引起的腫瘤特異性免疫反應(yīng)還可以殺死轉(zhuǎn)移的癌細(xì)胞。精準(zhǔn)確定腫瘤部位、外加磁場的時(shí)間及強(qiáng)度對磁熱療效果十分重要，仍需進(jìn)一步研究。

4 其 他

此外，由于SPION良好的超順磁性，它在腫瘤的光熱療法、光動(dòng)力療法及放射治療中也得到了廣泛的應(yīng)用。金納米材料由于其合成簡單、尺寸和形態(tài)可調(diào)、化學(xué)惰性、生物相容性好、易于表面改觀。這些特性使得金納米特別適用于光熱療法，Zhou等〔35〕合成了多功能含金納米殼的SPION，使用光聲-磁共振雙模態(tài)成像監(jiān)測小鼠體內(nèi)腫瘤的光熱治療效果，在外加激光脈沖后還可清晰見腫瘤血管內(nèi)的結(jié)構(gòu)，為腫瘤的診療提供更有前景的平臺(tái)。Yang等〔36〕應(yīng)用快速納米沉淀法合成了包裹SPION、紫杉醇和金納米顆粒的聚合物顆粒。體外研究結(jié)果表明在經(jīng)聚合物顆粒處理72 h后MCF-7和MDA-MB-231細(xì)胞顯著死亡，且經(jīng)激光照射5 min后死亡細(xì)胞數(shù)進(jìn)一步增加。盡管金納米材料顯示出有效的光熱療法，但貴金屬材料在實(shí)際應(yīng)用中受到高成本的限制。Chen等〔37〕合成了FA靶向的共軛羧甲基月桂基殼聚糖(CLC)SPION膠束(FA-CLC/SPION膠束)，結(jié)果表明應(yīng)用FA-CLC/SPION膠束將放射增敏劑遞送至靶腫瘤部位后，安全劑量的射線就可以發(fā)揮腫瘤放射治療的效果，減少了對周圍正常組織的副作用，實(shí)現(xiàn)低劑量放療。