超順磁性氧化鐵納米粒子在癌癥診療中的研究進展

劉卓妍 宋曉偉 崔云秋 全姬善 金光玉

(延邊大學 1附屬醫院，吉林 延吉 133000;2藥學院)

診斷治療學是一種將診斷與治療相結合的臨床策略，可實現診斷與藥物治療同時進行，并可實時地獲得疾病發生和發展信息，及時、合理地指導臨床調整治療方案，近年來作為一種新的治療手段備受關注，特別在癌癥診療領域有重大的應用前景。超順磁性氧化鐵納米粒子(SPION)作為磁共振成像(MRI)的T2負性造影劑發揮重要作用，是分子影像學研究中的熱點。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生較高的磁化能力；形成穩定的磁流體；可通過外界磁場將其引導到體內所需部位；可通過實體瘤的高通透性和滯留效應(EPR)從而被動靶向到腫瘤部位〔1,2〕。因具有以上優良特性，SPION作為MRI的T2負性造影劑在腫瘤的診斷中應用廣泛〔3,4〕。例如，1996年美國食品藥物管理局(FDA)批準用于肝臟造影的注射劑——菲立磁(Ferumoxides)，隨后出現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。一般認為USPIO粒徑小于40 nm，因其比SPIO粒徑小而容易逃避網狀內皮系統(RES)的攝取，具有更長的半衰期更利于MRI。然而上述產品僅通過被動靶向模式實現MRI，缺乏區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進行改性和表面修飾(作為造影劑)而進行的MRI引導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研究領域的熱點〔5〕。本文就SPION在診療學中的研究進展進行綜述。

1 化療

在腫瘤的多種治療方法中，化療已經成為最重要的治療手段，是現今臨床上最常用、最有效的腫瘤治療方法。傳統化療最嚴重的缺陷為無靶向性，雖然可以有效殺滅腫瘤細胞，但也對正常細胞造成損傷，從而導致諸多不良反應和并發癥〔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下實時觀測藥物的遞送，成為近年來研究熱點，現將幾種常用的加載SPION的納米載體列舉如下：

1.1脂質體 脂質體是公認的藥物遞送納米載體，可通過薄膜分散法、透析法和反相蒸發法等方法制備。良好的生物相容性和細胞滲透性使其有利于化療藥物的遞送〔8〕。利用脂質體作為載體將化療藥物和SPION遞送到體內，可使藥物靶向釋放，減少毒性，增加難溶藥物的生物相容性，還可以實現MRI引導下的體內藥物實時追蹤〔9〕。Chen等〔10〕應用改進的反相蒸發法制備了聚乙二醇修飾的包裹SPION和鹽酸阿霉素(DOX)的雙層脂質體，細胞實驗結果顯示包裹SPION及DOX的脂質體和未包裹SPION及DOX的脂質體抗腫瘤效果相似，在電磁場作用下包裹SPION和DOX的脂質體抗腫瘤效果增加了40%，而未包裹SPION和DOX的脂質體組在加入電磁場前后抗腫瘤效果無明顯變化，與此同時，脂質體對DOX的包裹使得DOX較市售DOX注射劑進入體內量減少，達到低劑量化療的目的。紫杉醇是通過作用于細胞中的微管來抑制有絲分裂停滯的化療藥，可用于治療多種實體瘤，因疏水性及嚴重副作用，其治療指數低，Zhong等〔11〕應用薄膜分散法制備了包裹SPION和紫杉醇的脂質體，其在水溶液中穩定性高，持續釋放能力強，在磁場引導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。

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

1.2膠束 為實現化療藥物與SPION的同時遞送，載體材料必須能夠保護內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胞系BEL-7402，A54肽聚合物膠束與BEL-7402細胞的特異性結合導致細胞表面受體過度表達和受體介導的內吞作用及腫瘤細胞中的EPR增加了腫瘤細胞的攝取，結果顯示與市售DOX注射劑相比，DOX/SPION膠束具有治療效果好、毒性低的特點，并具有與裸SPION相近的弛豫率，可作為MRI造影劑用于成像，實時監測藥物累積情況，以調整治療方案。因腫瘤部位的微環境致使腫瘤部位pH值低于血液，Feng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，達到殺死腫瘤細胞的目的，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敏感性外殼對環境中pH過于敏感，這可能會影響藥物載體核心的穩定性。

1.3納米粒 納米粒也稱毫微粒，是介于10～1 000 nm的固態顆粒，可作為傳導或輸送藥物的載體，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。體外實驗顯示其具有良好的穩定性及生物相容性，可劑量依賴性的吸入給藥通過小窩蛋白介導的內吞途徑被細胞攝取，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實時監測藥物釋放。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)，FA和可激活的細胞穿透肽(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表面的過表達的FR-α，體外實驗證實F/A-PLGA@DOX/SPIO可以促進肺癌細胞A549內的活性氧(ROS)過量產生，誘導細胞死亡。通過MRI系統追蹤和測量裸鼠模型的腫瘤治療情況，證實其治療腫瘤的效果優于單獨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直接影響細胞的攝取，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清除，直徑小于10 nm會經由腎臟排出體外，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。棒狀納米粒表現出的細胞攝取最高，其次是球形、圓柱體等，目前為止，多數研究都關注球形納米粒，可能是因為非球形納米粒與細胞的相互作用較球形復雜許多。

2 基因治療

化學療法是殺死腫瘤細胞和正常組織中分裂速度較快的細胞，由于很多腫瘤的基因表達出現異常，隨著人類基因組計劃的實施，開發了特異性阻斷這些基因或下游目標分子的靶向治療，基因治療在腫瘤治療中扮演日漸重要的角色。由于DNA和RNA分子對生物體內的酶和pH環境十分敏感，保證目的基因在到達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分子攜帶到細胞內〔18〕。基因載體分為兩大類：病毒載體和非病毒載體。病毒載體通過感染將目的基因導入宿主細胞，其組織特異靶向性是保證基因治療安全有效的關鍵〔19〕。目前應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計、低細胞毒性及免疫原性，成為基因載體研究領域的熱點〔21〕。SPION和基因共同導入體內，既可以在MRI下檢測到目的基因是否到達靶組織，也可以通過外加磁場增加基因進入細胞的效率。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合帶負電的核酸分子。其中聚乙烯亞胺(PEI)分子中含有高密度胺基基團，具有質子海綿效應，可將核酸濃縮，保護其免受核酸酶的損傷〔22〕。陽離子聚合物表面正電荷增強細胞的攝取，但是其表面的正電荷和血液中陰離子紅細胞膜之間的電荷相互作用可能導致紅細胞聚集，降低陽離子聚合物的血漿半衰期也增加溶血和栓塞的風險。為解決這一問題，Yang 等〔23〕合成了靶向肝癌細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)，血清穩定性檢測結果表明Gal-PEI-SPION可保護siRNA免于血清降解，并延長siRNA在體內的半衰期。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性鏈接，由于其獨特的生物學特性而受到關注，陽離子聚合物可通過二硫鍵將核酸連接到納米材料上，將核酸導入細胞內，細胞內的谷胱甘肽將二硫鍵裂解，從而釋放核酸分子達到基因治療的目的，這樣可以使核酸與納米材料連接更緊密，增加轉染效率〔24〕。Li等〔25〕構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胞內，引起生長抑制和細胞凋亡，且高效低毒。裸鼠腫瘤模型的體內實驗結果顯示該納米粒子可作為MRI的T2負性造影劑。

2.2陽離子脂質體 陽離子脂質體帶正電荷，腫瘤細胞因惡性轉化后組合物發生變化使其表面帶負電荷，因此陽離子脂質體對腫瘤細胞具有親和力，脂質體還可在體內保護質粒DNA免受核酸酶的影響從而延長外源性DNA和mRNA半衰期〔26〕。陽離子脂質體免疫原性低易被降解，與基因的復合過程較容易，且易于大規模生產。高分子量的PEI具有較高的細胞毒性，低分子量的PEI雖然細胞毒性較低，但是DNA在細胞質中的傳遞受到限制，Song等〔27〕制備了聚乙烯亞胺包被SPION的陽離子脂質體(LP-PEI-SPION)，證實了低分子量PEI與陽離子脂質體結合顯示出較好的轉染效率，且在3個細胞系上均顯示出清晰的MRI，實現無創檢測基因治療結果。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體，使得在傳遞藥物和基因的同時，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實現了藥物實時監測。然而，脂質體中陽離子濃度過高會使其與體內循環中的陰離子物質產生相互靜電作用而聚集，導致腫瘤的EPR降低，較高的電荷通常更具細胞毒性。Pinnapireddy等〔29〕將PEI與陰離子脂質體聯用，降低其表面電荷，從而提高轉染效率降低毒性。

目前非病毒載體取得了較大的進展，然而非病毒載體的細胞毒性是阻礙基因遞送和基因下調載體治療用途的主要缺點，發現更適合的載體或對已有載體進行修飾以提高轉染效率，延長目的基因表達時間，降低生物毒性仍需進一步研究。基因治療的主要局限性是腫瘤的復雜性，其可能包含數百種遺傳變異，有研究表明〔19〕目前為止，不到5%的篩查患者與個性化試驗相匹配，因此，未來需要研究針對更廣泛的腫瘤基因，結合其他療法協同治療腫瘤。

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，SPION固有的磁性會產生局部高溫，當溫度達到42℃以上時，癌細胞會發生結構和功能的損傷(蛋白質、細胞膜及細胞骨架破壞)〔30〕，更嚴重則會致細胞凋亡，而健康組織能夠承受42～45℃，溫度升高會促進藥物的釋放，利于進行放化療〔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，而且對腫瘤區域納米粒子的積聚和熱聲檢測具有較高的敏感性。體內腫瘤治療實驗的結果顯示，由于HSA-SPION微波吸收特性強，能量轉換率高，可激發沖擊波和生物組織的深層穿透性，其介導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誘導的空洞，避免了對健康組織連續的熱損傷。因HAS在一定程度上阻滯RES識別，增加了血清穩定性，此外，HSA鞘可與各類型腫瘤細胞表面上表達的細胞表面糖蛋白、受體等的相互作用促進了納米粒的運輸，因此HSA-SPION具有較好的發展前景。Sadhukha等〔33〕合成了表皮生長因子受體(EGFR)靶向的SPION(EGFR-SPION)以用于非小細胞肺癌的治療，結果顯示外加磁場后EGFR靶向性增加了EGFR-SPION在肺內的停留時間，使腫瘤生長顯著抑制，并在治療過程中，通過MRI實時監測治療效果以調整治療方案。也有研究將化療與磁熱療相結合，以達到更好的治療效果。Quinto等〔34〕合成了磷脂-聚乙二醇包被的SPION和DOX復合物，發現復合物在外加磁場后SPION可以產生大量熱量使腫瘤部位局部溫度升高至凋亡水平，并持續釋放DOX而不影響其活性，從而達到了藥物遞送、磁熱療和MRI三重作用。除誘導特異性腫瘤細胞死亡外，磁熱療誘導的熱休克蛋白表達引起的腫瘤特異性免疫反應還可以殺死轉移的癌細胞。精準確定腫瘤部位、外加磁場的時間及強度對磁熱療效果十分重要，仍需進一步研究。

4 其 他

此外，由于SPION良好的超順磁性，它在腫瘤的光熱療法、光動力療法及放射治療中也得到了廣泛的應用。金納米材料由于其合成簡單、尺寸和形態可調、化學惰性、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-磁共振雙模態成像監測小鼠體內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的結構，為腫瘤的診療提供更有前景的平臺。Yang等〔36〕應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。體外研究結果表明在經聚合物顆粒處理72 h后MCF-7和MDA-MB-231細胞顯著死亡，且經激光照射5 min后死亡細胞數進一步增加。盡管金納米材料顯示出有效的光熱療法，但貴金屬材料在實際應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)，結果表明應用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，實現低劑量放療。