基于氧化铁的磁性纳米颗粒在肿瘤诊疗中的应用进展*

陈路锋 钟红珊 徐克

纳米颗粒（nanoparticles，NPs）具有许多独特的性质，如肿瘤靶向性、易于功能化修饰、易于装载诊断性和治疗性的药物，已广泛应用于肿瘤的诊断和治疗中，形成了新的交叉学科即纳米肿瘤学［1］。将治疗性药物和成像组件集成于一个纳米平台内，构建兼具诊断和治疗功能的NPs，实现肿瘤诊疗一体化成为近年来纳米肿瘤学领域的研究热点［2-3］。其中基于氧化铁（iron oxide，IO）的磁性纳米颗粒（magnetic nanoparticles，MNPs）是一种典型的，目前研究较为广泛和热门的诊治一体化性NPs。

1 基于IO的MNPs概述

MNPs 与块状材料具有不同的磁学特性，即当磁性材料的尺寸减小至某一临界尺寸时呈超顺磁性，当施加外磁场时，会表现出较高的磁性，而去掉外磁场后，磁性则消失。MNPs 主要包括：IO、铁氧体、钴、镍、锰和铁金属合金、氮化铁等，其中氧化铁纳米颗粒（iron oxide nanoparticles，IONPs）（Fe3O4和γ-Fe2O3）应用最多，本文中MNPs主要是指基于IO的MNPs。

目前，应用于肿瘤诊治一体化的MNPs常见结构为釆用化学合成法制备IONPs作为磁核，然后再使用适当的包被材料对其进行表面包被修饰。IONPs 的化学合成方法主要为：共沉淀法、微乳液法、热分解法、溶胶-凝胶法、水热法以及溶剂热法等。裸露的IONPs 比表面积大、磁偶极作用强、表面能高使得其易于团聚，导致粒径增大、胶体稳定性下降，且IONPs易被氧化而导致磁性下降［4］。使用功能材料对磁核进行包被修饰，不仅可以提高MNPs 的理化性能，如提高水溶性、生物相容性，提高循环时间、降低调理作用等，还可以提高其载药能力。此外，通过表面修饰，还可使MNPs 获得多种功能基团，如羧基、氨基、羟基、巯基等，使得MNPs易于偶联化疗药物、核酸分子、靶向性配体、抗体、成像组件等多种生物活性模块，从而赋予MNPs 多种多样的药物载体功能、主动靶向功能、成像功能等［5］。因此，对MNPs进行包被修饰具有重要意义。常用于MNPs 包被修饰的材料有葡聚糖、聚乙二醇、二氧化硅、金等［6］。

MNPs 具有生物安全性高、比表面积大、弛豫性能高、磁敏感性、超顺磁性、表面易于修饰和功能化等优点。在具有载药能力的同时，还具备下述独特的诊疗一体化功能：1）具有T2加权MRI成像功能；2）在外磁场的吸引下可以在特定部位聚集而具有简便易行的物理性肿瘤靶向功能；3）在交变磁场中可以产热而具有磁热疗功能［7］。目前，MNPs 已广泛应用于生物医学领域，如靶向性药物递送、酶的固化、生物检测、生物分离、MRI和肿瘤磁热治疗等［8-9］。

2 MNPs用于肿瘤成像

由于磁核的存在，大部分MNPs 具有T2W-MRI功能（直径＜5 nm 的极小IONPs 具有T1 成像功能）。与其他成像方式相比，T2W-MRI具有许多优势，如无电离辐射、组织穿透深和软组织对比度高等；然而，T2W-MRI也存在一定的局限性，如成像时间长、阴性对比、对肺及骨等组织成像效果差等［10］。因此，仅具有T2W-MRI单一成像功能可能会限制MNPs的临床应用范围。通过将MNPs 与具有其他成像功能的组件联合在一起，构建多模态成像探针，可以克服单一成像技术的局限性、提高成像的敏感性。由于成像过程缩短，因此节省时间和费用［8，11］。

2.1 T1/T2 MR成像

由于MNPs 的T2W-MRI 为阴性对比成像，通过将传统的T1WI 阳性对比剂结合于MNPs 上，则可实现T1/T2双模态成像功能。含Gd3+化合物或螯合物是临床上最常使用的T1W-MRI 对比剂。Yang 等［12］将Gd-DTPA 共价偶联至Fe3O4@SiO2的硅壳上，并使用RGD分子进行靶向性修饰，实现了肿瘤靶向性T1/T2双模态成像。近年来，钆对比剂的潜在毒性逐渐受到重视，Gd3+的释放可以造成严重的肾源性系统性纤维化。因此，如何降低钆对比剂的毒性是构建含钆的多模态成像MNPs 时需要考虑的重要因素。有研究将Gd3+掺杂于Fe3O4磁核中，再经stPEI 或PEG 包被，构建了掺有Gd3+的MNPs，既可以实现T1/T2 双模态MRI 成像，又可降低不良反应［13-14］。近期，Huang等［15］将水溶性锰卟啉结合于MNPs的硅包被层上，在MNPs 靶向性聚集于肿瘤部位后，锰卟啉酸性敏感性释放，其与IONPs 磁核的相互干扰解除，从而实现了肿瘤微环境响应性T1/T2多模态MR成像。

2.2 MR/CT成像

CT成像具有检查时间短、硬组织对比效果好、空间分辨率高等优势，与MRI 具有良好的互补性。并且，临床实践中CT 和MRI 是较为常用且重要的肿瘤诊断和肿瘤治疗监测方法。因此，构建具有CT/MRI双模态成像功能的MNPs，具有更好的临床实用前景。目前，作为CT 成像组件应用于MNPs 的研究中使用最多的材料为金。由于金具有较高的原子序数，使用金作为IONPs 的包被材料，构建出核壳结构Fe3O4@Au MNPs，IONPs 磁核作为MRI 成像组件，而金壳作为CT 成像组件，使MNPs 具备了MRI/CT 双模态成像功能［16-17］。Tseng等［18］则使用多个金NPs结合于MNPs 表面，该研究中在蠕虫状介孔SiO2NPs 表面通过静电作用吸附多个直径约2 nm的极小IONPs，再在外面包被一层介孔SiO2壳，然后通过硼酸酯键将金NPs锚链于硅壳外，从而构建了具有T1W-MRI/CT双模态成像功能的纳米载药体系。Yang等［19］则使用二维纳米材料WS2与IONPs 自组装，然后经介孔硅包被、PEG表面修饰，构建出MRI/CT双模态成像功能的WS2-IO@MS-PEG 多功能纳米载药平台，其中WS2既能吸收X 射线发挥CT 成像功能，又能吸收近红外激光，发挥光热治疗作用。Badrigilan 等［20］使用氧化铋作为CT成像组件引入MNPs，在该研究中将氧化铋和IO复合材料作为核，石墨烯量子点作为壳，由于铋具有较高的原子序数，该纳米复合材料具有良好的CT成像功能，其CT值高达碘对比剂的175%。

2.3 MRI/光学成像

光学成像是肿瘤分子影像研究中最常用的成像方法之一，具有敏感性高、性价比高和无电离辐射等优点，可在分子水平提供肿瘤的相关生物学信息，因而对早期肿瘤具有较高的显像能力。所以，具有MRI/光学成像双模态成像功能的MNPs，既可提供肿瘤的解剖信息，也有助于提供肿瘤相关的分子事件。Santra等［21］使用改良的溶剂扩散法，将近红外荧光染料和化疗药紫杉醇包裹于PAA 包被的IONPs内，并在PAA包被层上偶联叶酸分子，构建出具有肿瘤靶向性的、MRI/光学成像双模态成像功能和肿瘤化疗功能的多功能MNPs。Zhou等［22］使用聚乙二醇-b-聚己内酯（PEG-b-PCL）包裹疏水性SPIONs，然后在包被层偶联荧光探针Cy5.5 和胶质瘤靶向性配体分子乳铁蛋白，构建出胶质瘤靶向性光学/MRI 双模态成像微粒，由于PEG-b-PCL 的阻隔，降低了IONPs对荧光的淬灭作用，提高了荧光成像性能。

2.4 MRI/PET、MRI/SPECT成像

PET/SPECT 成像是目前已应用于临床实践的功能成像、分子影像技术，其敏感性高，可以在分子水平提供肿瘤诊断信息，其主要缺点为空间分辨率低。上述特点与MRI 成像具有高度的互补性。目前，PET/MRI 融合成像设备已应用于临床实践中，极大地提高了肿瘤诊断水平。因此，将PET/SPECT 与MNPs 结合具有重要意义［23］。Chen 等［24］使用131I 标记人血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）的siRNA，然后将其偶联于IONPs上，经皮下注射至荷肝细胞癌裸鼠体内，SPECT/MRI 双模态成像显示外磁场可以使核素标记的MNPs 聚集于肿瘤部位。近期，Doughton 等［25］首次将68Ga 标记的IONPs用于临床试验，通过超声引导下将68Ga标记的IONPs进行前列腺内注射，然后进行PET/CT扫描，实现了淋巴引流通路的示踪和前哨淋巴结显像。

2.5 MRI/US成像

超声成像是临床常用的影像诊断手段之一，其具有实时成像、无电离辐射、费用低廉、使用便捷等优点，尤其对危重症患者适用，而且可以实时监测肿瘤消融等治疗过程，因此具有MRI/US 双模态成像功能的MNPs具有重要临床意义。Guo等［26］使用聚胺盐聚集自组装法制备Fe3O4/聚合物杂合微泡，实现MR/US 双模态成像。Song 等［27］通过乳化作用，将IONPs与化疗药紫杉醇包埋至偶联有赫赛汀的超声对比剂含气微泡内，实现了具有MRI/US双模态成像功能的、肿瘤靶向性的多功能MNPs。

2.6 多模态成像

不同成像技术均有各自的优势和局限性，使用纳米技术可以将具有不同成像功能的成分组合在一个纳米平台内，即构建具有多模态成像功能的纳米复合体，则可以实现多功能成像，已有许多研究将多功能成像组件结合于MNPs。如Feng 等［28］在SPION表面包被介孔g-C3N4，然后再在表面吸附掺杂有Gd3+和Yb3+离子的超小上转化颗粒（UCNPs），进行PEG化修饰，制备出多功能纳米平台Fe3O4@g-C3N4-UCNPs-PEG。在该纳米平台中，Fe3O4可产生T2W MRI 阴性对比，Gd3+产生T1W MRI 阳性对比，而Yb3+离子则可以用于CT 成像，从而实现T1/T2 MRI/CT 多功能成像。Bian 等［29］构建了基于金属-有机框架的多功能纳米复合体Fe3O4@PAA/AuNCs/ZIF-8 NPs，该纳米复合体具有MRI/CT/光学成像3种成像功能。Miao等［30］使用超声微泡包被IONPs 磁核并在表面吸附荧光量子点CdTe，实现了具有超声/MRI/荧光3 种成像功能的多功能纳米复合体。

3 MNPs用于肿瘤治疗

NPs可以作为药物递送载体，将化疗药通过EPR效应靶向性向肿瘤递送药物，纳米载体还可以经过在表面进行肿瘤特异性的配体分子修饰后，进一步提高肿瘤部位药物浓度，即主动靶向性，从而提高疗效并降低不良反应。MNPs 除了一般纳米载体的优势外，还具有成像功能，可以在外磁场的吸引下，到达肿瘤部位，即磁靶向性，这种靶向策略与主动靶向策略相比，具有简便、高效的独特优势。因此，MNPs可以用于影像可视化、磁靶向性肿瘤治疗。

3.1 化疗

化疗是肿瘤治疗的主要方法之一，然而传统的化疗存在某些局限性亟待解决。比如部分化疗药水溶性差、存在多药耐药、组织特异性差和不良反应大等。将MNPs作为药物运载体，在磁场的辅助下可以将药物通过血液系统递送至特定部位，实现肿瘤部位的靶向性，还可以实现肿瘤微环境敏感性释放，从而提高化疗的疗效和降低不良反应［31-32］。除了磁靶向外，还可以在MNPs 表面进行主动靶向分子的修饰，实现肿瘤的主动靶向。如Ji等［33］制备了柠檬酸包被的IONPs，再通过共价结合进行PEG 化表面修饰，然后再将DOX 共价结合于PEG 分子上，即GCIODOX，这种纳米载药系统具有pH、磁场双重响应性药物释放功能。Li 等［34］使用以介孔SiO2为包被层的MNPs 作为DOX 载体，再在其表面连接一种对MMP-2敏感的肽，在外磁场的作用下可以实现肿瘤靶向性药物，在高表达MMP-2的肿瘤区域实现DOX药物释放，还可以进行实时MRI 监视。Semkina 等［35］在小牛血清包被的MNPs上连接VEGF抗体用于肺癌的化疗和MRI 成像，动物实验结果显示VEGF 靶向性MNPs明显提高了小鼠的生存率，于给药后24 h 进行MRI成像，提示MNPs聚集于肿瘤部位。

3.2 光动力治疗

光动力治疗（photodynamic therapy，PDT）的基本原理为光敏剂在特定波长的光激发下可以产生细胞毒性活性氧，而发挥杀伤肿瘤的作用，PDT具有无创、不良反应小、无耐药问题等优势［36］，目前已广泛应用于黑色素瘤、乳腺癌以及其他浅表部位肿瘤的临床治疗中［37］。然而，临床肿瘤治疗中PDT 光敏剂所需剂量大、全身分布，会造成正常组织的光毒性。Zhan等［38］将光敏剂玫瑰红（RB）装载于MNPs 的介孔硅包被层内，并使用酸性敏感性聚乙二醇-b-多聚天冬氨酸（PEG-b-PAsp）包封，在外磁场的作用下，MNPs 通过磁靶向和EPR 被动靶向高效地将RB 运送至肿瘤部位，并且实现了MRI引导pH-敏感性释放。体内外实验结果显示，明显提高了RB 的疗效，并减低了RB的毒性作用。在Feng 等［28］的研究中，Fe3O4磁核在外磁场的作用下发挥肿瘤靶向性功能，光敏剂g-C3N4作为包被层，不仅起到PDT 作用，还能隔离Fe3O4和UCNPs，避免Fe3O4的光淬灭效应，而掺杂有镧系元素的UCNPs作为光转化剂。使用NIR激光激发，UCNPs可以将NIR激光转化为可见光或紫外光，进而激发光敏剂g-C3N4产生活性氧从而杀灭肿瘤细胞。由于UCNPs 提高了激发光的穿透性而其几乎无自发荧光，因此提高了肿瘤治疗效果、降低了光毒性。

3.3 光热治疗

光热治疗的基本原理是纳米材料将NIR 激发激光吸收，将光能转化为热能，使得具部温度升高，由于肿瘤组织内为缺氧、低pH环境，导致肿瘤细胞对高温的耐受性低于正常细胞，从而起到杀死肿瘤细胞的作用。过渡金属硫化物二维纳米材料是一类新型纳米材料，如MoS2、WS2和Bi2Se3等，其不仅可以高效结合治疗药物、易于功能化修饰，而且具有较强的光热效应［39］。在Yang 等［19］的研究中，二维纳米材料WS2不仅作为CT成像组件，还作为光热治疗组件，并通过介孔硅包被层负载化疗药物DOX，实现了光热治疗与化疗的联合治疗，结果显示使用这种多功能纳米材料进行联合治疗提高了治疗效果。而在Badrigilan等［20］的研究中，磁核内掺杂的氧化铋除了具有CT成像功能外，还可以吸收近红外激光，将光能转化外热能，起到光热治疗作用。

3.4 磁热疗

MNPs 在交变磁场的作用下可以将磁能转化为热能，使局部温度增高，因而可以用于肿瘤热疗，即磁热疗。肿瘤磁热疗法安全、有效，不良反应小［40］。目前，已应用于胶质瘤和前列腺癌的临床治疗［41-42］。MNPs 磁热疗效果的主要因素是如何提高产热效率、降低MNPs 的使用剂量。为了降低IONPs 的团聚，提高其产热和成像性能，Hurley 等［43］在约12 nm 的IONPs 外包被了介孔硅壳，并使用PEG 进行表面修饰。结果显示，经过包被后明显降低了MNPs在生理环境下的聚集，经瘤内注射后，可明显提高产热性能，并且可以在T1WI成像呈阳性对比增强效果。为了提高MNPs 磁热疗对肿瘤的靶向性，Arriortua 等［44］在MNPs上连接了靶向αvβ3受体的RGD肽，构建出具有主动靶向性的MNPs用于磁热疗。

4 展望

目前，纳米技术已广泛应用于肿瘤的影像诊断和治疗中，MNPs 具有独特的优势，本身兼具肿瘤成像和治疗作用，在肿瘤诊治一体化研究中显示出较大的优势。然而，还有诸多问题需要进一步研究，如大部分MNPs 的肿瘤靶向性亟需提高，MNPs 的多模态成像与载药能力之间的相互影响等。由于体内环境复杂，如离子、血清蛋白和血细胞等均对MNPs 发挥作用。因此，MNPs 适宜于体内应用的最佳理化性质，如表面电荷、包被物种类、是否会引起免疫反应等问题还需进一步的探索。