MRI及光动力学治疗中多功能对比剂的研究现状

尤晓光， 涂蓉， 文丽君

磁性四氧化三铁(ferrosoferric oxide，Fe3O4)纳米粒子通过适当的表面修饰可以提高水溶性及生物相容性，表面带有具有多种反应活性的多种功能基团，其中包括小分子修饰、氧化硅和碳材料等修饰[1]。小分子修饰后可使其表面带有羧基 、氨基、羟基、硅经基等大量功能基团，可与靶向导向分子(小肽、核酸、抗体)及治疗药物(如化疗药或多种光敏剂)连接，构建多功能磁性纳米粒子，同时具备MRI及肿瘤治疗的作用(包括磁热疗、光动力学治疗、化疗等)[2,3]。

光动力学治疗(photodynamic therapy，PDT)是国际前沿交叉学科——生物医学光子学的一个重要领域。近年来，无论是PDT的基础研究，还是临床应用都取得了快速发展，已逐渐成为继手术、放疗和化疗之外肿瘤治疗的第四种微创疗法，并逐渐成为某些特殊病种的首选治疗疗法。PDT 是利用靶组织对光敏剂进行选择性摄入，在适宜波长光的作用下发生光动力学效应，产生单线态氧、活性氧和自由基等细胞毒性物质来破坏肿瘤组织，达到治疗作用[4-5]。常用的光敏剂有卟啉类[如光敏素(Photofrin)、 5-氨基酮戊酸/原卟啉IX(5-aminolevulinic acid / protoporphyrin IX，5-ALA/Pp-IX)等]、酞青类(phthalocyanines)和二氢卟吩类(chlorins)。近年来又研制了一些新型的光敏剂，包括二氧化钛(TiO2)及富勒烯(fullerene，C60)等。通过化学方法可将光敏剂与Fe3O4连接起来，构建出多功能光动力学磁性纳米粒子。理想的光动力学磁性纳米粒子应具备以下特点：粒径小、体内生物兼容性好，可代谢，可进行靶向MRI或光学成像、同时具备光动力学治疗及磁热疗作用等。本文对光动力学磁性多功能纳米粒子的研究现状进行综述。

Fe3O4-光敏剂多功能磁性纳米粒子的特点

Fe3O4-光敏剂多功能磁性纳米粒子的主要特点：①由于磁性存在，纳米粒子可在外界磁场作用下被动聚集肿瘤区，或纳米粒子的表面偶联靶向分子后主动靶向分布至肿瘤组织，从而实现肿瘤的靶向治疗，避免正常组织的损伤[6]。②Fe3O4纳米光敏剂的粒径小于200 nm，通过控制颗粒的细微结构，可以在活体内达到药物缓控的作用，且其表面覆有的亲水基团使其可免于被巨噬细胞所吞噬，增加药物在体内的停留时间及利用率。③纳米化后的光敏剂与原游离光敏剂比较，对肿瘤细胞的PDT效果明显提高[7]。④Fe3O4纳米粒子由于其独特的磁、光和电特性，使其可应用于MRI、光学成像以及光动力学治疗、磁热疗和化疗等多种治疗手段中。

Fe3O4-光敏剂多功能磁性纳米粒的结合方式

Fe3O4纳米粒子经修饰后装载至光敏剂的方式主要有以下四种[8-9]：①光敏剂分散到多孔纳米载体中，这种结构的药物缓控效果好且携带的药物量多。②光敏剂包囊在纳米空心球形颗粒的内部，这种结构也能实现药物的缓控作用，但携带的药物量少。③光敏剂吸附在载体表面，载药多但缓释效果差。④光敏剂同时被装载到多层纳米载体的内部和外部，载药多且光动力作用强，但成本高、工艺复杂。

Fe3O4-光敏剂多功能磁性纳米粒MRI及肿瘤治疗

1.卟啉类Fe3O4多功能磁性纳米粒子研究进展

血卟啉衍生物(hematoporphyrin derivativess，HpD)的有效成分为双血卟啉醚或酯(dihaematoporphyrinethers and esters，DHE)，经超滤法提纯后，DHE等有效成分的含量可提高至80%以上，被命名为光敏素[10]。5-氨基酮戊酸是一种内源性光敏剂，在体内从甘氨酸合成原卟啉Ⅸ，从而具有很强的光敏活性，临床上可应用于皮肤癌、肺癌、膀胱癌、食管癌和胃肠道肿瘤等肿瘤的治疗中。Tan等[11]合成的Fe3O4@ALA-ZnII纳米粒子，经体外实验证实可靶向至T24膀胱癌细胞，可应用于肿瘤的MR T2WI成像，而且经630 nm激光照射后它可导致T24细胞凋亡。Mbakidi等[12]将卟啉(porphyrin)连接到Fe3O4表面，构建卟啉-Fe3O4纳米粒子，体外实验中将其应用于HT29肿瘤细胞的MRI，显示肿瘤组织在T2WI上信号明显减低，对HaCaT细胞进行PDT治疗，可引起明显的细胞凋亡，证实此纳米粒子具有MRI、磁热疗及光动力学治疗等多种功能。Du等[13]将单甲基血卟啉与藻蓝蛋白两种光敏剂连接到Fe3O4纳米粒表面，体内外对MCF-7肿瘤PDT作用，较两者中任何一者单独使用治疗肿瘤作用显著(图1)。Zhou等[14]利用疏水键将血卟啉偶联到Fe3O4纳米粒子的表面，经激光激发后可产生大量的单线态氧，对人宫颈癌细胞(HeLa细胞)进行PDT治疗，半抑制浓度(half maximal inhibitory concentration，IC50)为10.12 μg/mL，同时其也具有良好的磁学性能。

图1 单甲基血卟啉-藻蓝蛋白-Fe3O4纳米粒构建及体内光动力学实验示意图(引用自文献[13])。

2.二氢卟吩类Fe3O4多功能磁性纳米粒子的研究进展

Ce6又名二氢卟吩，是叶绿素a降解产物，最大吸收波长为660 nm，激发光波长，在肿瘤组织深层就能够被激活，PDT治疗效果更好，此外Ce6还有单线态氧产率高及体内清除速度快等优点[15]。Yin等[16]通过水热反应合成Fe3O4-PEG2K-FA纳米粒，光敏剂Ce6利用疏水键与双功能聚乙二醇连接，最终构建Fe3O4-PEG2K-FA@Ce6靶向纳米探针(图2)；MRI实验显示MGC-803肿瘤接种在荷瘤鼠腋下，尾静脉给药后12 h肿瘤T2信号明显减低；激光照射30 min，18 d后肿瘤被抑制69%。Ding等[17]构建DSSCe6@Fe3O4多功能纳米粒子，T2弛豫率为194.4/mM·s，活体内外在外加磁场作用下，纳米粒可有效聚集到MCF-7肿瘤细胞引起T2信号降低，660 nm光照后可引起肿瘤细胞死亡。Zhao等[18]合成SPION-PG-Lys8/Ce6 MRI与PDT双功能纳米粒子，体外660 nm激光照射对SKOV3细胞进行PDT，时间由0.5、1、2、8 min递增至16 min，PDT作用逐渐增强，普鲁氏蓝染色阳性证实了细胞内磁性纳米粒子的存在。

3.酞菁类Fe3O4多功能磁性纳米粒研究进展

酞菁(phthalocyanine)在红光区的吸收系数较血卟啉HpD高10～50倍，只需要0.2～0.5 mg/kg的小剂量就能达到同样的PDT效果，注射1～3 h后即可在肿瘤组织达到峰值，24 h内即可从体内清除[19]，加入锌离子或铝离子后酞菁的光敏反应及PDT作用增强[20]。汪文媚等[21]合成的纳米粒子为Fe3O4@SiO2(F)@mSiO2(P)@P(NIPAM-co-AA)，荧光光谱分析显示当改变激发波长，仅在675 nm处出现了一条发射峰，与ZnPc发射峰相对应，表明ZnPc已包囊在实心硅纳米粒子里。化疗组细胞的存活率分别为(38.63±2.32)%，光动力治疗组的细胞存活率分别为(60.87±8.13)%，两者协同治疗组中细胞存活率降低至(20.63±2.55)%。Liu等[22]构建的多功能纳米粒子为Fe3O4@mSiO2@lipid-PEG-methotrexate (FMLM)，将ZnPc与lipid-PEG-methotrexate连接，Dox被包囊在SiO2微孔中，在体和体外研究其对肿瘤细胞的化疗与光动力学治疗的协同治疗效果，治疗效果被荧光及MRI双重检测方法证实(图3)。Tshangana等[23]合成的多功能影像诊断与治疗纳米粒子为ClInPc(COOH)8-QDs-MNPS，MNPS为Fe3O4，QDs为GSH-CdSe@ZnS，整体粒径约82 nm，由于量子点的能量转移作用，ClInPc(COOH)8中酞菁PDT作用增强。

4.纳米TiO2类Fe3O4多功能磁性纳米粒子的研究进展

纳米TiO2为新型光敏剂，在紫外光(hυ≥3.0 eV)照射下，产生的活性氧与空穴等组分能氧化肿瘤细胞内外的生物大分子(如脂类、蛋白质、酶类和核酸等)，破坏其正常生理代谢过程，导致肿瘤细胞调亡或坏死[24]。Wang等[25]合成的多功能纳米粒为Fe3O4-TiO2，在紫外光激发下产生活性氧(reactive oxygen species, ROS)，抑制肝癌细胞的增殖，通过阻滞细胞周期G0/G1期变，降低线粒体膜电位使得线粒体去极化，最终诱导细胞凋亡。Yu等[26]构建的多功能纳米粒子为Fe3O4@TiO2@mTiO2-DOX/siRNA，由于新型光敏剂TiO2的存在，体外激光照射后可引起肿瘤细胞的凋亡，细胞内检测到大量单线氧；经MRI证实，体内PDT治疗2周后可导致肿瘤缩小(图4)。Zeng等[27]合成的纳米粒子为Fe3O4-TiO2，体外作用于MCF-7细胞，MR T2WI显示肿瘤组织的信号明显减低；与对照组比较，紫外光照射后细胞的死亡率更高。Liu等[28]合成的纳米粒子为Fe3O4@ TiO2-DNM，其中柔毛霉素(daunomycin，DNM)可使肿瘤细胞停在分裂间期S期和抑制肿瘤细胞G2/M期转变，抑制细胞增殖，在紫外光照射下可引起肿瘤细胞凋亡，是集化疗、光动力学治疗和MRI多种功能的纳米粒子。

图2 Fe3O4-PEG2K-FA@Ce6纳米粒子的构建及体内PDT及MRI示意图(引用自文献[16])。图3 Fe3O4@mSiO2@lipid-PEG-methotrexate (FMLM)多功能纳米粒的构建及体内MRI及PDT治疗示意图(引用自文献[22])。

图4 Fe3O4@TiO2@mTiO2-DOX/siRNA多功能纳米构建及体内PDT及MRI实验示意图(引用自文献[26])。 图5 C60/ Fe3O4-UCNPs@DTX@SNSC构建及体内MRI及PDT治疗示意图(引用自文献[30])。

5.富勒烯类Fe3O4多功能磁性纳米粒子的研究进展

富勒烯(C60)是一个由12个五元环和20个六元环组成的球形三十二面体，它的外形酷似足球，特殊的几何结构, 使它具备一些独特的物理和化学性质，也具有一些独特的生物学效应，其中最突出的生物学效应是C60的光动力学作用。C60在光照下被激发，从基态C60跃迁到三重态, 产量很高, 三重态的C60很容易被O2猝灭 ，生成单线态氧1O2，其量子产额高于目前被用于临床的光敏剂血卟啉[29]。表面可修饰水溶性基团，如-OH、-COOH和-NH2等，合成富勒烯衍生物，增加水溶性同时与靶向分子及显像剂等进一步反应可构建复杂的多功能C60纳米粒子。Du等[30]利用N-琥珀酰基-N'-4-(2-硝基苄氧基)-琥珀酰-壳聚糖胶束(SNSC)构建C60/Fe3O4-UCNPs@DTX@SNSC，与MCF-7人乳腺癌细胞培养72 h后进行PDT治疗，结果显示C60光动力学治疗联合多烯紫杉醇DTX化疗比单纯化疗更有效，肿瘤细胞内检测到大量活性氧ROS；活体小鼠腋下S180肉瘤模型在PDT治疗2周后，肿瘤抑制率达70%；将其应用于 活体小鼠腋下S180肉瘤模型后进行MRI，2 h后T2WI上肿瘤信号降低，表现为明显负性强化(图5)。Shi等[31]构建的富勒烯-氧化铁-聚乙二醇-叶酸(C60-IONP-PEG-FA)靶向纳米粒子，体外对乳腺癌MCF-7进行PDT治疗，细胞凋亡率达73.7%，细胞坏死率可达10.1%，体外对MCF-7细胞进行MRI，T2WI上随加入的靶向纳米粒子浓度的增大，肿瘤的T2负性强化越显著；将此纳米粒子应用于小鼠腋下S180肉瘤活体MRI，用药3 h后肿瘤出现明显T2负性强化，肿瘤信号减低变黑；将其应用于活体PDT治疗，2周后肿瘤缩小，62%的肿瘤细胞发生凋亡。Du等[32]成功合成C60- Fe3O4-PEG-folate/DTX多功能靶向热敏感脂质体，C60表面连接Fe3O4并由聚乙二醇包被，具有靶向MRI、C60光动力学治疗及多烯紫杉醇化疗等多种功能于一体；体内外肿瘤MRI可见明显负性强化，T2WI信号减低；C60被激发后诱发肿瘤细胞产生活性氧ROS，并进一步触发多烯紫杉醇释放，光动力学PDT治疗配合化疗，选择性杀死癌细胞效果显著。

综上所述，Fe3O4-光敏剂多功能磁性纳米粒子可应用于肿瘤的诊断、治疗、监测和疗效评估等。但如何提高光敏剂装载量从而提高光动力学治疗效果、如何有效包被纳米粒避免其活体内被网状内皮系统吞噬而提高生物利用率和MRI增强扫描的效果，以及如何降低成本来满足临床需要等，尚需不断的探索和研发才能实现。