磁性氧化铁纳米粒在肿瘤诊疗一体化中的应用

龚斯曼，蓝思逸，李 菁，孙敏捷

(中国药科大学药剂学教研室，南京 210009)

Funkhouser在2002年首次提出“诊疗一体化/theranostics”[1]，其定义为根据疾病状态调整治疗方式。随着纳米材料的研究在现代医药领域的迅速发展，仅用于药物递送的纳米载体已无法满足人们对肿瘤精准治疗的要求，而同时具备临床诊断和治疗能力的诊疗一体化制剂成为科研工作者热切关注的突破点，人们期望通过对药物载体和肿瘤组织的实时监控，及时调整治疗方案，减少药物的不良反应，增强肿瘤治疗的高效性和准确性，实现精准治疗[2-3]。

1 磁性氧化铁钠米粒(IONP)的特性与研究

近年来，IONP由于其独特的理化性质在纳米医学领域展现出多种应用途径[4]。通过对粒径、磁化强度等理化性质进行设计，IONP可对周围水分子产生特定的弛豫影响，改变水分子的磁共振信号，增强其所在部位与周围环境的图像对比度，为肿瘤生理状态提供更加清晰的分析图像，吸引了科研工作者对其在肿瘤诊断领域的研发兴趣[5]。另外，IONP具有磁性纳米材料的基本性质：粒径小、比表面积大，表现出优异的超顺磁性[6-7]，即可在外部磁场中迅速磁化，磁场撤去后迅速消磁，避免了粒子之间的聚集，分散性好。IONP的磁响应性较强[8]，能在恒定的外部磁场中实现定向聚集，在交变磁场中将电磁波转化为热能。再加上其优异的表面可修饰性[9-10]，易于偶联多种配体等特点，IONP在肿瘤精准治疗领域具有广泛的应用，例如：药物靶向[11]、基因递送[12]、肿瘤热疗[13]和磁分离[8]等。

根据对IONP上述性质的研究，IONP具有很好的肿瘤成像诊断和精准治疗能力，是诊疗一体化领域中重要的一部分。

2 IONP在肿瘤诊断与治疗中的应用

2.1 磁共振成像(MRI)

MRI是使用最广泛和最实用的成像技术之一，主要是利用水分子在生物体组织结构内的不同状态，在磁场中产生特定的MRI信号，通过加权拟合后形成具有明暗差异的灰度图像，反映各组织器官的生理状态[14]。MRI无电离辐射损害，易于从各个方位实时检测人体的病变部位，具有较高的安全性，可提供丰富的诊断信息。MRI对软组织的成像效果较好，能检测出各种恶性病变和组织坏死，但固有的成像灵敏度不高，无法对某些病变组织提供准确的诊断图像，需要外加造影剂来提高成像的清晰度[15]。造影剂的成像效果具有一定的差异，可分为两类：阳性造影剂通过缩短水分子的纵向弛豫时间(T1)，提高纵向驰豫率(r1)，所得的T1加权图像变亮[16]；阴性造影剂通过产生磁场局部干扰水分子信号，缩短横向弛豫时间(T2)，提高横向弛豫率(r2)，降低T2加权图像的亮度[17]。其中，驰豫时间指的是发生共振的高能原子恢复到原低能状态所需要的时间；弛豫率反映了单位浓度粒子缩短体系内质子弛豫时间的效率，是考察造影剂造影能力的重要指标之一，弛豫率越高，成像效果越好。因此，造影剂的加入，影响了水分子的弛豫时间，增大病灶和周围正常组织的明暗差异，提高了MRI的分辨率。

磁性氧化铁纳米粒(IONP)具有独特的化学稳定性、较高的磁化强度、优异的弛豫性能和较低的生物毒性，可以通过控制粒径、设计形貌、诱导自聚和表面修饰等方法改变理化性能，从而被广泛地应用于医学核磁诊断领域。

2.1.1 T2造影剂 超顺磁性氧化铁纳米粒(SPION)常用于T2加权MRI，其表面的Fe3+带有5个未配对电子，具有强磁矩，电子自旋产生的局部不均匀磁场会明显缩短周围水分子的T2，使其横向弛豫信号降低，图像变暗，增大了与临近区域的信号对比。Zhou等[18]通过对SPION尺寸和几何形状的控制，人为地调节纳米粒所产生局部磁场的不均匀性，提高其T2弛豫度，为高性能T2造影剂的设计提供思路。同时，在一定条件下，SPION的磁矩随着粒径增大而增大，T2成像效果也随之增强。因此，可采用高分子材料包裹多个SPION或诱导其发生自聚，增加粒径，提高成像效果，Wu等[19]用新型的两亲性共聚物(PAsp-PCL)包裹磁性纳米粒，形成负电性的纳米聚集体，显著提高了T2成像效果。

对于肿瘤诊断而言，提高造影剂在肿瘤部位的浓度，可极大地提高肿瘤与周围组织的明暗对比度，提供更准确的诊断信息。研究人员用树状高分子材料包裹Fe3O4纳米粒，表面负载PEG及叶酸，通过叶酸将Fe3O4主动靶向到肿瘤，提高了对肿瘤的成像诊断效果[20]。Gao等[17]设计出肿瘤微环境刺激响应型的Fe3O4纳米粒，该纳米粒到达肿瘤部位后，在高浓度谷胱甘肽的作用下，自发团聚成Fe3O4聚集体(图1)，增加了Fe3O4在肿瘤部位的浓度与滞留时间，具有很好的靶向性和成像能力。

IONP作为T2造影剂，可使造影部位产生的暗信号更接近于背景信号，常与组织出血、组织空气边界或金属沉积等其他易感伪影的信号区域混淆，难以区分T2标记的病灶[21]。同时，T2造影剂的高磁矩会引起局部磁场的扰动，产生所谓的“绽放效应”，夸大标记区域的大小，易使背景图像失真，造成疾病诊断不准确。因此，负对比效应和磁化伪影成为制约IONP应用于T2模式MRI的关键因素。

图199mTc修饰的Fe3O4纳米粒在高表达GSH的肿瘤微环境中自聚集

2.1.2 T1造影剂 T1加权效应是由水分子和造影剂分子的电子自旋相互作用引起的，在动物组织的成像过程中，T1通常比T2长得多，意味着当T1造影剂与T2造影剂的弛豫率相同时，T1加权图像更加清晰[22]。因此，T1造影剂的对比效果强于T2造影剂，更适合高分辨率的精确成像。对于IONP而言，固有的强磁矩导致其r2增大，r2/r1的比例也随之增大，难以应用于T1成像。但当其粒径减小之后，表面的磁各向异性及自旋紊乱减弱，磁矩迅速降低，减弱了T2效应。同时，增大的比表面积暴露出更多的未配对电子，增强了T1效应。因此，具有良好水溶性和单分散性的超小超顺磁性纳米粒(USPIO)成为T1造影剂的潜在候选者，成为近年来的研究热点。

Kim等[21]用铁-油酸混合物在油醇中进行热分解，合成了粒径小于4 nm的USPIO，该纳米粒粒径均匀，r1达到4.78 L/(mmol·s)，可清楚观察到直径为0.2 mm的血管形态。在提高磁性纳米粒T1成像效果的同时，如何控制造影剂的肾清除率，也成为研究重点。Wei等[22]用两亲性材料包裹的USPIO，制备出具有3 nm Fe2O3内核及1 nm亲水外壳的纳米粒，该粒子可稳定地将体内铁含量控持在理想范围内，表现出良好的生物相容性。除了减少纳米粒粒径的方法外，研究者也采取各种改进金属晶格化学结构的方法改善IONP的纵向弛豫性能。Clavijo Jordan等[23]采用无机化学掺杂的方法，将氧化铁和钨掺杂进脱铁铁蛋白结构中，集中组成原子的磁矩，从而创造出一种具有高金属负载能力的顺磁性T1造影剂，r1高达4 870 L/(mmol·s)，r2/r1仅为1.86，可作为优异的T1造影剂。Zhang等[24]设计了一种同步动态热分解(DSTD)法用于控制合成单分散性MnFe2O4金属铁盐纳米粒，该方法通过调整纳米粒的化学组成，促进核掺杂过程，可有效控制纳米粒的粒径及分布，产物粒径小于4 nm，分布均匀，r1达8.43 L/(mmol·s)，并在细胞和动物水平证明其良好的生物安全性。

2.1.3 T1/T2双模造影剂 从以往的研究来看，MRI的单一成像方式分别有其固有的优点和劣势，阳性造影剂可增亮T1图像，显示出较高的组织分辨率，但其粒径通常小于5 nm，易通过肾被迅速排出体外，导致成像时间较短。阴性造影剂变暗T2图像，有利于软组织成像，但易出现磁化伪影。单一的成像模式很难快速获得成像部位的所有细节信息，难以满足更高要求的临床诊断和医学研究。因此，可提供多方面诊断信息的T1/T2双模成像成为诊断技术领域的重要发展趋势，双模成像弥补了单模的局限性，表现出重要的临床意义。

Jung等[25]通过设计不同的成像模式，实现对IONP双模成像效果的优化，快速低角拍摄模式(FLASH)可获得较强的血管负对比信号，易于识别数量更多的血管分支，用以描绘血管模糊区域。同时超短回声成像模式(UTE)增强血管/组织的正性对比度，消除了假负对比区域的影响，达到了更好的血管成像效果。Yang等[26]系统全面地分析了形貌对IONP弛豫率的影响，纳米粒的形貌影响其有效半径，在饱和磁化强度值相近的情况下，有效半径越大，T2弛豫率越高；比表面积越大，暴露的表面有效金属离子越多，T1弛豫率越高。该研究明确了纳米粒形貌对于不同成像模式的影响，可作为设计高性能纳米造影剂的指导原则。

同时，根据IONP粒径影响成像效果的特性和肿瘤特异性，研究者对IONP进行功能化修饰，设计出针对于肿瘤诊断的T1-T2转化双模造影剂。Wang等[27]设计出T1-T2转化型的超细氧化铁纳米粒(UIONP)，该纳米粒约为3.5 nm，弥散在肿瘤血管及周围区域时表现为T1“亮”对比，到达酸性的肿瘤微环境后自组装尺寸变大，使肿瘤呈现T2“暗”对比，增强了肿瘤与周围组织的明暗差异(图2)。同时，UIONP易于透过破损的肿瘤血管深入到肿瘤内部，粒径变大后难以通过血液和淋巴管回流重新进入体循环，实现了造影剂高效的肿瘤靶向递送和瘤内滞留。Zhou等[28]也通过相似的设计，利用透明质酸在肿瘤内特异性降解的性质，实现生物体的体循环T1成像和肿瘤T2成像。

图2 具有T1-T2MRI转换性能的UIONP用于增强肿瘤EPR效应和瘤内聚集

综上所述，IONP具有良好的生物安全性，并且在不同的条件下呈现不同的MRI效果，是构建具备疾病诊断性能的多模态造影剂的理想平台。

2.2 肿瘤精准热疗

研究发现，肿瘤内部血管分布杂乱，形态异常，血流较为缓慢，产生的热量难以迅速扩散，易发生积累，损伤肿瘤内脆弱的毛细血管壁，而正常细胞由于其良好的散热能力，可耐受较高的温度。因此，肿瘤更易受到热刺激而导致组织损伤[29]。肿瘤热疗即根据不同细胞对温度的耐受差异，对肿瘤部位进行加热，实现肿瘤精准治疗。

2.2.1 红外光产热 光热治疗(PTT)是指将特定的光热材料聚集到肿瘤部位后，在特定光照下，光热材料吸收光能后释放出热能，升高照射部位的温度，对肿瘤细胞进行热杀伤[30]。PTT具有准确度高和副作用小的优良性质，是一种重要的微创肿瘤治疗策略。

理想的光热材料需要具有强近红外吸收和低荧光产出，能够较少地进行荧光发射，有效地将更多的光能通过非辐射跃迁转化为热能[31]。IONP在近红外区有吸收，具有作为光热材料的潜力，但其摩尔吸收系数较低，单用时难以达到理想的光热治疗效果，因此常与其他光热材料联合使用[32]。Lin等[33]通过原位自组装法在Fe3O4上包覆聚多巴胺(PDA)，PDA具有理想的近红外吸收和光热转化效率，能够显著改善光热治疗效果。另一方面，IONP的光热效果也为药物的增效和控释提供思路。Feng等[34]制备了包覆葡萄糖(GOD)的Fe3O4/聚吡啶纳米复合物，GOD在葡萄糖氧化酶的催化下产生大量的H2O2，激光照射后，Fe3O4产热使肿瘤温度升高，加快Fe3+催化H2O2生成高毒性的OH，杀伤肿瘤细胞，实现了光热治疗和光热促进的化学动力学协同治疗，显著提高抗肿瘤效果。Wu等[35]制备了药物温敏释放的多功能纳米粒，该纳米粒能在近红外光激发下迅速产热，当温度升高至43 ℃时，化疗药物与纳米载体间的共价连接键发生断裂，实现了光热诱导的药物可控释放。

更重要的是，PTT可通过对成像诊断结果的分析，调整激光照射时间，在光热材料聚集到肿瘤部位时进行照射，可达到更好的治疗效果，具有一定的实时可调控性[30]，是诊疗制剂中最常见的治疗策略之一。Yu等[36]的利用骨髓源性抑制细胞膜包覆IONP，形成的纳米粒能够主动靶向到肿瘤部位，在MRI的指导下进行光照，同时诱导免疫原性细胞死亡，降低肿瘤代谢活性，极大地增强抗肿瘤效果。Wang等[37]开发Fe3O4@Au纳米粒(SPs)作为多模成像指导光热/光动治疗的诊疗一体化制剂，SPs具有良好的光热转换效率和光热稳定性，同时具备计算机断层扫描、光声成像和MRI的三模成像性能，可为肿瘤后续的光热/光动力联合治疗提供准确的指导，具有较好的临床应用前景。

2.2.2 交变磁场产热 光热治疗应用广泛，对光热材料及近红外光的性质研究较为成熟，但近红外光的穿透能力较弱，不利于杀伤深层的肿瘤组织。而磁场可穿透全身，肿瘤磁热疗具有明显的治疗优势，是一种有潜力的非侵入性疗法[38]。人体是磁场的优良导体，体内的磁流体可在高穿透性交变磁场的反复磁化下，通过磁滞和布朗弛豫效应大量吸收电磁波的能量，转化为热能，实现感应发热(即磁热效应)，使肿瘤温度迅速升高，实现肿瘤深层热疗，快速抑制和杀伤肿瘤细胞[39]。值得注意的是，在实际应用的过程中，变化的磁场会在生物体内产生涡电流，需根据正常组织对涡电流的最大耐受程度控制磁场的强度[40]。同时，与光热治疗相比，磁热疗效果的影响因素较多，需对磁性纳米材料和交变磁场的各方面性质进行较为严格的优化和控制[41]。

IONP作为一种磁流体，具有磁热疗潜力。然而，IONP的传热效率相对较低，需要设计具有更高性能的结构，增强磁热效果。Ding等[42]设计出一种具有杂聚体结构或核-壳结构的铁-银杂化纳米粒(图3)，可在特定磁场下表现出优异的磁热效果，显著抑制肿瘤细胞生长。Di Corato等[43]开发了一种负载光敏剂的磁性脂质体纳米粒，可结合光动力治疗和IONP介导的磁热疗，有效诱发体外肿瘤细胞凋亡和体内实体瘤热消融。光热治疗和磁热治疗的联用也可产生协同增强的治疗效果。Espinosa 等[44]通过热分解法制备了具有特定近红外吸收的Fe3O4纳米粒，将其置于交流磁场和激光照射时，产热效果是磁场产热的2～5倍，肿瘤温度明显升高，具有高效的双模态热转换能力，实现了低铁剂量的肿瘤精准热疗。

图3 核-壳结构或杂聚体结构铁-银杂化纳米粒的形成过程

2.3 精准药物递送

由于肿瘤组织无限扩散，生长迅速的特性，其微环境具有特定的生理特点：肿瘤细胞膜高表达多种受体：叶酸受体[45]、CXCR4受体[46]、CD44受体[47]等；肿瘤生长产生大量的酸性物质，导致微环境的pH较低(pH 6.2～7.2)，区别于正常生理环境(pH 7.4)[48]；肿瘤血管的快速生长导致血管内皮细胞间隙增大，呈现多孔结构[49]。根据肿瘤组织的特异性，抗肿瘤药物可负载到IONP上，通过多种方式靶向递送到肿瘤部位。IONP具有优异的载体性质：良好的表面可修饰性，经靶向分子修饰后可将药物主动靶向到肿瘤部位；粒径合适，可通过破损的肿瘤血管选择性进入肿瘤组织，实现药物在实体瘤内EPR被动靶向递送[50]；良好的磁响应性，可在磁场的作用下靶向富集到肿瘤组织，实现药物精准递送[51]。

磁靶向是磁性材料特有的肿瘤靶向方式，与配体主动靶向相比，磁靶向具有明显的优势，例如磁靶向由外加磁场产生驱动力，对生物体不产生直接的损伤；磁靶向的效果可通过调整磁场的强度及方向实时调控，易于对药物载体实现精确的指导。但影响磁靶向效果的因素较多，临床应用的难度较大，例如生物体的内部环境会对靶向效果产生影响，磁性药物载体的性质仍需进一步完善。更重要的是，磁靶向要求提供精确可控的磁场，需对磁场强度、类型、梯度及作用时间等方面进行精准控制，难以应用于复杂的临床治疗。同时，磁靶向更适用于体表肿瘤的靶向，对深层肿瘤靶向效果较差[52]。因此，实际的研究中仍多用配体主动靶向实现精准的肿瘤治疗。

2.3.1 化疗药物递送 化疗是目前肿瘤疗法中应用最广泛的一种，然而其副作用大，治疗效率低，还可能产生多药耐药影响疗效[53]。IONP可通过物理吸附或化学结合负载化疗药物，将其有效地递送至肿瘤部位，并控制药物在特定的肿瘤微环境中的释放，达到靶向治疗的目的，受到了广泛的关注[54]。

Huang等[45]用多元醇修饰法将PEG-PEI包覆到Fe3O4纳米粒上，然后吸附具有靶向功能的叶酸和化疗药物阿霉素(DOX)，该纳米粒在叶酸的作用下主动靶向到肿瘤部位，并在酸性环境中快速释放药物。Fe3O4纳米粒作为磁性材料，也可通过磁靶向递送化疗药物。Nowicka等[55]用C6化合物连接Fe3O4纳米粒和DOX，在外加磁场作用下，Fe3O4能够将DOX靶向递送至人体膀胱癌区域，表现出较好抗肿瘤效果。另外，化疗药物的递送也可结合成像技术，实现诊疗一体化。Yang等[56]在WS2表面吸附氧化铁纳米粒，并包覆上SiO2和PEG，表面负载DOX，实现磁共振成像指导下PTT/化疗联合治疗。Shen等[57]设计了可精确控制IONP粒径的共沉淀合成法，并构建了基于粒径为3.6 nm IONP的药物递送系统，在IONP表面附着靶向配体RGD2和DOX，不仅可用于高分辨率的T1加权MRI，还可用于药物的主动靶向递送，实现肿瘤精准治疗。

2.3.2 基因递送 肿瘤的基因治疗是指通过修正与肿瘤发生发展相关基因的表达，破坏肿瘤细胞的生长，防止基因突变后肿瘤的恶化与转移，对于难以治愈的晚期肿瘤效果较好，有无可取代的优势[58]。基因治疗与基因载体密不可分，单独的基因片段进入体内后易被体液或酶迅速降解，核酸也会排斥具有相同电性基因片段的穿膜和靠近。因此，优良的基因递送系统至关重要，需要能够减少基因的酶降解并增强其细胞内化，提高抗肿瘤疗效[59]。

当IONP作为基因载体时，可在外加磁场作用下负载治疗性基因进入靶向部位，具有良好的靶向性和较高的转染效率[60]。Choi等[61]制备了PEG化的腺病毒(Ad)-Fe3O4纳米粒，该纳米粒可在外部磁场中发生定向迁移，显著降低腺病毒的肝摄取，明显提高肿瘤细胞的基因转染效果。Yang等[62]设计了结合细胞穿膜肽、siRNA和Fe3O4纳米粒的脂质体，具有磁热双敏感特性，体内实验证明了其优异的抗肿瘤效果和基因沉默效率。

2.3.3 化疗药物/基因联合递送 由于肿瘤发展具有不确定性，单独的药物或基因治疗通常不能实现预期的治疗效果，因此，构建药物和基因联合递送模式尤为重要。联合治疗系统可将药物和基因同时富集到肿瘤部位，不仅通过化疗加速肿瘤的凋亡，还可以通过基因的校正和替换从源头上治愈肿瘤[63]。

Li等[64]构建了Fe3O4@mSiO2磁性纳米粒，并用PEI和叶酸进行表面修饰，共同递送基因药物VEGF shRNA和化疗药物DOX(图4)。在外部磁场的作用下，纳米粒可明显诱导肿瘤细胞凋亡，证明其具有药物治疗和基因沉默的肿瘤协同治疗能力。Jia等[65]设计出新型的诊疗一体化纳米聚集体，创造性地将无机纳米材料(Fe3O4纳米粒)、大分子(DNA)和小分子(DOX)进行整合，同时实现了药物的磁靶向递送、MRI和基因/药物协同治疗，这种多位一体的诊疗制剂能够联合成像诊断和协同治疗，极大地提高抗肿瘤效果，具有广阔的发展前景。

3 总结与展望

作为优化肿瘤治疗的新领域，诊疗一体化制剂能够在肿瘤早期阶段提供实时的诊断分析和成像指导下的个性化治疗，与传统肿瘤治疗相比具有一定的优势。随着科研人员对诊断剂的逐步开发与优化，实现诊疗一体化是肿瘤临床治疗的必然发展趋势。IONP作为一种具有高载药量和低毒性的成像材料，可用于实时监测肿瘤状态，研究开发成像指导下的肿瘤精准治疗。同时，通过对IONP合成和表面结构的优化，可将多种成像技术集合于同一种纳米材料，提供更准确可靠的疾病诊断信息，与热疗、化疗和基因治疗结合后，实现高效的肿瘤诊疗一体化。目前，IONP材料已在肿瘤诊疗一体化的新型纳米平台得到了迅速发展，为高度异质性肿瘤的有效治疗提供新思路。

图4M-MSN(DOX)/PEI-FA/VEGF shRNA纳米复合物的制备过程及胞内释放

尽管IONP的研究已取得令人振奋的重大进展，但目前国内临床铁基造影剂仅有铁羧葡胺一种产品，且为肝特异性造影剂，许多尝试仍处于概念验证阶段，要实现其在肿瘤治疗一体化中的临床应用还为时过早，仍需要克服许多挑战：更好地控制IONP的粒径与形态，使其更加均匀且具备超顺磁性，满足不同MRI效果的要求；IONP的磁响应性需要进一步增强，以实现高效的药物磁靶向递送；优化IONP的载药能力，避免药物在递送过程中渗漏，实现药物在病灶区域的可控释放；对其表面修饰进行优化，进一步提高IONP的生物相容性，并对其短期/长期毒性、生物分布和体内清除能力等进行评估。一旦这些问题得到解决，基于IONP的诊疗一体化纳米粒一定会在不久的将来应用于肿瘤临床治疗，为人类攻克肿瘤这一严重疾病创造新的希望。