Fe3O4作为药物载体在抗肿瘤领域的应用

赵 琴

(湖北科技学院药学院，湖北 咸宁 437100)

自20世纪70年代中期以来，磁性材料被越来越多的应用于生物医学领域[1]。Fe3O4是一种常见的磁性材料，也是唯一被FDA批准应用于临床的磁性纳米材料[2]，Fe3O4具有可控的尺寸，范围从几纳米到几十纳米，另一方面Fe3O4具有超顺磁性，很容易被外部磁场磁化，去除磁场源可以立即再分散，其独特的磁学性能和物理性质，可用于药物靶向运输和细胞分离、磁热疗和磁共振成像(MRI)等。

Fe3O4磁性材料作为药物载体有许多独特的优势和应用价值：①无毒副作用，只有在浓度大于100μg/mL时才会对细胞有损害[3]；②比表面积大，可以装载大量的药物分子，较低浓度的磁性纳米颗粒就能到达肿瘤部位，产生良好的治疗效果，比化疗效率高；③Fe3O4具有F-O基，可以在表面引入一些官能团，再与药物分子结合，定点靶向到达肿瘤部位；④具有很好的生物相容性。Wang等[4]通过改进的共沉淀法合成了尺寸均匀、粒径小的Fe3O4纳米粒子，该Fe3O4纳米颗粒不仅具有良好的磁学性能，而且在细胞活力和溶血试验中显示出良好的生物相容性、稳定性和较低的毒性。Jiang等[5]制备了具有核-壳结构的磁性介孔纳米复合材料(Fe3O4@SiO2@-LDH)，平均直径约100nm，作为甲氨喋呤(MTX)的载体用于癌症治疗，表现出更高的超顺磁性行为和生物相容性，而载体几乎无毒。

1 Fe3O4磁性材料的制备方法及表面修饰

1.1 Fe3O4磁性纳米颗粒的制备方法

Fe3O4制备方法简单，价格低廉，可根据需要制备不同规格的产物，可采用物理方法、化学方法和生物学方法进行制备[6]。化学合成法是比较成熟的制备方法，它能有效控制粒子尺寸、形状、分散性、结晶度和磁学性能，往往被作为首选制备方法，将含有Fe2+和Fe3+的可溶性盐按一定的比例配置成溶液，再加入沉淀剂使其形成Fe3O4纳米粒子，再经过洗涤、干燥就得到想要的产物。其反应原理为：Fe2++2Fe3++8OH-→Fe3O4↓+4H2O。

目前很多研究都采用共沉淀法制备纳米Fe3O4。严喜鸾等[7]采用化学共沉淀法制备出纳米Fe3O4，同时采用油酸对其进行表面修饰，利用盐酸多巴胺对其进行改性，氨基改性的Fe3O4纳米粒子分散性好、稳定性好。胡紫阳[8]用柠檬酸钠对制备好的纳米Fe3O4粒子进行表面修饰，制备出表面富含羧基，具有良好分散性和稳定性的Fe3O4-CA磁性纳米粒子。

1.2 Fe3O4的表面修饰

Fe3O4具有立方反尖晶石型结构，比表面积大，易于和其他活性基团偶联，使之富含氨基、羧基、环氧基等多种活性基团，以此来结合高分子链，制备出各种多功能复合材料，如亲水性材料聚乙二醇、聚氧乙烯、聚山梨酯80、西曲溴铵、泊洛沙姆、油酸钠等。表面改性的方法主要有聚合反应、化学接枝、吸附沉积等。

通过对Fe3O4表面修饰，不仅可以改善粒子团聚程度提高分散性，还可以提高载药能力、生物相容性、稳定性、靶向性等其他特性。例如经PEG修饰后的颗粒稳定性和空间位阻提高，可抑制蛋白的吸附，大大提高材料的血液相容性，减少巨噬细胞的吞噬和网状内皮系统的吸收。此外，聚乙烯亚胺(PEI)、聚氧化乙烯(PEO)、壳聚糖、环糊精、白蛋白、葡聚糖、淀粉等修饰的磁性Fe3O4纳米颗粒均具有良好的生物相容性。张坤等[9]采用柠檬酸和双羰基化的聚乙二醇合成了具有磁靶向性的Fe3O4@PEG，构建阿霉素载药系统，载药率为85%，药物在特定的生理环境中释放，提高了智能响应。发挥多重靶向功能，目前已经成功应用的靶向试剂有叶酸、促黄体激素释放激素(LHRH)、磺胺、各种缩氨酸受体和直接结合于细胞表面的单克隆抗体等。黄丽珍[10]采用化学共沉淀法制备Fe3O4磁性纳米粒，磺酰化的β-环糊精与氨基化的Fe3O4进行缩合，成功制备出β-环糊精修饰的磁性Fe3O4，作为盐酸阿霉素的载体用于抗肿瘤治疗。Moorthy等[11]报告了多巴胺-尿素有机硅烷(DPU)复合物介孔二氧化硅磁性材料的合成，合成的材料具有高表面积(386m2/g)，大孔径(4.5nm)和均匀的颗粒，其中磁性Fe3O4纳米颗粒在孔壁的外表面，颗粒尺寸约为5～10nm。Fe3O4@DPU@MSH显示出高的载药能力，pH响应和温度响应，提高了药物释放效率；同时MTT测定分析和细胞内摄取研究结果表明，合成的Fe3O4@DPU@MSH材料具有很好的生物相容性，是一种很有前景的药物输送和磁热疗材料。

2 磁性Fe3O4作为药物载体在抗肿瘤领域的应用

目前抗肿瘤药物主要存在以下问题：①体内分布广泛;②多数为非选择性药物，缺乏对病理部位的特异性亲和力;③总剂量大，药物局部治疗浓度低;④非特异性毒性等高药物剂量引起的不良副作用等。而磁性药物靶向治疗可以很好地解决这些问题。

肿瘤磁靶向治疗是利用具有一定磁性的载体，携带化疗药物或其他杀伤肿瘤细胞的活性物质在体外磁场下选择性地运送至肿瘤部位，把治疗作用或药物效应尽量限定在特定的靶细胞、组织或器官内，减少对正常细胞、组织或器官功能的影响，提高疗效、减少毒副作用的一种方法[12]。磁场相对于生物体、人体组织而言具有穿透性。因此，可以利用磁性纳米粒子作为药物载体，将药物输运到人体的病灶部位，目前研究较多的为抗癌药物的磁靶向治疗，比如姜黄素、阿霉素、柔红霉素、紫杉醇和喜树碱等。

2.1 药物靶向递送

磁靶向(magnetic targeting)是借助磁性复合载体，经磁场引导将药物输送至肿瘤部位，发挥疗效[13-14]。常见的磁靶向制剂基本上是将纳米粒、脂质体等制剂与磁性成分通过物理化学方法结合在一起制成。Yu等[15]报道了载有阿霉素的热交联超顺磁性氧化铁纳米颗粒(DOX@TCL-SPION)具有pH敏感性。通过带有电荷的DOX和带负电的聚合物之间的共价静电作用，DOX载入聚合物TCL-SPION壳中，在pH5.1醋酸盐缓冲液中，药物在50min内释放约60%。Cheng等[16]报道有pH敏感性的Fe3O4多孔中空纳米粒子(PHNPS)可以被用作顺铂递送载体，用于乳腺癌SK-BR-3细胞的靶向治疗，且在酸性作用下导致颗粒上更大的空隙，然后促进顺铂的释放，在pH5.0时顺铂释放速度比其在生理条件下(pH7.4)快4倍。

第一个使用磁性微球(MMS)的临床癌症治疗试验是由Lübbe等[17]执行，用于治疗14例晚期病人，直径约100nm的磁性微球装载表阿霉素，I期研究结果清楚显示其低毒性和在靶部位的积累；但是MRI测量结果表明，超过50%的MMS已经进入肝脏。这可能是由于颗粒尺寸小而且磁化率低限制了将它们保持在目标器官的能力。Morimoto等[18]开发了包含抗癌药物的白蛋白微球，在大鼠皮下肿瘤中，使用磁性颗粒，摄取比例70%，而在没有使用磁性颗粒的情况下，只有27.4%。磁疗药物治疗癌症技术不仅限于此，以这种方式给药的其他药物包括抗生素、溶栓剂、抗炎症、多肽和类固醇等。

2.2 光热治疗和联合治疗

光热治疗(photothermal therapy，PTT)是近年来发展的一种新兴的肿瘤治疗方法[19]，主要利用近红外光激发光敏剂产热，杀死肿瘤细胞。Fe3O4属于T2造影剂，在近红外区域有吸收，可用于肿瘤热疗。超顺磁性纳米颗粒产热机制是在交变磁场作用下，通过磁滞损耗吸收大量磁场能量，产生热量，将靶部位加热到有效治疗温度，利用这一点杀灭癌细胞。且纳米颗粒具有靶向性，使其只在肿瘤组织中产生热量，治疗局限于肿瘤病变部位，而不损伤正常组织从而达到治疗肿瘤的目的。国内外已有不少关于肿瘤热疗方面的研究，取得了一定的成果，但如何选择合适的交变磁场、提高辐射-热转换效率、热量优化等仍需进行深入研究。Jordan等[20]使用磁性纳米粒子进行肿瘤热疗，并将这种新方法称为磁流体热疗(magnetic fluid hyperthemia，MFH)。有研究[21]报告了磁性纳米颗粒(RAIN)诱导一种不耐热的产品凋亡。RAIN由热休克蛋白(Hsp)抑制剂和磁性纳米颗粒(MNP)组成，当应用交变磁场(AMF)时，RAIN产生热量并释放Hsp抑制剂，以阻断Hsp的保护功能，最终导致更多有效的细胞凋亡。

单一的传统肿瘤治疗方法效果不佳、靶向性差、副作用大，发展新型的治疗手段就显得尤为重要。传统的化疗手段与磁热治疗(magneto-thermal therapy)、光动力治疗(photodynamic therapy，PDT)、声动力治疗(sonodynamic therapy，SDT)等新型治疗方法相结合，不仅可以解决化疗带来的痛苦，而且能够提高肿瘤的治疗效果。Johannsen等[22]把磁流体热疗与放疗结合起来对移植性前列腺癌的Copenhagen老鼠模型进行实验，热疗温度可达到42.7℃～58.7℃；两个疗程后，与对照组比较，抑瘤率达87.5%～89.2%。

2.3 基因治疗

基因治疗是一种很有前景的微创疗法，通过干扰siRNA从而干扰特定疾病的表达基因，磁性纳米颗粒可用于siRNA的递送，且该材料具有良好的生物相容性，优越的成像特性，易于表面修饰和转染效率高等性能，提高了基因治疗效率，有着广泛的应用前景。邓雯等[23]构建了聚乙烯亚胺(PEI)修饰的Fe3O4磁性纳米粒，首次在鼻咽癌细胞中应用PEI-Fe3O4磁性纳米粒作为载体转染干扰质粒，并在体外证实了其能有效转染鼻咽癌细胞，是一种较为理想的基因转染载体。

2.4 磁共振成像技术

磁共振成像技术(MRI)是一项先进的医学影像诊断技术，可用于对内脏器官和软组织进行无损的快速检测，已广泛用于肿瘤筛查。Fe3O4属于T2造影剂，通过改变弛豫速率使得成像部位的图像更暗，增加分辨率。磁性纳米粒子螯合Ga(Ⅲ)为Fe3O4@SiO2-APTES-DTPA-Ga-DOX载体[24]进行放射性标记DTPA离子，可用于正电子发射断层扫描，预计可应用于诊断治疗领域。Grootendorst等[25]研究发现超顺磁性纳米粒(Endorem®)在生物组织中具有良好的光声成像效果，作为光声成像造影剂实现了肿瘤在淋巴系统中的成像。Al Faraj等[26]研究了磁性单壁碳纳米管SWCNTs负载多柔比星治疗肺部肿瘤，结果提高了靶向定位效果和治疗效率，开发了一种新的诊断和治疗方法。

3 结 语

Fe3O4作为药物载体有极大的应用价值，尤其是在癌症治疗中起着重要的作用，具有非常广阔的应用前景，但其靶向定位、磁热转化、联合治疗等方面还有待深入研究，比如双重靶向和多重靶向等。目前对Fe3O4作为载体的研究大多处于实验室和动物研究阶段，还有很大的研究空间，真正应用于临床也需要更深入的研究。