磁性金纳米复合物的合成及其在诊断治疗中的应用*

尹梁澜， 兰晓莉， 张永学， 覃春霞

华中科技大学同济医学院附属协和医院核医学科，分子影像湖北省重点实验室，武汉 430022

在各种纳米材料中，金纳米材料由于具有良好的表面等离子共振效应[1]，以及易于修饰的表面活性[2]，使其在包括暗视野成像、光声成像、双光子荧光成像、拉曼成像和核素偶联的放射性成像等多种影像诊断，与光热治疗、光动力治疗、载药化疗以及联合治疗等诸多治疗手段上得到了广泛的应用[3-5]。尽管经过长时间的发展，金纳米材料的制备修饰都已经十分成熟，但在金纳米材料的合成过程中较高的成本和较长的体内循环时间[6-7]，仍然限制了金纳米材料的应用。

为了弥补单一纳米材料的缺陷，利用各种纳米材料不同特性来构建功能互补的纳米复合物如铂金纳米、磁性金纳米、纳米金包裹的碳纳米管等均已完成设计、合成和应用[6，8-9]。在各种无机、有机纳米材料中，磁性纳米材料如纳米四氧化三铁、γ-三氧化二铁、二氧化锰、钆等因兼有磁性、超顺磁性或是顺磁性的特性，常被用于催化反应、磁导向分离、磁共振成像和靶向纳米载药等领域[7，10-12]。但磁性纳米材料表面自由能较大，再加上其强磁偶极矩之间相互作用，容易发生团聚[13-14]。将金纳米与磁性纳米结合为磁性金纳米复合材料，使之兼具二者的特性，既能同时具备磁性以及等离子共振特性，也弥补了单一材料的不足，在生物传感器、催化反应、影像诊断、纳米载药、光热治疗以及作为诊疗一体剂等方面丰富和拓宽了纳米材料的应用[15-17]。本文主要综述磁性金纳米复合物的制备及其在疾病诊疗中应用的研究进展。

1 磁性金纳米复合物的种类与合成方法

磁性金纳米复合物具有多种多样的结构和形态，以核壳型磁性金纳米最为常见。通常按照其形态可分为球形、哑铃形、棒状、多面立方体形及花形等等。不同构象的磁性金纳米复合物可以用不同的方法合成，常用的合成方法包括：种子生长法、微乳液法、自组装法、化学还原法等[18]。

球形核壳型磁性金纳米是最常见的磁性金纳米结构，其制备方法多以合成的磁性纳米为核心，然后通过种子生长或者氧化还原反应来介导金壳的生长和合成[18]。由于纳米颗粒比表面积较大，表面活性高，易发生团聚和氧化，因而在合成过程中常常需要对其表面进行再修饰。Li等[19]以种子生长法制备了在体内可降解的球形磁核金壳纳米粒。而Danafar等[20]则是利用化学还原法，用Au3+使合成好的Fe3O4纳米粒表面被还原，形成球形的磁性金纳米粒。

此外，还可利用自组装法使修饰后的磁性纳米颗粒和金纳米颗粒通过某些反应自组装为球形核壳型磁性金纳米颗粒，譬如利用点击化学反应，用叠氮末端修饰的四氧化三铁(Fe3O4@Dop-PEG-N3)和炔基末端修饰的纳米金(Au@S2—PEG-C≡CH)在Cu(I)的催化下合成的磁性金纳米复合物[21]；以及使用带正电的聚醚酰亚胺修饰的磁性纳米粒(MagNPs@SiO2@PEI)与带负电的聚苯乙烯磺酸钠修饰的纳米金粒子(AuNRs@PSS)通过静电作用组装成为同时具有磁性和表面等离子共振效应的磁性金纳米颗粒[22]。

除了传统的球形磁性金纳米之外，还有许多其他形状的磁性金纳米复合物，其中一种哑铃状磁性金纳米就是利用五羰基铁[Fe(CO)5]在金纳米粒的表面通过氧化分解的方法[23]合成的。而Li等[24]则用热分解法合成了可调谐的八面体四氧化三铁纳米，在多聚赖氨酸的介导下将氯金酸在氧化铁纳米的表面还原成金纳米，最终得到了三-八面体的磁性金纳米复合物。Huang等[25]则是通过在粗糙的γ-Fe2O3纳米表面通过氧化还原反应形成金壳，产出了花形的磁性金纳米颗粒。

除上述磁核金壳型结构以外，Li等[23]用自组装法合成了金核磁壳的棒状磁性金纳米复合物，并通过调节反应体系的pH值与十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)的浓度，来保持氧化铁在金纳米棒上生长，同时控制反应生成的氧化铁种类，调节铁壳层厚。

2 磁性金纳米复合物的生物医学应用

磁性金纳米复合物兼具了金纳米及磁性纳米的特性，作为生物传感器、显像诊断剂、载药纳米、光热治疗材料以及诊疗一体剂被广泛应用于以肿瘤为主的多种疾病的诊疗中[26-30]。

2.1 磁性金纳米复合物用于生物传感器

在纳米生物传感器飞速发展的近些年，磁性金纳米复合物大放异彩，在核酸、特定蛋白、病毒和血液样本中特定细胞等的检测中展现了巨大的潜力[31-33]。

Zhang等[28]依靠静电作用，将带负电的四氧化三铁纳米吸附于带正电的金纳米棒上，合成了磁性金纳米复合物，并用磁铁将磁性金纳米棒固定在表面等离子共振传感器上，可以检测到浓度低至0.15 μg/mL的小鼠IgG，远低于使用巯基丙酸可检测到的2.5 μg/mL的小鼠IgG浓度。Oh等[32]则创建了基于复合磁性金纳米材料的纳米酶联免疫吸附实验法，成功将对流感病毒的检测浓度阈值，由5.0×10-12g/mL提升到了44.2×10-15g/mL。

2.2 磁性金纳米复合物用于影像诊断

许多在一定条件下合成与修饰的磁性金纳米复合物可用于多种不同成像方法下的影像诊断，譬如在拉曼成像中通过表面粗糙的金壳提高其表面增强拉曼信号[34]；或是在光声成像中利用金纳米优异的表面等离子体共振效应，实现其光声信号的增强[19]；以及在MRI成像中通过点击化学合成的磁性金纳米复合物增强其横向弛豫时间，使其在T1与T2梯度回波序列中对比增强效应更为明显[35]；亦可在核素成像中利用磁性金纳米材料易于修饰的表面活性，用放射性核素标记磁性金纳米[36]。

Liu等[37]合成的磁性金纳米复合物通过尾静脉注入荷瘤小鼠24 h后，用808 nm波长的激光照射肿瘤部位，肿瘤区域的光声信号超过了背景信号的5倍，并可在融合图像上清晰地观察到整个肿瘤区域的显像。

田树平等[38]利用纳米金磁微粒抗体固定化试剂盒(GoldMag TM-CS)将环状精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸多肽c(RGDfK)连接到磁性金纳米表面，并用标记好的纳米实现了对人脐静脉内皮细胞体外MRI显像。与阴性组和空白组相比，实验组T2信号明显降低，证实了磁性金纳米复合物靶向肿瘤新生血管生成的潜力。Kumagai等[39]合成了聚乙二醇修饰的磁性金纳米作为肿瘤磁共振显像的对比剂。在小鼠结肠癌皮下瘤模型中，生物分布实验显示磁性金纳米粒在肿瘤中的摄取达到16%ID/g，与肝脏摄取的比值超过0.9，活体显像中小鼠结肠癌皮下瘤模型与胰腺癌原位模型均可观察到肿瘤区域的T2高信号，与周围组织较低信号形成明显的对比。

PET/MRI作为分子影像学最前沿的融合成像技术之一，其探针的研发与合成一直备受各个学科的关注[40]。Yang等[41]合成的高亲和力抗体修饰磁性金纳米复合物，既具有四氧化三铁的超顺磁性，可用作磁共振T2WI(T2加权成像)的对比剂，又可用Cu64标记该磁性金纳米复合物，用于PET显像，在阳性荷瘤小鼠的肿瘤部位探针摄取超过5% ID/g；且该磁性金纳米可进一步用于一体化PET/MRI成像探针的研究。

2.3 磁性金纳米复合物用于纳米载药化疗与磁场导向的光热治疗

磁性金纳米复合物因其具有较大的比表面积与活泼的表面性质，合适的多层结构，还有一定的磁导向能力，在各种治疗用纳米材料中有着独特的地位。与传统的载药化疗方法相比，磁性金纳米载药系统的多层壳核结构提供了更广阔的空间以用于胡萝卜硫素、姜黄素、阿霉素、布洛芬等药物的装载。前述[20]以氧化铁为核心表面包被金纳米颗粒合成的载药磁性金纳米胡萝卜硫素复合物(Fe3O4@Au NPs@SF)与载药磁性金纳米姜黄素复合物(Fe3O4@Au NPs@CUR)与相同化疗药量的游离胡萝卜硫素及姜黄素相比，其细胞致死率与细胞凋亡水平得到大幅提升，在SK-BR-3乳腺癌细胞系中，通过MTT法与流式细胞术均可证明载药磁性金纳米复合物对肿瘤细胞有更强的杀伤力。

对于一些特定疾病，如肺部疾病，通过常规的给药方法难以有效到达预期靶点，构建合适的纳米复合体并通过适当的途径给药能够显著提升治疗的效率。Silva等[42]利用了多聚物层状沉淀组装的方法，构建了磁壳金核的“草莓样”磁性金纳米粒子，然后用壳聚糖微粒包裹磁性纳米粒子和布洛芬，制成能在酸性条件下解离超过80%有效成分的雾化吸入剂，以期用于治疗哮喘等肺部疾病。

除了装载化疗药物外，磁性金纳米材料还被用于磁场导向的光热治疗。Redolfi Riva等[22]合成的磁性金纳米颗粒(PlasMag)在用血清蛋白包裹之后提高了其稳定性，利用外部磁场引导PlasMag溶液中纳米复合物的聚积并给予808 nm激光照射，在纳米复合物聚积部位的正中心温度在极短时间内即可从不到30 ℃迅速升高到超过100 ℃。PlasMag复合物不仅可以用来进行光热治疗，其磁化曲线还表明其属于超顺磁性物质，也是用于T2加权MRI的良好对比剂。

Liang等[43]采用外部磁场引导，在4T1乳腺癌小鼠皮下瘤淋巴结转移模型中，将转移淋巴结中磁性金纳米复合物摄取率从未施加磁场引导下的不到0.5% ID/g提高到施加外磁场后的2% ID/g以上；并在随后的光热治疗实验中，证实在每组荷瘤小鼠都进行肿瘤原位光热治疗的基础上，有外加磁场的引导并进行了光热治疗的荷瘤小鼠平均生存期明显长于没有施加外部磁场的对照组。

2.4 磁性金纳米复合物用于诊断治疗一体化

诊断治疗剂(theranostic)指的是能够实现将诊断与治疗结合于一体的一种材料[44]。而磁性金纳米复合物兼有两种纳米材料的特性，能够作为多种药物与显像剂的载体，既可以完成MRI成像引导下的光热治疗，也能在外加磁场导向下完成激光激发的药物释放与成像，是作为诊断治疗剂极佳的材料之一[45]。

反义miRNA能抑制肿瘤细胞内激活的癌基因。利用肿瘤细胞源性的胞外囊泡作为载体，结合磁性金纳米材料与反义miRNA构建的诊疗一体化平台[46]，不仅在体外实验中验证了基因治疗与光热治疗联合治疗的良好疗效，也在体内磁共振成像中观察到肿瘤区域T2信号的明显降低，同时还观察到了纳米复合物与阿霉素联用对荷瘤鼠肿瘤生长的明显抑制。

为了降低长循环时间所带来的毒性，Ma等[47]研究了可降解的多聚氨基酸-磁性金纳米复合物，这种磁性金纳米复合物在类似体液的环境下4 d内即可降解为不超过3 nm的产物。该团队利用这种材料完成了对荷瘤小鼠在体的MRI、CT和光声的三模态成像，且用其内包载的阿霉素与材料的光热效应对模型鼠进行联合治疗，对肿瘤的生长起到了良好的抑制效果。

前述Li等[24]合成的三-八面体核壳介孔磁性金纳米复合物，被应用于磁场导向、近红外激发释药的诊断治疗平台。注射磁性金纳米后，可在磁共振T2加权像中观察到肿瘤区域的信号变化，肿瘤区域的外加磁场可以明显加强这一信号变化。在对荷瘤小鼠的治疗实验中，在磁场引导下，同时进行光热治疗以及光激发阿霉素释放化疗的实验组，肿瘤体积较单一疗法均明显减小。

不仅此类三-八面体的磁性金纳米可用作肿瘤诊断治疗剂，还有多种特殊结构的磁性金纳米粒譬如可用于肿瘤细胞MRI与荧光成像合并光热治疗的磁性金纳米玫瑰[48]、可被肿瘤区域高浓度谷胱甘肽调节实现MRI T2加权成像以及引导光热治疗的磁性金纳米花环[37]等被用于实现诊断显像与治疗的一体化。

2.5 面临的问题及挑战

尽管在疾病的诊断和治疗领域取得了令人振奋的进展，磁性金纳米复合物仍然和其他诸多纳米材料面临着类似的问题。相较其基础研究，鲜有纳米材料在临床转化的道路上走得更远，究其原因主要是由于纳米材料潜在的毒性[49]及其在体内较长的循环时间，导致新型纳米材料进一步的应用被限制了[50]。而对于磁性金纳米材料，由于氧化铁纳米本身具有的毒性与合成过程中加入的其他难以彻底去除的部分毒性有机材料，就更需要对其在正常组织器官的生物分布、循环及清除进行进一步的评估。同时，控制达成治疗的刺激因素以期达到“受益/损害最大化效应”也值得更进一步研究与探讨[51]。

3 展望

在纳米材料发展如火如荼的21世纪，磁性金纳米复合物因同时具有磁性与表面等离子共振的特性，做到了既可以利用外磁场显示和引导复合物在体内的分布与代谢，也能充分应用表面等离子共振特性来进行光声成像以及光热治疗，还能够加以修饰增强靶向性和实现装载药物的控释，在纳米医药的各个层面大放异彩。随着纳米材料合成技术的不断提高，可以期待新一代的磁性金纳米材料，通过可控的制备与修饰，达到对靶点的精准定位和高分辨成像，用同一种载体指导和完成个体化多方式治疗，进而实现单平台多模块的纳米材料的应用。