超顺磁性Fe3O4纳米粒子在恶性肿瘤治疗中的研究进展

邵楠，陈晰

哈尔滨医科大学附属第二医院乳腺外科，哈尔滨1500000

超顺磁性是指粒径小于临界尺寸且具有单畴结构的铁磁物质，温度低于居里温度并且高于转变温度时，在外磁场作用下其顺磁性磁化率远高于一般顺磁材料磁化率[1-2]。作为纳米级别的磁体，Fe3O4磁性纳米粒子在非均匀磁场中受到力时，具有倾向于逆场梯度运动的特性，Fe3O4磁性纳米粒子的超高磁迁移率可让生物分子和细胞之间实现磁分离，使体内及体外环境中药物磁性控制靶向释放成为现实[3-4]。而且磁性纳米粒子具有将电磁能量转化为热能的能力，可用于浅表实体肿瘤的热疗技术中，这些特质也使它广泛应用于生物医学领域，本文将着重介绍超顺磁Fe3O4纳米粒子的主要制备方法及其在恶性肿瘤中的临床应用研究进展。

1 超顺磁Fe3O4纳米粒子的制备

通过化学方法可以获得各种结构和成分的磁性纳米粒子[5-7]，在过去的十几年内，人们在致力于研究磁纳米颗粒的制备过程中，发现了很多高效且高品质的合成方法，其中最常见的方法有共沉淀法、热分解法、仿生合成法、化学还原法、水热法等。本文将主要介绍几种最常见和目前较为创新的制备方法。

1.1 共沉淀法

共沉淀法制备磁性纳米粒子以沉淀反应作为基础，根据溶度积原理，在含有特定配比的阳离子溶液中，加入适当的沉淀剂（一般为OH-）后，形成所需纳米粒子。获得的纳米颗粒通常会在表面吸附大量的OH-，因此还需要进行洗涤、烘干等操作处理。纳米粒子的大小、晶型、形状及尺寸的均一性等可以通过调节反应温度、pH 值、铁盐的类型和比例、离子强度等来实现。共沉淀法制备Fe3O4磁性纳米粒子是非常方便有效的制备方法。在共沉淀法中，由于惰性气体的保护，使溶液中的金属离子Fe2+/Fe3+按照一定比例存在，在此溶液中加入沉淀剂，可在室温下或提高温度时获得Fe3O4磁性纳米粒子。共沉淀法通常是在亲水聚合物的存在下进行的，如右旋糖苷或淀粉，它们与氧化铁结合并具有亲水性和生物相容性的表面。由此产生的纳米颗粒可以在大多数生物液体中很好地分散。共沉淀法是一种简单、经济、适合大规模合成的方法。因此，到目前为止，大多数用于生物医学的Fe3O4磁性纳米粒子是通过共沉淀法制备的[8-9]。但是对于磁性纳米粒子的合成，共沉淀法通常很难获得高质量的单分散胶体，不利于其在各个领域的广泛应用。

1.2 热分解法

热分解法是合成磁性纳米粒子最简单的途径之一。有机金属配合物由于其不稳定的特征，以较温和的方式改变储存环境，如加热、光照和超声等[10]，可分解成零价的金属或金属氧化物，因此常被作为合成磁性纳米粒子的前驱体[11]。常规操作是将容易分解的金属前驱体快速注入具有高沸点的有机溶剂中来实现纳米粒子的快速成核，通过控制反应时间和温度可得到具有不同形状和大小的颗粒[12]。使用金属乙酰丙酮复合物作为前驱体可以制备金属氧化物。在合成单分散磁性纳米粒子时，对反应体系加热，前驱体乙酰丙酮铁[Fe（acac）3]发生分解，最终得到所需产物。高温分解法制备得到的磁性纳米粒子具有形态规则、粒径大小均匀、结晶度高、分散性好的优点。

1.3 仿生合成法

在石鳖和趋磁细菌这些生物矿化过程中，生物体使用双重策略来控制磁铁矿的形成：矿物是由低结晶的前体形成的，并且通过矿物与生物分子模板和添加剂的相互作用来控制成核和生长。从这一生物策略中获得的灵感是一条很有前途的途径，可以在环境条件和水介质中实现对磁铁矿结晶动力学的控制。如以氢氧化铁[Fe（OH）3]或白锈[Fe（OH）2]来控制溶液的过饱和，为持续生长设定条件。此外，还可以使用各种有机添加剂，如蛋白质、多肽和聚合物，促进或抑制磁铁矿成核和生长[13]。Bird 等[14]率先在技术应用中实现了仿生磁铁矿形成。通过使用软光刻技术，创建一个图案表面，其中自组装单层的特定区域被磁小体膜蛋白（protein Mms6 of magnetosome，Mms6）功能化，从而通过这些区域的部分氧化实现磁铁矿纳米颗粒的选择性成核和生长。在这种情况下，Mms6 蛋白的作用不仅是控制磁铁矿的形成，在形态和晶粒尺寸方面，还将粒子固定在图案表面上。该方法制备的立方磁铁矿纳米颗粒粒径分布较窄[（340±53）nm]，其与相等尺寸[宽度/长度为（0.899±0.066）nm]水凝胶-磁铁矿复合材料目前正受到密切关注，特别是对其在生物学应用中的作用有深入研究和探讨[15-17]。

2 超顺磁Fe3O4纳米粒子在恶性肿瘤中的应用

超顺磁Fe3O4纳米粒子的超顺磁性使其可被外界的磁场调控，进而实现了对肿瘤组织的靶向给药，也使其在细胞治疗中发挥作用。基于氧化铁的磁性纳米颗粒作为MRI 造影剂已在临床试验中得到应用，而且Fe3O4磁性纳米粒子在交变磁场下可产生一定的热量，可使肿瘤组织的局部因过热而失活。另外磁性纳米技术也可通过外部磁场选择性地高效传递治疗相关基因，与传统传递方式相比，这种方式可以明显提高人类抑制肿瘤和不同内脏器官如肝、肾及中枢神经系统的基因传递效率。也正因如此，磁性纳米技术使活体肿瘤的基因治疗进入了全新的前沿领域。

2.1 靶向给药

肿瘤的种类很多，但很少有典型的或共同的特征，因此治疗非常具有挑战性。常规化疗药物通常作用于全身，可引起一系列不良反应，增加患者的治疗痛苦。近几十年来，人们付出了巨大的努力来了解肿瘤的分子和细胞机制并研制开发治疗恶性肿瘤的药物。这也促使了对新型纳米药物（药物载体）的探索，通过改变传统用药方式来解决传统肿瘤治疗所带来的主要缺点。磁靶向治疗的研究目的是通过磁场引导药物分子载体，使其优先积聚在靶组织中，减少不良反应。以载体和载体结合各种生物活性分子（如药物、基因、酶和其他蛋白质或核苷酸）为基础，创建复杂的选择性靶向纳米药物，这类药物有可能成为非常具体、安全、有效的肿瘤治疗基础。

有研究在大鼠尾部首次使用了由白蛋白、磁铁矿纳米晶和化疗药物多柔比星形成的磁性微球[18]。随后，在各种小鼠、大鼠和兔的肿瘤模型中研究了携带化疗药物如多柔比星、表柔比星的磁靶向效应[19-21]。在注射入血液后，这些团簇容易被单核吞噬系统（mononuclear phagocyte system，MPS）清除，该系统可以迅速将这些团簇从循环中移除，从而减少它们对肿瘤部位的作用。

如今，诊断治疗学已经引起了特别的关注，因为它结合了肿瘤诊断和治疗，图像引导光疗的诊断治疗系统被认为是一种潜在的肿瘤治疗技术，而磁性纳米粒子在其中扮演着载体的重要角色。在一项研究中，Fe3O4纳米粒子被负载在稻草纤维素上作为5-氟尿嘧啶载体，用于潜在的结直肠癌治疗[22]。研究证明，与自由药物分子相比，磁性靶向可以减少肿瘤治疗所需的药物剂量，以及对动物的全身毒性[19]。

2.2 肿瘤光热疗法

光热治疗（photothermal therapy，PTT）以肿瘤内积累的光热剂作为外源性热源，结合近红外光（near infrared spectrum instrument，NIR）照射，具有侵袭性小、治疗效果好等优点，是一种选择性光热消融肿瘤细胞而不损伤正常细胞的微创方法，在抗肿瘤治疗中得到了广泛的关注。此外，为了提高治疗效果，许多多模式治疗纳米结构已经通过将光热剂与抗肿瘤药物、光敏剂或放射增敏剂结合，从而产生协同效应。各种功能材料也被吸收、附着、封装或包覆在光热纳米结构上，用于荧光、CT、MRI，通过诊断和治疗结合实现肿瘤诊断、肿瘤定位、部位特异性治疗和治疗反应评估。虽然免疫治疗已经成为治疗恶性肿瘤的热门方法，但是在临床中免疫治疗因全身炎症风暴产生严重不良反应（如细胞因子释放综合征等）而不可忽视[23]。在IMpassion130 试验中，部分患者发生Ⅲ级以上间质性肺炎，严重者导致死亡[24]，开发低毒有效的治疗方式势在必行。

PTT 作为一种物理治疗方法，得到了广泛应用。它是利用光热剂吸收光能，然后将其在肿瘤部位转化为热能，从而通过热疗（40～45 ℃）或热消融（＞45 ℃）杀死肿瘤细胞[25]，具有选择性高、侵袭性小、无系统性影响等优点。PTT 的有效性在很大程度上依赖于光热剂。首先，理想的PTT光热剂应该具有很强的光吸收性，特别是在近红外（700～1300 nm）区域[26-27]，因为水和血细胞对NIR 的吸收很小，允许光线穿透深层组织，刺激光敏纳米颗粒，将对周围健康组织的损伤最小化。目前已有相关研究设计了一种治疗性纳米结构，将球形的Fe3O4nc 封装在Cu2-xS 薄壳中，形成超薄（＜10 nm）Fe3O4@Cu2-xS 核壳纳米复合材料[28]。纳米复合材料表现出T2 加权磁共振性能，随着Fe3+浓度的增加，图像对比度逐渐变暗。松弛速率（r2）和弛豫率（r2/r1）分别为141.4 m/ms 和67，与商用磁共振增强子磁场强度相同。这些确定了纳米复合材料成为一种潜在的T2 加权MRI 造影剂的可能性。同时，Fe3O4@Cu2-xS 核壳纳米复合材料在磁场作用下表现出沉积行为，在980 nm 激光照射下表现出选择性升温。这表明Fe3O4@Cu2-xS 核壳纳米复合材料的磁性不仅可以作为诊断试剂，还可以实现PTT 靶向效应[29]。

2.3 基因治疗

基因治疗目前被认为是临床领域比较热门的治疗方法，是治疗不可治愈疾病最有希望的治疗方法。磁靶向已广泛用于基因传递。“magnetofection”就是用磁场来提高基因转染效率的材料。在体外培养的细胞中，特别是在传统基因传递方法难以转染的细胞中，利用磁链技术实现高转染效率的报道很多。用于磁化的Fe3O4纳米粒子通常涂以阳离子聚合物，如聚乙烯亚胺或阳离子脂质，通过静电相互作用吸附siRNA 或DNA 质粒[30-31]。应用磁场可以将Fe3O4磁性纳米粒子集中在细胞表面，从而增强细胞对其携带的核酸的吸收。在被细胞内化后，阳离子包被进一步破坏核内体的稳定性，从而释放物质进入细胞质。磁靶向还可以改善体内基因传递。例如，siRNA 与含有磁性纳米粒子的脂质体混合可以在小鼠模型中磁性靶向皮下肿瘤，从而抑制肿瘤生长。

2.4 细胞疗法

近年来，细胞疗法已经成为许多疾病的一种有前途的治疗方法，包括再生医学和免疫系统干细胞重编程肿瘤治疗的细胞。与化疗相似，细胞疗法的治疗效果依赖于足够的工程细胞募集到目标组织，而细胞播散到正常组织会增加畸胎瘤或自身免疫反应的风险。磁靶向在细胞治疗中的应用要求细胞被磁化，通常是通过诱导细胞在体外摄取单晶体氧化铁纳米颗粒（monocrystalline iron-oxide nanoparticle，MION）。MION 的体积较小，每个人间充质干细胞（human mesenchymal stem cell，hMSC）可以装载超过106个MION，而不影响其生存能力和多能性。经静脉注射后，这些被磁化的hMSC可被小块磁铁捕获于尾静脉或股动脉。另一项在小鼠肿瘤模型中的研究进一步表明，在小动物MRI 仪器产生的磁场下，含有MION 的巨噬细胞可以靶向前列腺原发肿瘤或肺转移灶，证明了体内磁靶向的可行性。磁靶向溶瘤巨噬细胞可显著增加原发肿瘤坏死面积，减少肺转移灶计数。

3 小结与展望

纳米磁学凭借其允许在单个细胞周围产生局部磁性、机械和热场分子的特点，为生物医学研究和临床应用提供了独特的工具。制造性能更好的超顺磁性Fe3O4纳米粒子的能力和生物医学应用的需要推动了超顺磁性Fe3O4纳米粒子的发展。与此同时，在现代医学中，“一刀切”的诊疗方法正逐渐被精准医疗所取代，精准医疗的目标是针对特定的致病分子或细胞进行个性化诊断。这两个领域的发展有助于将Fe3O4磁性纳米粒子的应用从传统的药物传递、成像和热疗扩展到基因组编辑、细胞治疗。

但是还有许多重要问题有待解决。例如，有必要阐明在纳米尺度上的热产生、能量传递和粒子间相互作用的机制，这需要在材料科学、量子力学和化学领域共同努力。此外Fe3O4磁性纳米粒子的生物学功能依赖于其在体内达到靶分子/细胞的浸润能力。开发新的策略以克服体内运输障碍，从系统到细胞水平是迫切需要的。这不仅需要新的纳米制造技术，也需要更好地理解纳米相互作用，包括对纳米材料的免疫反应。将更多的Fe3O4磁性纳米粒子应用到临床，还需要进行广泛努力。随着多学科领域的发展，未来十年将会有更个性化、高性能的超顺磁性Fe3O4纳米粒子和更多的分子疗法出现。