基于磁纳米粒子治疗恶性骨肿瘤的研究进展

包俊清，王中汉，肖全喜*

（1.内蒙古通辽市科尔沁左翼中旗人民医院，内蒙古 通辽 029327；2.吉林大学第二医院骨科，长春 130041)

恶性骨肿瘤是临床中遇到的最棘手的疾病之一，其具有高死亡率、高致残率、高复发率等特点。针对恶性骨肿瘤的分期和分级差异，其治疗目的和方案也会有所不同。当原发性恶性骨肿瘤未发生转移时，可行广泛或根治性切除以完全实现肿瘤的根治。而转移性骨肿瘤通常行姑息性治疗以缓解局部症状、减轻患者痛苦[5]。同时，通过辅助化学治疗技术可以一定程度上提高恶性骨肿瘤患者的总生存率和保肢率，但也存在局部肿瘤杀伤效果不理想和全身副作用如肝功能障碍、骨髓抑制、心脏毒性等弊端[6]。

近年来新兴的磁靶向肿瘤治疗技术是将磁性纳米粒子作为治疗因子或药物载体，通过静脉注射或搭载于支架中植入肿瘤切除后部位。进入脉管系统的粒子选择性聚集于肿瘤部位，实现肿瘤治疗效果。相比于其他靶向方式，磁靶向肿瘤治疗有着治疗时间可控、生物安全性高等优势[7]。

本文对磁性纳米粒子的理化性质、载药方式、生物代谢和生物安全性等方面进行了系统的介绍，从磁性纳米粒子的热疗、化疗和放疗3种治疗方式在恶性骨肿瘤中的治疗进行了总结，为后续磁性纳米粒子在恶性骨肿瘤治疗中的研究起到一定的借鉴和参考意义。

1 用于肿瘤治疗的磁性纳米粒子的物理性质、富集方式和生物安全性

1.1 磁性纳米粒子的物理性质

常用于肿瘤靶向治疗的磁性纳米粒子包括Fe3O4、γ-Fe2O3、CoFe2O4合金颗粒等。这些磁靶向纳米粒子的磁相关物理性质包括磁化强度、矫顽力、磁矩和磁界等，这些性质决定了纳米粒子的磁靶向能力。而粒子的尺寸、温度、元素组成、合成方式则可以影响材料等磁相关物理性质[8]。

狭义上，纳米粒子的粒径范围为1～100 nm，而广义上当粒子粒径在1 000 nm以内均可以被认为属于纳米粒子。研究[9]发现当磁性粒子尺寸减小，其超顺磁性和矫顽力会相应增加。此性质是保证磁性粒子体内靶向能力的关键。磁性材料具有磁热效应，即磁性材料的温度随场强改变而发生变化的现象。其原理为交变磁场中磁性纳米粒子在磁滞损耗、弛豫损耗等效应下吸收磁场能力而产热。其产热效能受到磁场强度、交变频率、粒径大小、作用距离等多种因素控制，通过控制磁热程度，可以满足肿瘤热疗的需求。磁性粒子的元素组成和制备方式对其物理性质也有影响[10]。如Fe-Co合金颗粒中Fe和Co的配比改变可以影响材料的饱和磁化强度，且当Fe-Co摩尔比例为1.5:1时，材料饱和磁化强度最大。另外，在磁性材料合成过程中进行退火或使用苯甲醇等有机溶剂也会使磁相关物理发生变化[11]。

1.2 磁性纳米粒子在肿瘤病灶富集方式

目前，有两种主流方式使具有治疗作用的药物高度浓聚于肿瘤部位。

第一种将磁性纳米粒子与药物负载后通过静脉注射进入脉管系统，载药方式的磁性粒子通过主、被动靶向方式浓聚于肿瘤位置，并通过相应释放负载的药物。为了增加磁性粒子的肿瘤治疗效果，除了提高粒子的靶向能力外，让粒子具有高效的药物负载能力也是决定因素之一。目前，磁性纳米粒子的药物装载方式主要分为两种：1）在磁性纳米粒子表面修饰偶联药物。这种方法具有高效载药的优势，且反应条件较为温和，适用于蛋白、多肽等治疗因子的递送[12-14]。但由于共价键连接紧密，药物富集在病灶后难以实现高效释放。针对此问题，有研究[13]应用物理共轭方式如静电相互作用、亲/疏水相互作用力等方式将药物与磁性纳米粒子进行连接，使粒子富集于治疗部位后，通过改变局部pH、温度等环境特征造成共轭键破坏，实现药物释放。2）将药物与磁性纳米粒子共装载于膜材料中，通过磁性纳米粒子驱动让膜材料抵达病灶部位。随后给予一定刺激使膜材料破裂释放出治疗药物。脂质体是最常用的包载膜材料之一，包载磁性纳米粒子形成磁化脂质体，可以保证较高的药物包封率和磁驱动性。另外，也有研究[15]使用羧化聚胺树枝状分子包覆磁性纳米粒子，但聚合高分子的磁驱动性有限，在靶部位的富集浓度弱于磁化脂质体。

第二种方式为将磁性纳米粒子与硬质支架或骨水泥通过混合、密炼、涂层等方式复合。为彻底杀灭手术切除边缘残存的肿瘤细胞，可将具有肿瘤细胞杀伤效果的磁性纳米粒子和药物与植入物共负载。植入后，在恢复肢体功能和力学强度的同时，起到抑制肿瘤再生的功能[8,16]。

1.3 磁性纳米粒子体内的代谢及生物安全性评价

磁性纳米粒子进入体内后，其颗粒尺寸大小是决定代谢转归途径的关键因素[17]。当粒子尺寸＜10 nm，粒子可避过肾小球滤过过程，从而迅速经肾脏排泄清除；当粒子尺寸＞200 nm，粒子易被肝脏和脾脏中的单核巨噬细胞系统吞噬储存；而当粒子尺寸在10～200 nm，可以长时间存在于循环系统中，是作为药物递送载体的理想粒径[18]。

磁性纳米粒子的生物安全性相关研究是从细胞和动物两个层次进行评估的。在细胞实验中，由于细胞种类、粒子尺寸的差异，表现出细胞毒性的粒子浓度也有所不同。通过综合评估，初步得出粒径在20～120 nm，浓度在0.2～10 mg·mL-1时，粒子具有良好的细胞相容性。Fe3O4粒子通过破坏细胞膜、促进凋亡、破坏遗传物质、影响线粒体功能等多种方式造成细胞的死亡。另外，Fe3O4代谢后产生的铁离子会在细胞内或周围发生蓄积，在二价铁或酯氧合酶的作用下，催化细胞膜上高表达的不饱和脂肪酸，发生脂质过氧化，从而诱导细胞死亡，即铁死亡[19]。而在动物研究中，发现磁性纳米粒子对多种器官系统具有一定的影响：1）神经系统：鼻内吸入的Fe2O3纳米粒子会造成海马区神经元脂肪变性；2）免疫系统：磁性纳米颗粒对巨噬细胞可能有一定的负性调节，但是可以上调CD8+和CD4+T在细胞的表达；3）生殖系统：对孕鼠注射磁性纳米粒子后，在胎盘和子鼠体内均可检出磁性纳米粒子。对母鼠分娩和后续身体情况几乎无影响，但子鼠的生长明显减慢。磁性纳米粒子对雄老鼠的精原细胞、精母细胞、精子细胞有减少作用；4）呼吸系统：磁性纳米粒子气雾剂在呼吸系统的残留非常明显，清除率仅占吸入总量的0.745%，磁性纳米粒子在肺中的积累会导致炎症反应、氧化应激和慢性铁中毒等；5）消化系统：口服Fe3O4纳米粒子4周后，发现小鼠肝脏少量炎细胞的浸润和肝细胞脂肪变性。但以上研究结论并不全面，仍需要系统性的实验评估磁性纳米粒子的生物安全性[20-21]。

2 磁性纳米粒子在骨肿瘤治疗中的应用

磁热治疗和药物递送是磁性纳米粒子在骨肿瘤治疗中的两种主要方式，其治疗过程均涉及两个阶段：1）通过注射或植入方式将磁性纳米粒子聚集在骨肿瘤部位；2）施予外界刺激使磁性纳米粒子发挥治疗作用。磁热治疗即在交变磁场下诱导粒子放热起到肿瘤杀伤作用，而药物递送则是需要使药物与磁性纳米粒子分离，从而对肿瘤发挥治疗作用。现分别对两种骨肿瘤治疗方式的研究进展进行总结。

2.1 磁热方式治疗骨肿瘤

骨肿瘤的磁热疗法是将磁化纳米颗粒静脉注射后外磁场驱动至肿瘤部位或由磁热籽修饰的生物材料植入肿瘤组织周围，随后施加交变磁场，磁性材料通过磁滞损耗和感应涡流产热，从而对骨肿瘤细胞进行高温治疗[22-25]。因为磁热治疗过程中的磁场具有较深的组织穿透能力且对正常组织无明显不良影响，所以相较于光热治疗中近红外光有限的穿透深度而言，磁热疗法在治疗骨组织的深部肿瘤时可以发挥明显的穿透能力的优势[22,26]。

磁性纳米颗粒由于具有生物相容性良好、纳米级别尺度和易于修饰的表面等优点，使其适用于骨肿瘤的磁热治疗[27]。一项研究通过将Fe2O3磁性纳米粒子的悬浮液注射到大鼠的椎体肿瘤中，然后暴露在频率150 kHz、振幅63.3 kA·m-1下的交变磁场加热20 min，肿瘤内部平均温度达到了43.2 ℃，达到杀伤肿瘤细胞作用温度。在治疗后，通过组织学检测发现，淋巴网状系统中无纳米粒子聚集，而且肿瘤组织发生明显缩小、坏死，实验结果说明Fe2O3纳米颗粒可以作为一种通过局部递送继而磁热治疗脊柱肿瘤的治疗方案。但提高肿瘤细胞对纳米颗粒的摄取是否能够提高热疗效率还有待确定[28]。WANG R等[29]的研究解决了这个疑惑，这项研究中合成了锌-铁复合的Zn0.5Fe2.5O4磁性纳米粒子，并包被SiO2涂层使其具有良好生物相容性。发现磁性纳米粒子在与骨肉瘤细胞共培养条件下的摄取效率具有浓度和时间依赖性。虽然对于提高磁热效率而言，细胞内化纳米颗粒的量并不是越多越好，但是使磁性纳米粒子在肿瘤组织周围发生高浓度聚集是提高磁热效率的先决条件。由抗RANKL抗体偶联的磁铁矿纳米粒子经由尾静脉注射到小鼠体内后表现出更高效的骨靶向性，由于骨肿瘤微环境中RANKL配体特异性高表达，磁性纳米粒子在骨肿瘤区域内发生显著的聚集，以此提高产热抑制肿瘤[29]。除此之外，羟基磷灰石和磷酸钙作为骨组织的主要成分，将两者合理整合设计的磁性纳米颗粒也会表现出高效的骨靶向作用。一项研究中探讨了合成的亚铁磁性玻璃陶瓷复合纳米材料CaO-ZnO-Fe2O3-SiO2抑制骨肿瘤细胞的机制。无论有无交变磁场的作用，该纳米材料均表现出降低线粒体的跨膜电位的功能，从而诱导瘤细胞发生凋亡；而当在外界磁场作用下时，肿瘤细胞中组蛋白去乙酰化酶的活性被显著抑制，诱导肿瘤细胞发生凋亡[30]。由超顺性Fe2O3纳米粒子为核心涂有硅酸盐中间层和碳壳为外表面的纳米颗粒在与骨肿瘤细胞共培养发现，此磁性纳米粒子对骨肿瘤细胞膜有明显的粘附作用并可以增加被摄取率。由于较高的粒子摄取，即使在超低的交变磁场中，磁性纳米粒子也会产生足够的热量导致肿瘤死亡[31]。此外，一种新开发的与阳离子脂质体结合的磁铁矿纳米颗粒当暴露在交变磁场下诱导细胞内热疗时，发现在抑制骨肿瘤增殖的同时还可以显著降低骨肿瘤微环境中由肿瘤诱导的骨质溶解程度，说明由脂质体修饰的纳米粒子磁热治疗可以有效减少骨质的溶解，保护周围骨质[32]。另外，磁性纳米粒子也可以作为光热引发剂，发挥靶向和双重热疗法的抗肿瘤作用。JIANG等[33]构建了Fe3O4/吲哚氰绿/唑来膦酸盐复合纳米粒子用于乳腺癌骨转移的治疗。其中Fe3O4发挥磁靶向作用，当粒子富集于肿瘤区域后，吲哚氰绿作为光引发剂在近红外光照射下发挥光热效应杀灭肿瘤细胞。乳腺癌骨转移表现为溶骨性破坏，粒子中的唑来膦酸盐可以对肿瘤位置的成骨-破骨平衡发挥调节作用，改善肿瘤区域微环境，起到改善骨质和防止肿瘤复发的功能。

除了对骨肿瘤造成直接热杀伤作用外，还可以通过磁热效应诱导免疫反应对抗肿瘤。据报道，磁热治疗不仅能增强树突状细胞的抗原提呈能力、成熟和迁移特性，还能将T淋巴细胞招募到淋巴结中，从而激活T细胞启动适应性免疫。有研究证实，磁热治疗可以造成肿瘤细胞蛋白质的热变性和并导致细胞膜上的热休克蛋白上调。应激癌细胞释放的肿瘤特异性抗原可以与细胞外热休克蛋白形成复合物，激活机体对抗肿瘤免疫调节反应，这在很大程度上取决于温度分布、暴露时间、加热部位和肿瘤细胞的特征[34-38]。为了将热休克蛋白、抗癌免疫和死亡肿瘤细胞之间的相互作用联系起来，LIN等[39]构建了一种预测模型，用于预测探究在肿瘤细胞坏死期间产生最大细胞外热休克蛋白和激活抗肿瘤免疫的最佳热疗参数。此模型表明，细胞外热休克蛋白表达量与磁热温度不成正比。在43℃下处理100 min能产生最多的热休克蛋白表达，而当磁热温度达到43℃时，热休克蛋白表达降低。此外，将检查点抑制剂与磁热效应结合以避免肿瘤免疫逃逸是另一种可行的肿瘤治疗方式。DU等[40]开发了一种铁磁涡旋畴氧化铁纳米环颗粒，使用这种磁性纳米粒子进行温和磁热治疗并联合PD-L1抗体表达可以通过诱导免疫原性细胞死亡，实现远端肿瘤中的细胞毒T细胞数量增加了88%，发挥肿瘤杀伤效应。

2.2 递送化疗药物

化疗药物传统给药方式为静脉注射，其存在着局部药物浓度不足、全身副作用明显等问题。依托磁性纳米粒子，可以针对性解决以上问题[41-42]。由于纳米材料性质，磁性纳米粒子的比表面积极大，具有作为高效药物载体的潜能。通过聚合材料包被、共价修饰等方式将化疗药物与磁性纳米粒子相复合，并使用外界磁场诱导将负载药物的磁性纳米粒子趋化到病灶部位，利用外源或内源刺激释放化疗药物，起到局部靶向化疗作用[43]。使用聚乙二醇（PEG）包载阿霉素构建的Fe2O3核心载药纳米粒子可以有效减少药物在循环过程中的流失。在外加磁场引导下，相比于对照组有着显著的抑制肿瘤细胞增殖的效果[44]。此外，常用的用于磁性纳米粒子化疗药物载体构建等高分子聚合物有多聚淀粉、氰基丙烯酸酯、β-环糊精等[12,45-47]。可以根据不同治疗需求选择功能合适的高分子载体材料，调控磁性纳米粒子载体的循环代谢、迁移、富集、释放等特征。磁化脂质体是也是一种基于磁性纳米粒子的载药方式。有研究[48-49]将伊立替康包裹于磁性纳米脂质体中，在外加磁场引导下可以在肿瘤部位实现药物的递送和蓄积，并通过热刺激或高能超声等方式破坏脂质体外壳，使药物精准可控释放。此外，磁性纳米粒子除了作为化疗药物载体，也可以作为肿瘤血管栓塞组分。有研究[50]使用含有5-氟尿嘧啶和阿霉素的海藻酸钠微球包载磁性纳米粒子，通过外加磁场精准驱动，海藻酸钠微球可以到达肿瘤血管位置发挥血管拴塞的治疗功能。随着海藻酸钠微球的降解，化疗组分逐渐释放，发挥血管栓塞和化疗药物递送治疗的双重治疗方式。由于恶性骨肿瘤通常无主要动脉，因此这种磁靶向肿瘤血管栓塞目前在骨肿瘤治疗中的研究及应用仍较少。

2.3 递送免疫调节剂

近年来，免疫治疗已成为治疗肿瘤的新兴方法和有力策略，免疫治疗通过调节免疫系统，增强机体自身抗肿瘤能力来达到抗肿瘤的效果。目前，肿瘤免疫治疗策略包括负载免疫调节剂、免疫细胞功能增强等。与磁性纳米粒子复合后，可以控制免疫治疗剂或免疫细胞精准输送到骨肿瘤组织，解决免疫治疗因子靶向率低的限制[51]。

肿瘤细胞可以通过多种负反馈机制逃避免疫监视。目前，主流癌症免疫疗法是使用药物或抗体来激活免疫系统或阻断检查点。然而，单一药物通常无法激活有效的免疫反应，而联合治疗则会增加全身毒性的风险。为了解决这些问题，可以利用涂层技术将磁性纳米粒子与多种免疫调节剂，包括细胞因子、共刺激标记物和其他信号蛋白等组装成稳定的纳米微粒结构，以激活免疫系统[52]。为了避免引起全身性的免疫反应，通过磁性纳米粒子将药物定位递送靶区域。IFN-γ等免疫调节剂装载在磁性纳米粒子上并释放到肿瘤区域中。IFN-γ能诱导T细胞和巨噬细胞在肿瘤组织中浸润，从而达到免疫治疗效果。此外，越来越多的证据表明巨噬细胞与肿瘤的发生、生长、转移和耐药性密切相关，是另一个受到关注的治疗靶点。LI等[53]使用多孔空心Fe3O4纳米粒子来负载小分子PI3K抑制剂，构建了纳米粒子复合物。试验表明，纳米复合物可以靶向诱导肿瘤中巨噬细胞发生M1极化，从而起到对肿瘤的免疫杀伤效果。另一种免疫治疗策略是利用靶向免疫抑制起到对肿瘤的增殖抑制效果。有研究设计了针对PD-L1的siRNA，并与磁性纳米粒子进行共价结合，起到肿瘤靶向和避免循环系统中流失的作用。研究结果发现，这种负载免疫抑制因子的磁性纳米粒子与吉西他滨联合治疗可显著降低肿瘤细胞中PD-L1的表达。肿瘤疫苗也是近年来肿瘤免疫治疗的热点领域。通过将免疫佐剂与纳米磁性粒子结合，构建出磁性纳米肿瘤疫苗。可以高效靶向作用于治疗区域，激活组合式免疫调节反应，增强免疫耐受性[54]。为了Toll样受体激动剂所导致非特异性免疫反应，研究者开发了一种SiO2涂层的磁性纳米粒子，可以起到激活抗原提呈细胞、增强抗原特异性Th1和细胞毒性T细胞的作用。此外，将腺病毒与磁性纳米粒子复合也是可行的免疫治疗手段。磁性纳米粒子通过静电相互作用与腺病毒结合，同时实现肿瘤靶向性和更高的转染效率[55]。

NK细胞、抗原提呈细胞和巨噬细胞在肿瘤免疫过程中起到肿瘤监视和清除功能[56]。为进一步增加细胞免疫功能，2007年提出了细胞过继免疫治疗[57]。在解决细胞过继免疫治疗在实体瘤中浸润不足的问题时，研究者诱导T细胞吞噬磁性纳米粒子构建出磁化T细胞，并体外磁场诱导，克服肿瘤进入实体瘤的障碍，从而提高治疗效果[58]。另一方面，将检查点抑制剂与磁化免疫细胞相结合可以防止肿瘤细胞的免疫逃逸。研究者开发了PD-1抗体固化磁性纳米簇。通过在体外将效应T细胞的PD-1受体与磁性纳米促结合。此功能化的磁性纳米粒子能够促进肿瘤中锰的富集，通过激活cGAS-STING通路，促进抗原提呈细胞成熟，起到细胞免疫的肿瘤治疗效果[59]。

2.4 促进骨再生

众所周知，骨是人体重要的组织，起着支撑、运动、组成人体框架等重要功能。虽然骨组织有着自愈合能力，但是由于骨肿瘤对骨组织微环境的影响以及肿瘤切除后造成的巨大骨缺损，难以自愈合[60]。目前有大量研究致力于通过磁性纳米粒子在发挥肿瘤杀伤作用的同时，起到诱导新骨再生的功能[61]。

尽管基于磁性纳米粒子的磁热显示出很高的成功率，但由于其生物相容性有限，限制了磁性纳米粒子的广泛应用。单纯的磁性纳米粒子在骨组织发生浓聚后，不利于成骨细胞的增殖和分化，亦不利于骨缺损的重建[62]。近期有研究开发了一种以SiO2-CaO生物活性玻璃为外壳、γ-Fe2O3为核心的新型纳米生物材料。经过体外试验发现有较多的纳米羟基磷灰石沉淀在材料表面，证明了其优异的骨诱导能力。同时，该材料兼具良好的磁热能力，使其在磁热治疗骨肿瘤同时可以加速骨缺损重建[63]。同样KOOHKAN等[64]合成了含Cu、Fe的生物活性玻璃纳米粒子，发现Cu和Fe的掺杂改善了纳米粒子的超顺磁性能力。同时，并通过细胞实验，发现其具有诱导ALP表达的能力，并能抑制血管内皮细胞的增殖，说明其兼具促进骨再生和抑制肿瘤血管化的功能。另有研究考虑到骨再生的血管形成问题。ZHAO等[65]开发了一种GdPO4/Fe3O4/壳聚糖纳米粒子复合支架材料。对乳腺癌骨转移病灶行切除术后，在切除位置植入这种复合支架材料。其中对Fe3O4可以发挥磁热效应杀伤残余癌细胞，而释放的Gd3+离子可以诱导巨噬细胞发生M2极化，促进微血管网络生成，为新生骨提供氧气和营养。

3 小结

磁性纳米粒子特有的物理性质使其在骨肿瘤的治疗中具有巨大前景。磁性纳米粒子的粒径、温度、元素组成、合成方式等参数可以对磁性纳米粒子的基本物理性质进行调控，实现磁趋化、磁热等磁相关功能。静脉注射后外磁场驱动和伴随植入物同位植入是实现磁性纳米粒子在骨肿瘤部位富集的主要方式。而粒径为10～200 nm的磁性纳米粒子兼具循环系统趋化和生物安全性。磁性纳米粒子可以通过四种方式实现对骨肿瘤的治疗：1）利用磁热效应对骨肿瘤组织发挥杀伤作用；2）负载化疗药物，使化疗药物在肿瘤组织靶向聚集和精准释放；3）通过搭载免疫调节剂和免疫细胞功能化等手段，实现骨肿瘤免疫治疗；4）诱导骨再生，重建骨的力学性能和肢体功能。