磁场与肿瘤转移研究进展

冯 爽， 李 俊， 纪新苗， 胡立江， 张 欣

(1. 中国科学院 合肥物质科学研究院强磁场科学中心， 合肥 230031; 2. 中国科学技术大学 科学岛分院， 合肥 230026; 3. 和也健康科技有限公司， 安吉 313300)

近年来有多项证据表明一定参数的磁场会对肿瘤生长产生一定的抑制作用[1-4]，或者是联合磁性纳米材料等方法来对肿瘤细胞产生杀伤作用[5]。然而，肿瘤的转移和侵袭是直接或间接导致绝大多数人类癌症死亡的主要原因，因此，本文总结和分析了现有的关于磁场与肿瘤转移的相关文献，以期为未来相关研究提供基础。

1 肿瘤转移

肿瘤转移是癌症病人死亡的主要原因之一。恶性肿瘤的发生和转移是多基因参与并相互作用的多阶段过程。肿瘤转移可分为两个部分，首先是原发肿瘤部位细胞增殖、新血管生成、肿瘤细胞穿破细胞外基质屏障向外侵袭，随后肿瘤细胞的转移位置定植形成实体瘤。为了实现转移，肿瘤细胞必须回避多层障碍或选择多种机制，而且不同的癌症具有其优先转移部位。

肿瘤细胞的转移主要是通过淋巴管和/或血管进行扩散并且受到多种因素的调控，其中包括细胞-细胞和细胞-细胞外基质(ECM)受体，侵入基底膜、脉管系统和不同器官所必需的蛋白水解酶，通过组织迁移所必需的运动因子，器官特异性侵袭所需受体，保证二级器官中肿瘤结节生长和发育的一些生长因子以及血管生成特异性因子等。其中肿瘤细胞与其微环境之间的相互作用对于肿瘤的转移十分重要。众所周知，肿瘤转移大多并不依赖于肿瘤细胞自主机制，而是受肿瘤微环境的影响[6]。成纤维细胞是肿瘤基质的主要成分之一。在肿瘤中被活化的成纤维细胞被称为CAF，肿瘤细胞释放的生长因子如TGF-β、PDGF、FGF是CAF活化的关键介质，CAF通过产生基质金属蛋白酶(MMPs)从而激活肿瘤细胞的侵袭性[7]。MMPs在肿瘤细胞转移过程中可以破坏细胞外基质和基质细胞形成的屏障，为肿瘤细胞的转移提供了条件[8]。除了细胞外的一些影响因素，肿瘤细胞本身的性质也直接与肿瘤转移相关。例如，肿瘤细胞的细胞间黏附性通常比正常细胞低，并且当上皮肿瘤细胞之间失去E-钙黏蛋白介导的粘连后，细胞间黏附性质的改变使肿瘤细胞脱离组织结构并促进其转移和恶性发展[9]。此外，Pokorny等人提出真核细胞中线粒体功能障碍和微管极性振荡紊乱等可能会引起细胞内电磁场异常，从而促使恶性肿瘤的发生与转移[10-12]。

2 磁场参数直接影响其生物学效应

磁场可以根据其强度和方向是否随着时间变化来分为稳态磁场(静磁场)和非稳态磁场(动态磁场)。虽然在不同领域根据磁场强度的不同划分有所不同，但常常可以被分为弱磁场(< 1 mT)(T，特斯拉)、中等磁场 (1 mT～1 T)、强磁场 (1 T～20 T) 和超强磁场 (≥ 20 T)。此外，根据磁场的空间分布是否均匀，又可以分为均匀与非均匀磁场。更详细的有关磁场分类相关信息可参见其他书籍或综述[1-2]。

由于稳态磁场本身可变参数较少，所以在磁场生物学效应的研究中占有优势。近年来，国内外多项研究发现，稳态磁场可以对多种生物体产生不同影响，而对于人体细胞而言，一定条件的稳态磁场处理可以影响其取向、分裂、增殖等，并且与细胞类型直接相关[1]。然而，即使是参数较少的稳态磁场，也会因磁场强度、梯度、处理方式和所研究生物样品类型等的不同而产生完全不同的影响[1-2, 13-21]。例如，我们最近关于1 T稳态磁场对12种人源细胞系影响的研究发现，同样的1 T稳态磁场并不会明显影响其细胞周期或细胞凋亡，但是在较高铺板密度下，7种人实体瘤细胞系中有6种细胞的数量都在1 T磁场作用2 d后有所减少，而5种非肿瘤细胞的增殖则不被抑制[20]。此外，我们研究了27 T超强稳态磁场对细胞的影响，发现27 T稳态均匀磁场对人鼻咽癌CNE-2Z细胞作用4 h后并没有直接引起细胞死亡，却影响了细胞有丝分裂纺锤体的取向及形状，并且这种影响具有磁场强度和时间依赖性，因为27 T超强稳态磁场4 h就可以影响细胞内纺锤体的取向，使用9 T强稳态磁场处理 4 h虽无此效果，但是将处理时间延长至3 d，也可以产生类似的效果。然而1 T以下的稳态磁场即使是作用时间长达7 d也对纺锤体的取向完全没有影响[21]。

相较于稳态磁场，动态磁场可变参数较多，所以目前研究中所使用的动态磁场类型也比较丰富。近年来基于永磁铁的低频旋转磁场也在多种慢性疾病的症状缓解方面显示出了良好的前景[22]，基于电磁场的经颅磁刺激(TMS)技术则在抑郁和癫痫等疾病治疗中显示出良好的治疗效果，是目前电磁场领域应用于临床疾病治疗中最成功的例子之一。而基于电场的肿瘤治疗场(TTF)也成为神经胶质瘤等疾病的有效治疗方法，为磁场的医学应用提供了很好的参考作用。

3 磁场与肿瘤转移

目前临床上对于肿瘤转移是以放疗、化疗和免疫治疗等方式为主。相比之下，稳态和低频磁场的优势在于非侵入性和良好的安全性，副作用很少。虽然目前有关磁场的研究才刚刚起步，相关的规范研究还比较缺乏，并且需要进行磁场和作用方式等各种条件的进一步优化才能得到更好的效果，但是从目前的各项研究看来，稳态和低频磁场十分有望成为一种可以应用于肿瘤转移治疗的辅助/替代手段。

3.1 稳态磁场与肿瘤转移

事实上，目前关于稳态磁场本身与肿瘤转移的研究十分缺乏，并且在有限的几项研究中，由于所用实验体系的磁场和生物样品本身差异巨大，导致其结果截然不同(表1)。Tanioka等人发现经磁场处理36或48 h后的B16细胞表现出比对照组更高的转移活性[23]。王晓阳构建了人肝癌动物模型，并发现磁场处理组中有40%肿瘤未发生转移，比对照组小鼠延长了寿命并抑制了小鼠体内肿瘤转移[24]。虽然这两项研究看似结果相反，但并无可比性，因为Tanioka等人是将磁场处理过的细胞注射入小鼠体内，而王晓阳是在构建肿瘤动物模型之后再加磁场，其研究方式有所不同(图1)，并且，其细胞类型也不相同。

此外，目前在细胞水平上的几项关于稳态磁场对肿瘤细胞迁移和侵袭影响的报道结果也不尽相同。王晓阳发现0.6 T稳态磁场可以抑制人肝癌Smmc7721细胞的侵袭[24]。Hashimoto等人发现30 mT或120 mT的稳态磁场促进NG108-15细胞和NIH/3T3细胞的迁移，而MC3T3-E1细胞的迁移在不同的磁场强度和磁场方向下会有不同的影响，其中30 mT的垂直磁场和120 mT的水平磁场抑制其迁移，而在30 mT的水平磁场和120 mT的垂直磁场中会促进其迁移[25]。此外，研究表明，在地磁场被屏蔽的亚磁场条件下，人神经母细胞瘤SH-SY5Y细胞系的迁移和侵袭受到抑制[26]。由于稳态磁场所产生的生物学效应与磁场强度、梯度、处理时间和细胞类型等多种因素相关，从目前仅有的几项关于稳态磁场对肿瘤细胞侵袭和迁移影响的研究还不足以得出任何确切结论，因此我们需要进行大量的相关研究，从而确定不同参数稳态磁场与不同类型肿瘤转移之间的关系。

图1 两种不同的加磁方式

3.2 非稳态磁场与肿瘤转移

相比于稳态磁场而言，关于非稳态磁场与肿瘤转移的研究相对较多，并且其结果根据磁场具体参数和所研究的生物样品不同而有所不同。

一些研究结果表明特定参数的非稳态磁场可以抑制肿瘤转移。研究人员对人乳腺癌MDA-MB-435细胞的荷瘤裸鼠每天使用5.5 mT叠加磁场，发现磁场处理对转移肿瘤的扩散和生长有显著的抑制作用，并且磁场诱导的抑制效果显著强于化疗药环磷酰胺的作用[27]。Cameron等人研究发现接受IR或TEMF治疗的小鼠的肺转移结节和肿瘤血管的生成明显少于对照组，且肿瘤生长速度更缓慢[28]。研究人员将淋巴瘤动物模型AKR/J小鼠长期暴露于全球移动通信系统产生的电磁场中，发现暴露于电磁场的小鼠组织切片的转移性浸润率要低于对照组[29]。Novikov等人发现组合磁场处理Ehrlich腹水癌(EAC)小鼠的肿瘤组织明显少于对照组小鼠，且肿瘤转移明显减少[30]。侯亚义课题组的一项研究中使用0.4 T 7.5 Hz的低频旋转磁场处理B16-F10黑色素瘤细胞，发现B16-F10细胞的生长受到抑制，且抑制作用与细胞周期受阻，细胞核染色质分解有关，而将B16-F10黑色素瘤细胞尾静脉注射到C57BL/6小鼠中，并使用0.4 T 7.5 Hz低频旋转磁场处理，发现小鼠存活时间延长，黑色素瘤转移受到抑制，并且小鼠的免疫功能被提升[31]。

也有一些研究表明动态磁场不影响或者甚至可能促进肿瘤转移。1997年有学者发现磁场处理组和对照组小鼠的胸腺淋巴瘤和淋巴瘤性白血病发生率并没有明显差别，但是经磁场处理的小鼠淋巴瘤细胞向肝脏的致密转移浸润比对照组更显著[32]。Leman等人使用0.3 mT 2 Hz的脉冲电磁场与褪黑激素对3种乳腺癌细胞的侵袭并没有显著影响[33]。Santini等人将MG-63骨肉瘤球状体放在1 mT 50 Hz的极低频交变磁场中处理2 d，发现磁场对其无损伤，但球体的侵袭能力显著增加[34]。在之后的一项研究中，研究人员将两种不同来源的乳腺癌细胞MCF-7放在1.2 μT 50 Hz的交变电磁场中处理，发现电磁场可能能够增加乳腺癌的转移潜能[35]。

表1 磁场对肿瘤转移的影响

4 磁场联合磁性纳米材料影响肿瘤转移

4.1 稳态磁场联合磁性纳米材料

随着近年来科技的进步和医学的发展，研究人员提出了多种新型肿瘤靶向和癌症治疗方法，例如基于纳米技术的肿瘤相关研究发展十分迅速，目前已有多项研究发现稳态磁场与纳米颗粒联合应用于肿瘤治疗可以有效抑制肿瘤转移 (表2)，其原理大多集中在利用梯度稳态磁场来将磁性纳米颗粒定位于肿瘤所在部位，从而进行“靶向治疗”[36-37](图2)。其中具有代表性的一项工作是研究者对雌性Balb/c小鼠右后足垫注射4T1小鼠乳腺癌细胞后，在其原发性肿瘤位置注射磁性纳米颗粒，并在其附近的前哨淋巴结部位附着0.3 T的磁体，发现磁性纳米颗粒可以主动穿过淋巴系统并积聚在前哨淋巴结中，然后用808 nm近红外激光进行处理，使磁性纳米粒子有效升温，从而消融原发性肿瘤和SLN(前哨淋巴结)，有效地抑制了淋巴结转移并显著延长动物存活时间[38]。研究人员发现采用30 mT的稳态磁场与MNC(磁敏感复合纳米颗粒)联合作用，对Lewis肺癌细胞以及Lewis肺癌小鼠表现出了更强的抗肿瘤和抗转移效果[39]。

图2 一种常见的利用稳态磁场和磁性纳米材料实现磁靶向的方法

表2 磁场联合磁性纳米材料对肿瘤转移的影响

此外，在2011年就有人提出了一种使用磁流体模拟微重力治疗肿瘤的新方法，该方法是通过外加磁场将静脉注射或直接注射的磁流体导航至肿瘤所在位置，然后在外部均匀磁场的作用下产生精准的局部微重力环境，从而抑制癌细胞的生长和侵袭[40]。在荷有原位4T1乳腺癌的Balb/c小鼠中，通过对小鼠瘤内注射由铁微粒组成的磁流变液，然后局部施加0.4 T稳态磁场，导致磁流变液立即聚结，肿瘤细胞死亡、原发性肿瘤生长缓慢并且肿瘤的转移和侵袭受到了抑制[41]。Dandamudi等人研究了外加磁场与带有磁性的阳离子脂质体联合在肿瘤治疗中的应用，发现外部施加磁场显著提高了药物的靶向性及抗肿瘤效果，并且减少了优先转移部位肿瘤结节的存在[42]。

图3 一种常见的利用稳态磁场和磁性纳米材料实现肿瘤细胞富集的方法

此外，人们还可以利用稳态磁场来富集磁性纳米材料标记的循环肿瘤细胞，从而实现肿瘤细胞的靶向提取(图3)。Scarberry等人利用一种可以靶向卵巢癌细胞表达EphA2受体的磁性纳米颗粒，在磁场的作用下实现了肿瘤细胞的靶向提取，并且成功地从卵巢癌小鼠腹腔和循环系统中清除转移的肿瘤细胞，延长了小鼠寿命[43]。Galanzha等人通过磁场和磁性纳米颗粒捕获小鼠血液中的循环肿瘤细胞，以快速进行光声检测[44]。研究人员也使用了对肿瘤细胞表面受体具有选择性的配体功能化的磁性纳米颗粒，联合磁场，采用磁过滤去除磁性颗粒-肿瘤细胞偶联物的方法，延长了腹腔注射卵巢癌细胞小鼠的寿命[45]。

4.2 非稳态磁场联合磁性纳米材料

除了稳态磁场对纳米材料的磁靶向以外，有大量研究显示非稳态磁场(动态磁场)可以与纳米颗粒和药物等联合，对肿瘤转移进行干扰。Benyettou等人合成一种载药磁性纳米颗粒(DCZ-NPs)，用DCZ-NPs联合3.35 T 464 kHz的交变磁场对乳腺癌MCF-7细胞进行处理，发现可以升高细胞温度并触发细胞内DOXO的释放，对MCF-7细胞产生毒性并抑制其黏附和侵袭[46]。此外，Stefan等人研究了一种将磁流体热疗用于临床应用的新型治疗系统，优化后的磁性纳米颗粒可用于靶向胶质母细胞瘤和前列腺癌的治疗[47]。早在2003年就有学者利用磁性脂质体作为加热介质，外加交变磁场产生热疗，研究其对日本雌性大白兔VX7舌癌颈淋巴结转移的影响[48]。Hergt和Dutz分析了与磁性颗粒热疗相关损耗过程的特定损耗功率，并总结了在肿瘤内部热疗所需最小磁性颗粒浓度，为磁性颗粒的热疗应用提供了一定的理论支持[49]。研究者开发了一种利用磁场和磁性材料治疗转移性骨肿瘤的热疗，并在人体上进行了实验[50]。

综上所述，稳态与非稳态磁场与纳米粒子的联合作用都能对肿瘤产生一定的抑制效果。虽然由于篇幅的原因和研究数量的庞大，我们并没有对非稳态磁场和纳米粒子进行详尽的介绍，但是目前的研究结果显示非稳态磁场联合磁性纳米颗粒的研究相比稳态磁场而言更多，并且应用更为广泛。事实上，将稳态与非稳态磁场结合起来联合纳米粒子会是一个更有前景的领域。

5 磁场与肿瘤转移的机制研究

众所周知，基质金属蛋白酶(MMPs)的主要生理功能是降解细胞外基质成分，在人体多种生理病理过程发挥重要作用，其中MMP-9是Ⅳ型胶原酶，在肿瘤转移过程中起着关键作用。Caliskan等人发现脉冲电磁场处理7 d显著降低了低剂量IL-1β刺激的人软骨肉瘤细胞中的MMP-9蛋白水平[51]。最近的一项研究对人正常乳腺MCF10A细胞、人乳腺导管瘤BT474细胞以及人乳腺癌MDA-MB-231细胞进行100 mT 1 Hz的极低频电磁场处理，降低了细胞的NM23和MMP-9转录水平以及抑制了细胞迁移能力[52]。然而，Zhang等人一项研究中使用了5 mT 200 Hz的脉冲电磁场对4种人骨肉瘤细胞系和2种小鼠骨肉瘤细胞系处理，检测了其MMP-2/9表达水平，结果发现脉冲电磁场处理对肿瘤细胞侵袭和转移相关的一些分子的表达并没有影响[53]；但也有研究表明，使用1 mT 50 Hz的脉冲电磁场处理24 h增加了人髓系白血病单核细胞THP-1的MMP-2/9的表达，并且提高了MMP-9的活性[54]。由此可见，同样使用脉冲电磁场处理但导致的结果不同，这可能与细胞类型、脉冲电磁场的参数以及处理方式等的不同均有关系。

除MMP之外，也有研究显示50 Hz工频磁场可以影响与肿瘤转移相关的细胞黏附分子CAMs及其受体以及E-钙黏蛋白等[55-56]。除了肿瘤细胞本身，Strelczyk等人发现586 mT稳态磁场处理3 h可以有效减少功能性血管的密度、直径以及红细胞流速，进而抑制肿瘤血管生成和生长[57]。

6 总结与展望

人体本身是一个电磁体，因此会被一定频率和强度的磁场所影响。近些年来有多项研究表明稳态和低频磁场在肿瘤治疗方面有着潜在的应用前景。本文主要讨论了磁场与肿瘤转移相关研究进展，其中涉及不同磁场处理条件以及不同肿瘤细胞类型，其结果不尽相同。但是，从现有数据看来，一定参数的磁场或者磁场与其他方式的联合处理可能会对肿瘤细胞的迁移、侵袭和肿瘤的体内转移等有一定的抑制作用，揭示了磁场在癌症辅助治疗方面的潜力。然而，目前对于磁场与肿瘤转移相关的研究还远远不够，因此我们需要对磁场参数、处理方式和肿瘤类型等进行一系列系统深入地研究，并探究其背后的生物学和物理学机制，才有可能更好更快地将磁场应用于未来的医学领域，为肿瘤治疗提供新的思路和方法。

致谢：感谢王舒童为本文供图。