超顺磁性氧化铁纳米粒子在癌症诊疗中的研究进展

刘卓妍 宋晓伟 崔云秋 全姬善 金光玉

(延边大学 1附属医院，吉林 延吉 133000;2药学院)

诊断治疗学是一种将诊断与治疗相结合的临床策略，可实现诊断与药物治疗同时进行，并可实时地获得疾病发生和发展信息，及时、合理地指导临床调整治疗方案，近年来作为一种新的治疗手段备受关注，特别在癌症诊疗领域有重大的应用前景。超顺磁性氧化铁纳米粒子(SPION)作为磁共振成像(MRI)的T2负性造影剂发挥重要作用，是分子影像学研究中的热点。SPION由磁铁矿或磁赤铁矿组成，直径在1～100 nm。主要特性包括：具有超顺磁性，即在较低的磁场下可以产生较高的磁化能力；形成稳定的磁流体；可通过外界磁场将其引导到体内所需部位；可通过实体瘤的高通透性和滞留效应(EPR)从而被动靶向到肿瘤部位〔1,2〕。因具有以上优良特性，SPION作为MRI的T2负性造影剂在肿瘤的诊断中应用广泛〔3,4〕。例如，1996年美国食品药物管理局(FDA)批准用于肝脏造影的注射剂——菲立磁(Ferumoxides)，随后出现多种以超顺磁性氧化铁(SPIO)及超小超顺磁性氧化铁(USPIO)为磁心的MRI造影剂。一般认为USPIO粒径小于40 nm，因其比SPIO粒径小而容易逃避网状内皮系统(RES)的摄取，具有更长的半衰期更利于MRI。然而上述产品仅通过被动靶向模式实现MRI，缺乏区分特定肿瘤类型与正常组织的特异性，且仅具有诊断功能，并无治疗功能。近年来，将SPION进行改性和表面修饰(作为造影剂)而进行的MRI引导下的可视化药物传递、基因治疗及磁热疗等多功能治疗手段成为肿瘤诊疗学研究领域的热点〔5〕。本文就SPION在诊疗学中的研究进展进行综述。

1 化疗

在肿瘤的多种治疗方法中，化疗已经成为最重要的治疗手段，是现今临床上最常用、最有效的肿瘤治疗方法。传统化疗最严重的缺陷为无靶向性，虽然可以有效杀灭肿瘤细胞，但也对正常细胞造成损伤，从而导致诸多不良反应和并发症〔6〕。具有靶向性的药物载体，可使药物浓集于肿瘤部位，增加化疗药物在肿瘤部位的浓度，从而减少对非靶向细胞的毒性〔7〕。因加载SPION的药物载体可在外加磁场条件下靶向传递药物，并可在MRI下实时观测药物的递送，成为近年来研究热点，现将几种常用的加载SPION的纳米载体列举如下：

1.1脂质体 脂质体是公认的药物递送纳米载体，可通过薄膜分散法、透析法和反相蒸发法等方法制备。良好的生物相容性和细胞渗透性使其有利于化疗药物的递送〔8〕。利用脂质体作为载体将化疗药物和SPION递送到体内，可使药物靶向释放，减少毒性，增加难溶药物的生物相容性，还可以实现MRI引导下的体内药物实时追踪〔9〕。Chen等〔10〕应用改进的反相蒸发法制备了聚乙二醇修饰的包裹SPION和盐酸阿霉素(DOX)的双层脂质体，细胞实验结果显示包裹SPION及DOX的脂质体和未包裹SPION及DOX的脂质体抗肿瘤效果相似，在电磁场作用下包裹SPION和DOX的脂质体抗肿瘤效果增加了40%，而未包裹SPION和DOX的脂质体组在加入电磁场前后抗肿瘤效果无明显变化，与此同时，脂质体对DOX的包裹使得DOX较市售DOX注射剂进入体内量减少，达到低剂量化疗的目的。紫杉醇是通过作用于细胞中的微管来抑制有丝分裂停滞的化疗药，可用于治疗多种实体瘤，因疏水性及严重副作用，其治疗指数低，Zhong等〔11〕应用薄膜分散法制备了包裹SPION和紫杉醇的脂质体，其在水溶液中稳定性高，持续释放能力强，在磁场引导下可靶向递送到肿瘤部位，相比于游离的SPION，其具有更高的MRI T2灵敏度，使其成为很有前景治疗肿瘤的多功能平台。

外加磁场条件下，由于SPION的存在可使药物更有效地到达肿瘤部位，与主动靶向配体相结合后，磁性脂质体的药物靶向递送能力更强。叶酸是肿瘤细胞增殖的关键，通常在肿瘤细胞中过表达，叶酸受体(FR)是一种细胞表面受体，可以特异性结合和内化叶酸。Bothun等〔12〕制备了叶酸受体靶向的包裹DOX的阳离子磁性脂质体，药物包裹率达到89%，在交流电磁场加热时DOX的释放率是游离药物的3倍。高叶酸受体表达的人宫颈癌细胞体外摄取实验结果表明，叶酸靶向磁性脂质体较未加叶酸靶向脂质体的摄取率明显升高。多重靶向可以更好地实现靶向效果，能够穿过传统药物难以通过的血脑屏障(BBB)，磁性脂质体作为药物载体、基因载体前景广阔，但磁性脂质体易于聚集导致循环时间短和静脉给药后的包涵体渗漏，如何使脂质体长期保存，并实现在体内可控释放仍亟待解决〔13〕。

1.2胶束 为实现化疗药物与SPION的同时递送，载体材料必须能够保护内容物免于降解并防止过早释放，双亲嵌段共聚物胶束是较为理想的递送载体。Situ等〔14〕合成了A54肽官能化的聚合物胶束，将DOX作为抗肿瘤的模型药物，SPION作为MRI造影剂包裹其中，可以特异性靶向肝癌细胞系BEL-7402，A54肽聚合物胶束与BEL-7402细胞的特异性结合导致细胞表面受体过度表达和受体介导的内吞作用及肿瘤细胞中的EPR增加了肿瘤细胞的摄取，结果显示与市售DOX注射剂相比，DOX/SPION胶束具有治疗效果好、毒性低的特点，并具有与裸SPION相近的弛豫率，可作为MRI造影剂用于成像，实时监测药物累积情况，以调整治疗方案。因肿瘤部位的微环境致使肿瘤部位pH值低于血液，Feng等〔15〕合成了一种pH敏感性的包裹紫杉醇和SPION的纳米胶束，以尽量减少细胞毒性药物在血液中释放和在肿瘤酸性条件下最大化释放药物，达到杀死肿瘤细胞的目的，并且可通过MRI使药物分散部位可视化，尽管这种方法对肿瘤的治疗具有明显的靶向性，但是由于pH敏感性外壳对环境中pH过于敏感，这可能会影响药物载体核心的稳定性。

1.3纳米粒 纳米粒也称毫微粒，是介于10～1 000 nm的固态颗粒，可作为传导或输送药物的载体，提高药物的疗效，减少副作用。Menon等〔16〕合成了一种含放射增敏剂NU7441和吉西他滨的叶酸受体靶向的多功能磁性纳米粒子用于肺癌的诊疗。体外实验显示其具有良好的稳定性及生物相容性，可剂量依赖性的吸入给药通过小窝蛋白介导的内吞途径被细胞摄取，增加放化疗的治疗疗效，有效地抑制肿瘤生长甚至消除肿瘤，并可通过MRI实时监测药物释放。Gao等〔17〕制备了叶酸(FA)聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)包裹DOX及SPIO的纳米粒(F/A-PLGA@DOX/SPIO)，FA和可激活的细胞穿透肽(ACPP)的表面修饰赋予了纳米粒的靶向能力，因FA可以特异性识别A549表面的过表达的FR-α，体外实验证实F/A-PLGA@DOX/SPIO可以促进肺癌细胞A549内的活性氧(ROS)过量产生，诱导细胞死亡。通过MRI系统追踪和测量裸鼠模型的肿瘤治疗情况，证实其治疗肿瘤的效果优于单独DOX组并且对其他组织未见明显损伤。纳米粒的大小和形状会直接影响细胞的摄取，静脉注射给药直径大于200 nm的纳米粒积聚在肝脏和脾脏中被单核吞噬系统清除，直径小于10 nm会经由肾脏排出体外，为使纳米粒有效聚集在肿瘤部位需要控制纳米粒直径在30～200 nm。棒状纳米粒表现出的细胞摄取最高，其次是球形、圆柱体等，目前为止，多数研究都关注球形纳米粒，可能是因为非球形纳米粒与细胞的相互作用较球形复杂许多。

2 基因治疗

化学疗法是杀死肿瘤细胞和正常组织中分裂速度较快的细胞，由于很多肿瘤的基因表达出现异常，随着人类基因组计划的实施，开发了特异性阻断这些基因或下游目标分子的靶向治疗，基因治疗在肿瘤治疗中扮演日渐重要的角色。由于DNA和RNA分子对生物体内的酶和pH环境十分敏感，保证目的基因在到达靶组织前不被降解和清除十分必要。常用的方法有两种：(1)通过二硫键将DNA或RNA分子连接到纳米材料上；(2)利用基因载体将DNA或RNA分子携带到细胞内〔18〕。基因载体分为两大类：病毒载体和非病毒载体。病毒载体通过感染将目的基因导入宿主细胞，其组织特异靶向性是保证基因治疗安全有效的关键〔19〕。目前应用病毒载体对地中海贫血、维-奥综合征及帕金森病的治疗已初见成效〔20〕。如今也有上市的药物今又生、宫颈癌疫苗等。非病毒基因载体由于其灵活的设计、低细胞毒性及免疫原性，成为基因载体研究领域的热点〔21〕。SPION和基因共同导入体内，既可以在MRI下检测到目的基因是否到达靶组织，也可以通过外加磁场增加基因进入细胞的效率。常用的非病毒载体主要有阳离子聚合物和阳离子脂质体。

2.1阳离子聚合物 阳离子聚合物通过静电相互作用可以结合带负电的核酸分子。其中聚乙烯亚胺(PEI)分子中含有高密度胺基基团，具有质子海绵效应，可将核酸浓缩，保护其免受核酸酶的损伤〔22〕。阳离子聚合物表面正电荷增强细胞的摄取，但是其表面的正电荷和血液中阴离子红细胞膜之间的电荷相互作用可能导致红细胞聚集，降低阳离子聚合物的血浆半衰期也增加溶血和栓塞的风险。为解决这一问题，Yang 等〔23〕合成了靶向肝癌细胞表面唾液酸糖蛋白受体的半乳糖(Gal)和PEI修饰的SPION(Gal-PEI-SPION)，血清稳定性检测结果表明Gal-PEI-SPION可保护siRNA免于血清降解，并延长siRNA在体内的半衰期。此外，Gal-PEI-SPION可特异性地将siRNA递送至靶组织，并抑制肿瘤生长。

二硫键被称为生物响应性链接，由于其独特的生物学特性而受到关注，阳离子聚合物可通过二硫键将核酸连接到纳米材料上，将核酸导入细胞内，细胞内的谷胱甘肽将二硫键裂解，从而释放核酸分子达到基因治疗的目的，这样可以使核酸与纳米材料连接更紧密，增加转染效率〔24〕。Li等〔25〕构建了一种含有二硫键的阳离子聚合物SPION颗粒，其可将特定的核酸分子递送到癌细胞内，引起生长抑制和细胞凋亡，且高效低毒。裸鼠肿瘤模型的体内实验结果显示该纳米粒子可作为MRI的T2负性造影剂。

2.2阳离子脂质体 阳离子脂质体带正电荷，肿瘤细胞因恶性转化后组合物发生变化使其表面带负电荷，因此阳离子脂质体对肿瘤细胞具有亲和力，脂质体还可在体内保护质粒DNA免受核酸酶的影响从而延长外源性DNA和mRNA半衰期〔26〕。阳离子脂质体免疫原性低易被降解，与基因的复合过程较容易，且易于大规模生产。高分子量的PEI具有较高的细胞毒性，低分子量的PEI虽然细胞毒性较低，但是DNA在细胞质中的传递受到限制，Song等〔27〕制备了聚乙烯亚胺包被SPION的阳离子脂质体(LP-PEI-SPION)，证实了低分子量PEI与阳离子脂质体结合显示出较好的转染效率，且在3个细胞系上均显示出清晰的MRI，实现无创检测基因治疗结果。彭钊〔28〕制备了共载DOX和SATB1-shRNA的新型热敏磁靶向阳离子脂质体，使得在传递药物和基因的同时，通过定向磁场和交变磁场的作用，提高了药物和基因传递效率，并通过MRI实现了药物实时监测。然而，脂质体中阳离子浓度过高会使其与体内循环中的阴离子物质产生相互静电作用而聚集，导致肿瘤的EPR降低，较高的电荷通常更具细胞毒性。Pinnapireddy等〔29〕将PEI与阴离子脂质体联用，降低其表面电荷，从而提高转染效率降低毒性。

目前非病毒载体取得了较大的进展，然而非病毒载体的细胞毒性是阻碍基因递送和基因下调载体治疗用途的主要缺点，发现更适合的载体或对已有载体进行修饰以提高转染效率，延长目的基因表达时间，降低生物毒性仍需进一步研究。基因治疗的主要局限性是肿瘤的复杂性，其可能包含数百种遗传变异，有研究表明〔19〕目前为止，不到5%的筛查患者与个性化试验相匹配，因此，未来需要研究针对更广泛的肿瘤基因，结合其他疗法协同治疗肿瘤。

3 磁热疗

磁热疗是一种非侵入性的肿瘤治疗方法。在外部磁场存在的条件下，由于布朗效应，SPION固有的磁性会产生局部高温，当温度达到42℃以上时，癌细胞会发生结构和功能的损伤(蛋白质、细胞膜及细胞骨架破坏)〔30〕，更严重则会致细胞凋亡，而健康组织能够承受42～45℃，温度升高会促进药物的释放，利于进行放化疗〔31〕。Wen 等〔32〕制备了人血清白蛋白(HSA)修饰的SPION(HSA-SPION)，其不仅在MRI上清晰成像，而且对肿瘤区域纳米粒子的积聚和热声检测具有较高的敏感性。体内肿瘤治疗实验的结果显示，由于HSA-SPION微波吸收特性强，能量转换率高，可激发冲击波和生物组织的深层穿透性，其介导的热声治疗对于深部的肿瘤模型具有较好的治疗作用。热声治疗是基于热声效应诱导的空洞，避免了对健康组织连续的热损伤。因HAS在一定程度上阻滞RES识别，增加了血清稳定性，此外，HSA鞘可与各类型肿瘤细胞表面上表达的细胞表面糖蛋白、受体等的相互作用促进了纳米粒的运输，因此HSA-SPION具有较好的发展前景。Sadhukha等〔33〕合成了表皮生长因子受体(EGFR)靶向的SPION(EGFR-SPION)以用于非小细胞肺癌的治疗，结果显示外加磁场后EGFR靶向性增加了EGFR-SPION在肺内的停留时间，使肿瘤生长显著抑制，并在治疗过程中，通过MRI实时监测治疗效果以调整治疗方案。也有研究将化疗与磁热疗相结合，以达到更好的治疗效果。Quinto等〔34〕合成了磷脂-聚乙二醇包被的SPION和DOX复合物，发现复合物在外加磁场后SPION可以产生大量热量使肿瘤部位局部温度升高至凋亡水平，并持续释放DOX而不影响其活性，从而达到了药物递送、磁热疗和MRI三重作用。除诱导特异性肿瘤细胞死亡外，磁热疗诱导的热休克蛋白表达引起的肿瘤特异性免疫反应还可以杀死转移的癌细胞。精准确定肿瘤部位、外加磁场的时间及强度对磁热疗效果十分重要，仍需进一步研究。

4 其 他

此外，由于SPION良好的超顺磁性，它在肿瘤的光热疗法、光动力疗法及放射治疗中也得到了广泛的应用。金纳米材料由于其合成简单、尺寸和形态可调、化学惰性、生物相容性好、易于表面改观。这些特性使得金纳米特别适用于光热疗法，Zhou等〔35〕合成了多功能含金纳米壳的SPION，使用光声-磁共振双模态成像监测小鼠体内肿瘤的光热治疗效果，在外加激光脉冲后还可清晰见肿瘤血管内的结构，为肿瘤的诊疗提供更有前景的平台。Yang等〔36〕应用快速纳米沉淀法合成了包裹SPION、紫杉醇和金纳米颗粒的聚合物颗粒。体外研究结果表明在经聚合物颗粒处理72 h后MCF-7和MDA-MB-231细胞显著死亡，且经激光照射5 min后死亡细胞数进一步增加。尽管金纳米材料显示出有效的光热疗法，但贵金属材料在实际应用中受到高成本的限制。Chen等〔37〕合成了FA靶向的共轭羧甲基月桂基壳聚糖(CLC)SPION胶束(FA-CLC/SPION胶束)，结果表明应用FA-CLC/SPION胶束将放射增敏剂递送至靶肿瘤部位后，安全剂量的射线就可以发挥肿瘤放射治疗的效果，减少了对周围正常组织的副作用，实现低剂量放疗。