目前, 肿瘤的致死率一直居高不下, 究其原因, 临床上存在很多瓶颈亟待解决, 例如如何诊断早期肿瘤, 如何对肿瘤的发生、发展、转移实时监控, 如何评定各种药物的疗效等。临床现采用的检查, 主要是依据定期的常规肿瘤标志物检测及影像学检查, 但无法对早期肿瘤进行定位, 也无法确定肿瘤是否转移[1]。随着研究的层层深入, 发现基因治疗是继放疗和化疗之后的又一种有效治疗手段, 但实际临床应用中仍困难重重, 主要是缺乏有效的基因运载体。本文作者将介绍一下已被美国食品和药品管理局批准应用于临床的磁性氧化铁纳米颗粒, 其独特的物化性质引起众多研究者的兴趣, 也为攻克肿瘤诊疗带来了希望。本文主要阐述磁性氧化铁纳米颗粒的制备修饰及其在基因载体、磁共振造影剂、磁转染、热疗等方面的应用现状, 并根据研究实例综述其临床应用的前景与挑战。
1 磁共振造影剂
肿瘤的临床诊疗最关键的是对微小肿瘤做早期诊断, 获取它们的分子及生理层面的个体化信息, 但常规的影像学手段很难对的微小肿瘤及其转移病灶进行定位和成像。磁性氧化铁纳米颗粒可作为一种良好的构建多功能、智能化的磁共振分子影像探针的选择材料[4]。以磁性氧化铁纳米颗粒为基础构建的造影剂在疾病诊断中已得到成功的临床应用, 它能提供优良的检测信号、增强病变组织与正常组织之间的对比度和生物分布度, 大大提高了造影的灵敏性和特异性, 从而提高了诊断效率。磁性氧化铁纳米造影剂一般主要由3部分组成[5], 由内向外依次是:纳米粒子核, 来增强造影效果;包被壳层, 如聚乙二醇等, 来提高溶液稳定性;生物活性分子, 如蛋白、多肽和抗体等, 来提高靶向性。
现如今, 磁性氧化铁纳米造影剂已成功商品化, 依据其流体动力学直径 (40-50 nm) 的不同, 大致可分为两种类型[6], SPIO (small particle of iron oxide) 和USPIO (ultrasmall particle of iron oxide) 。SPIO类注射后, 能迅速被吞噬细胞吞噬, 分布到肝、脾及骨髓等网状内皮系统中, 临床上主要用于肝部损伤的临床诊断和良恶性肿瘤的鉴别诊断[7]。USPIO类是超小型纳米颗粒, 它能在血液中循环较长时间, 注射后, 其中一部分会从血液系统进入淋巴系统, 临床主要用于肿瘤的淋巴结转移的诊断, 它的构建, 扩大了氧化铁纳米造影剂在肿瘤早期诊断中的应用范围[8]。氧化铁纳米造影剂可大大提高肿瘤的早期检出率, 其中对前列腺癌的淋巴结转移的研究表明, 氧化铁纳米造影剂可做到非侵入性的检测, 其不仅可以检测出前列腺癌病人体内微小的淋巴结转移, 还能检测出隐藏的淋巴结转移[5]。
CHEN Y等人[9], 构建了PEG-g-PEI-SPION复合物, 其能很好的结合 (sc Fv (CD44v6) 抗体和si RNA, 既能实现了靶向治疗, 又可以利用SPION的造影剂功能将肿瘤的诊断和基因沉默结合起来, 大大提高了肿瘤的治疗效果, 为攻克肿瘤带来了新的希望。
2 磁转染辅助技术
磁性转染是一种新型的助基因转染技术, 其靶向性强、转染效率高。磁性纳米颗粒和某些生物大分子通过化学共价键或物理粘附作用结合, 形成具有磁感应性的微粒, 磁性微粒可直接与功能基因相结合, 也可利用其表面活性与传统的病毒或非病毒载体耦联, 再与目的基因相结合, 构成负载基因的磁性微球, 外加梯度磁场, 磁性微球会随着磁场力的导向在靶位器官或组织富集, 在细胞的胞吞作用下, 磁性微球进入细胞内, 目的基因释放, 从而发挥高效靶向治疗作用[10]。
体外条件下, 可在细胞培养瓶或皿底部外加磁铁, 借助静态磁场作用, 可加快复合物的沉积速度, 使其快速接触细胞膜并进入细胞质, 提高转染速率。体内条件下, 通过磁转染的方式可将载体定向输送到靶部位, 克服了载体聚集缓慢以及靶部位载体浓度过低的问题, 提高了基因载体的靶向性和基因转染效率[11]。
体外基因转染中, CHEN D等人[12]用聚乙烯亚胺修饰的磁性氧化铁纳米颗粒作为基因载体连接含有荧光素酶报告基因的质粒p GL2, 转染到不同的细胞系, 将Nd-Fe-B磁铁放于培养板底部, 结果显示, 不同细胞的转染效率不同, 但转染效率是脂质体对照组的5-10倍, 而且转染后细胞增殖活性及功能优于脂质体的对照组, 侧面证明了其细胞毒性低于脂质体的细胞毒性;SAPET C等[13]人还将磁性纳米颗粒与腺病毒结合, 通过磁转染导入细胞内部, 结果显示, 磁性纳米颗粒可以促进腺病毒的转导, 还可以利用磁场对细胞进行分拣。体内基因转染中, PLANK C等[14]将超顺磁性纳米颗粒与含Lac Z报告基因的质粒连接后, 通过内腔注射到小鼠胃或者肠血管, 并将矩形的NdFe-B磁铁直接接触目标组织, 结果显示, 基因转化表达被限制在磁铁形状所在的区域, 说明磁场介导的胃肠道和血管体内局部转化是可行的。这些开创性的研究初步显示, 磁性转染做为一种新型的基因转染技术具有一定的可行性, 其在靶向性、转染效率等方面具有独特的优势, 为基因治疗开辟了新的思路。
3 磁感应热疗
磁感应热疗是一种新型的肿瘤治疗手段, 磁性氧化铁纳米颗粒在交变磁场存在时, 如果强度和频率合适, 可吸收能量使自身温度升高, 这些热量会均匀的释放到肿瘤组织, 由于肿瘤组织自身供血不足, 热量扩散较慢, 会使局部温度升高, 对热敏感的细胞会被趁机杀死, 而对正常组织细胞产生的影响较小[15]。尽管磁性氧化铁纳米颗粒产生的热效应会随着体外磁场振幅和频率的增加而相应提高, ZEISBERGER M等[16]研究指出, 磁性氧化铁纳米颗粒发挥热疗效能的合理磁场值应设定频率为400 k Hz, 振幅为10 k A/m。有研究表明, 肿瘤细胞在高温的环境下对放射线更为敏感, 因此, 热疗有望与放疗结合来共同治疗肿瘤。
KIM K Y等[17]将磁性氧化铁纳米颗粒溶液经会阴注射入前列腺癌患者的前列腺内, 并将患者置于一个高频交变磁场中, 由于肿瘤组织对纳米颗粒的清除率较低, 磁性铁氧化纳米颗粒能持续发挥热疗效应。通常患者的热疗周期为每周一次, 每次60 min, 连续6周为一个疗程, 借助计算机断层成像检测组织样本中氧化铁纳米颗粒的含量。结果表明, 通过治疗, 90%的前列腺癌组织热疗中位温度超过43℃, 最高可以达到55℃, 说明磁性氧化铁纳米颗粒介导的热疗是切实可行的。YANG C L等[18]构建了磁性氧化铁纳米颗粒-脂质体复合体, 在通过体内外实验证明复合体能够靶向目标组织, 发挥其潜在的热疗作用。人们还将磁性氧化铁纳米颗粒与磁性基因联合作用于机体, 结果表明, 除了颗粒本身的磁感应热效应外, 热疗还可以增强抗癌基因的细胞毒性, 提高机体免疫力[19]。另外, 国内外研究资料表明, 外加磁场也可以抑制肿瘤组织生长, 其机制是影响癌组织的生物磁场, 扰乱其供血、供氧, 使癌细胞胞膜功能发生改变, 影响其物质交换, 抑制肿瘤细胞增殖等。
4 临床应用的前景与挑战
近年来, 磁性氧化铁纳米颗粒已广泛应用在生物医学领域, 包括生物分离、磁共振造影、磁靶向药物、肿瘤的磁热治疗等诸多方面, 在作为肿瘤基因诊疗的应用研究中已取得了较大的进展, 但离具体的临床应用还有很大的差距。磁性氧化铁纳米颗粒终极目标是实现在生物体内应用, 目前为止, 还存在着许多瓶颈。生物体内应用要求磁性纳米材料不仅具有良好的水溶性和生物相容性, 同时还要具备表面功能性, 利用磁性纳米材料表面功能基团与可识别病灶的功能分子进行耦联, 是实现磁性纳米晶体在疾病鉴别诊断中应用的最可行的手段之一。
首先, 由于磁性氧化铁纳米颗粒的粒径小, 相对表面积大, 且本身又具有磁性, 容易发生团聚, 如何提高颗粒表面功能基团的活性, 以增强其主动靶向性而抑制网状内皮系统的吞噬作用;如何提高颗粒的载药量, 防止其在传送过程中基因的渗漏, 以及在病灶区域的基因释放量、速度等问题, 将依然是今后研究的热点与重点。其次, 磁性氧化铁纳米颗粒的生物安全性和相容性仍有待继续考察, 其在体内积累所应有的安全剂量以及引起的不良反应等问题尚需要长期的深入研究;另外, 磁性氧化铁纳米颗粒在体内转染研究中对磁场的敏感性和靶向性表现得并不突出, 因此在偶联基因片段的同时, 可尝试再连接特异性的配体或抗体, 即将多种运输方式结合起来应用, 可以起到双重或多重靶向的作用。还有许多困难, 如作为基因治疗载体的可控性, 磁共振造影的可调性、磁转染中磁场的选择和定位、靶向热疗的温度控制等, 这些困难的克服, 需要多个学科的相互渗透和共同努力。
5 结语
综上所述, 磁性氧化铁纳米颗粒具有独特的物理化学性质, 可作为磁共振造影的造影剂, 能将肿瘤的诊断和基因治疗成功结合起来, 促进了基因诊疗的诞生, 其还可以借助磁转染和热疗等技术, 大大的提高肿瘤的治疗效果, 相信不久的将来, 随着各项技术的不断成熟, 其必将获得更广泛的应用, 在肿瘤基因诊疗方面将掀开新篇章。
摘要：目的 综述近年来磁性氧化铁纳米颗粒与磁共振造影, 磁转染, 热疗等技术相结合在肿瘤诊疗方面的研究进展。方法 参考国内外相关文献19篇, 进行相关信息的分析、归纳和总结。结果 阐述了磁性氧化铁纳米颗粒与基因治疗和磁共振造影相结合, 成功的将肿瘤诊断和基因治疗结合起来, 促进了新领域肿瘤诊疗的诞生和磁转染, 热疗等技术的发展。结论 磁性氧化铁纳米颗粒在肿瘤诊疗疗方面将会有广阔的发展的前景。
关键词：磁性氧化铁纳米颗粒,肿瘤诊疗,基因治疗,磁共振造影,磁转染,热疗
参考文献
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