磁性纳米四氧化三铁在肿瘤热疗领域中的研究进展*

杨丽媛，陈华波，周 茜，舒先涛，余燕敏

湖北文理学院医学院，湖北 襄阳 441053

尽管医学治疗手段日新月异，恶性肿瘤仍然是严重危害人类生命健康的主要致死性疾病之一。传统恶性肿瘤治疗手段主要有化学药物治疗（化疗）、放射线治疗（放疗）和手术疗法等。放化疗靶向性差，难以在病灶部位形成有效浓度、对正常组织细胞的毒副作用较大，出现了不同程度的副作用，严重影响患者生活质量。1957年，Gilchrist等［1］首次提出磁材料介导靶向性热疗的概念（Magnetic Mediated Hyperthermia，MMH），推动了肿瘤热疗向着精准医学和临床应用方向发展。磁材料可在体外交变磁场作用下有效靶向定位于肿瘤组织，并局部升温（41～46℃），肿瘤细胞和正常细胞热敏感不同，利用生物热效应，杀死肿瘤细胞的同时对正常细胞不造成损伤，从而达到有效治疗肿瘤的目的。当外磁场撤去，磁性纳米颗粒可经血液循环进入炎症肿瘤相关部位或者被肝、脾及淋巴结等处的吞噬细胞系统所识别被机体清除。因此该疗法疗效肯定、副作用少且属于无创或微创疗法，安全性高，可有效提高患者的生活质量、延长生存时间，故被国际医学界称为新兴的“绿色疗法”［2］。

目前磁热疗临床研究已得到国内外研究者们的广泛关注［2-3］。在前列腺癌［3］、胰腺癌［4］、肝癌［5］、宫颈癌［6］等恶性肿瘤的临床治疗中，均取得了较好的成效。但是，临床磁感应靶向热疗仍面临诸多难题，主要集中在磁性材料的产热效率不够理想和适用于临床且对人体无损害的磁场发生设备仍有改进空间两个方面，因此，高产热效率的磁性材料是决定疗效的关键因素。纳米粒子的粒径、元素组成、形貌以及表面修饰等因素将直接影响磁性材料的产热效率。因此，合理设计制备高产热效率的磁性纳米结构和有效进行表面修饰迫在眉睫。

1 纳米磁性Fe3O4颗粒制备方法的研究

国内外研究者利用不同的制备合成方法合成了形貌各异、粒径可控的氧化铁纳米颗粒［7-8］。制备方法主要分为以下几类：共沉淀法、高温热解法、（水）溶剂热法、溶胶-凝胶法物理粉碎法等，各类方法各有其优缺点。

共沉淀法是目前合成超顺磁Fe3O4纳米粒子最常用的方法之一［8］。1972年，Reimers等［9］按一定比例将含Fe3+的前驱物与含Fe2+的的前驱物溶液混合，用过量碱性溶液（如NaOH溶液等）作沉淀剂，通过调整温度、浓度、pH值及表面活性剂用量，制得不同粒径、形貌各异，性能不同的磁性Fe3O4纳米粒子［10-11］。该法制备工艺简单、原料无毒且价廉、设备要求低、反应时间短、反应易控制，可批量制备。但该方法存在一定的缺点，如得到的磁性颗粒单分散性较差、易团聚、粒径分布不均一。

Smolkova等［12］利用共沉淀法研究扩散可控情况下生成粒径统一的超顺磁Fe3O4，指出前驱物的添加顺序直接影响超顺磁Fe3O4纳米颗粒的聚集，进而影响超顺磁Fe3O4纳米材料的产热效率。Kruse等［13］利用一步共沉淀合成超顺磁Fe3O4纳米粒子，并对其表面进行融合蛋白CREKA修饰，该材料具有较好的稳定性，低细胞毒性，在交变磁场作用下，可有效升温至41℃～45℃，该材料MMH辅助体外顺铂治疗恶性肿瘤与单纯顺铂治疗相比，其可有效提高顺铂的疗效。

高温热分解法是指铁的配合物（乙酰丙酮铁、油酸铁等含有羰基的铁的配合物）在一定的高温条件分解、成核、生长得到Fe3O4纳米颗粒。Kandasamy等［14］通过250摄氏度高温热解乙酰丙酮铁（Ⅲ）制备矫顽力大且分散性良好的花形Fe3O4纳米团簇，其磁热疗可有效抑制HepG2细胞增殖。Guardia等［15］利用200摄氏度高温一步热解乙酰丙酮铁（Ⅲ）制备不同边长（12±1 nm、19±3 nm、25±4 nm、38±9 nm）的超顺磁Fe3O4纳米立方体，不同粒径的超顺磁立方体Fe3O4磁热疗KB癌细胞实验结果表明，19 nm的立方体效果最佳，磁热温度达到41摄氏度1小时，KB癌细胞死亡率可达到50%。

溶剂（水）热法是指以水或溶剂为介质，在密闭容器中进行的温度高于100℃，一定压强下的反应，可制备高纯度、分散性好的产物。Lv等［16］通过溶剂热反应一步合成了具有较高的饱和磁化强度和较低的矫顽力Fe3O4空心微球。欧气局等［17］制备了粒径均一、纯度较高、即使在较弱磁场中也具有良好磁响应性的MWCNT@Fe3O4纳米粒子。

2 氧化铁纳米复合材料在磁热疗恶性肿瘤中的应用

磁性Fe3O4纳米粒子具有小尺寸效应特性，在磁热疗恶性肿瘤细胞过程中须表现强的靶向性、良好生物相容性、产热率高、无创或微创等优点。且其表面界面效应特性可有效结合细胞、DNA、蛋白质以及化学分子等物质，从而在病灶局部快速形成靶向高热区，杀死癌细胞。其磁热疗靶向性机制可分为经静脉被动靶向或主动靶向磁感应热疗两种。

2.1 被动靶向

细胞内溶酶体为纳米颗粒被动靶向点，纳米颗粒的被动靶向性与其粒径大小相关。纳米颗粒在到达靶部位前须通过毛细血管内皮的网状内皮系统（RES），大多数粒径＞7μm的颗粒，被肺毛细血管所滞留，大于100 nm的微粒被肝和脾摄取；介于10 nm和100 nm之间的微粒被骨髓细胞吞噬。因此，利用不同器官吸收纳米颗粒有依赖于粒径大小的特性，可将纳米颗粒定向于相应的靶器官。

Du等［18］建立了兔VX2肝癌模型并为磁流体对照组的家兔注射磁流体，将其暴露于交变磁场一段时间后发现Fe3O4纳米磁流体在实验兔体内外均具有良好的升温性能、较低的生物毒性，能被动靶向至肝组织，可使肿瘤区成功获得较均匀分布的50℃热消融温度，快速升温后有效杀死肿瘤细胞，而正常组织不升温，且可进行重复热疗，疗效不减，具备临床应用价值。

严文辉等［19］合成碳包铁纳米笼壳聚糖微球（Fe@CNCN）在交变磁场中治疗大鼠移植性肝癌，结果提示不同浓度、不同电流强度条件下磁流体均能在20 min内达到最高温度，产热效应随着两者升高而增强，能显著抑制癌组织增殖，证实了磁性微球热疗的被动靶向治疗效果。Wang等［20］采用共沉淀和油酸表面处理制备Fe3O4/碘化油磁流体，实验证明当其粒径为70～80 nm时，材料的超顺磁性最强、稳定性好、有极强被动靶向性和热安全性，可产生很强的热效应使肿瘤升温至热疗温度达到杀死癌细胞组织的目的。

2.2 主动靶向

被动靶向纳米颗粒进入病灶部位，其精准度受诸多条件的影响。治疗肿瘤的理想要求是纳米颗粒只存在于肿瘤组织病灶区域内，不损伤正常组织。主动引导纳米颗粒的主动靶向性研究因而受到了越来越多的重视，主要分为物理化学靶向和生物靶向。

2.2.1 物理化学靶向：通过病灶区域外部环境的改变，根据纳米材料的磁性、pH值、热敏性等理化特点针对性地靶向给药。例如，可通过外加磁场快速准确将磁性纳米颗粒富集于病灶区域，既减少了纳米颗粒与正常组织的接触，同时可提高疗效，降低副作用。

Wu等［21］将四氧化三铁（Fe3O4-MNPs）、5-溴汉防己甲素（BrTet）及柔红霉素（DNR）聚合制成磁性纳米微球，体内外实验中均未表现明显细胞毒性，且在外加交变磁场后对耐药肿瘤组织有靶向性，表现出明显的热疗增效和抑制肿瘤组织生长的作用。Shao等［22］将介孔二氧化硅基质沉积或偶联到磁性Fe3O4纳米粒子上制备出Janus型磁性介孔二氧化硅纳米粒子M-MSNs，用于多种药物的共载和控释、磁场介导的物理靶向作用以及磁热治疗，可显著提高肿瘤的治疗效果并降低化疗药物的毒副作用。

2.2.2 生物靶向：生物靶向是目前研究者研究较多的方式，其利用细胞膜表面抗原、受体或特定基因片段的专一性作用，将抗体、配体结合在载体上，通过抗原-抗体、受体-配体的特异性结合，使纳米颗粒能够准确输送到病灶部位，实现主动靶向治疗。

Yang等［23］以肝癌干细胞表面标记蛋白CD90作为肝癌干细胞（LCSCs）标志物，在裸鼠肝癌模型中发现CD90@17-丙烯氨基-17-去氧甲基格尔德霉素/纳米Fe3O4磁性热敏脂质体（CD90@17-AAG／TMs）在体外可以有效地杀伤CD90+LCSCs，抑制CD90+LCSCs的干细胞特性；将其注射在CD90+LCSCs移植瘤小鼠体内，这种复合纳米磁性脂质体联合磁感应升温可以显著杀伤CD90+LCSCs和CD90-细胞，抑制CD90+LCSCs移植瘤的生长，见图1。

闫妍等［24］采用改进的化学共沉淀法制备聚丙烯酸（PAA）修饰的羧基纳米Fe3O4，通过EDC、NSH活化法偶联模型蛋白牛血清白蛋白，经定量分析和光学观察结果判断出这种结合方法能使磁性纳米粒的水相分散体系具有高度稳定性，此外，纳米粒表面大量的羧基可作为与生物分子偶联的结合位点，通过各种生物共轭化学作用实现超顺磁性磁流体的分子靶向性，为制备肿瘤分子特异性磁感应热疗用的靶向介质提供基础。

图1 体内杀伤模式图

Li等［25］成功制备了Fe3O4@Au-C225（西妥昔单抗）复合靶向MNPs，并对它的理化特性、热动力学特性等进行了研究，发现制备的复合纳米粒子有较好的分散性和稳定性，是一种优良的MRI阴性造影剂，所介导的MFH和NIR热疗在体外能靶向作用于胶质瘤U25l细胞，诱导其凋亡，在体内对裸鼠荷人胶质瘤移植瘤有显著靶向效应，显示出了优于用单一治疗方法的疗效。

3 展望

纳米磁性材料的临床应用研究推动了肿瘤医学的发展与进步，为人类治疗肿瘤疾病带来了新的希望。超顺磁Fe3O4纳米粒子具有很好的磁响应性、磁热转换效能高，且生物毒性低，但其产热效率受粒径、形貌以及表面性质等因素的影响，更好地应用于临床诊断和治疗还需进行以下方面研究：（1）高效制备筛选高效能高性能磁性纳米结构；（2）合适的表面修饰，提高靶向定位能力和靶位浓度；（3）开展超顺磁Fe3O4纳米粒子体内代谢及稳定性研究；（4）提高或改善超顺磁Fe3O4纳米粒子热旁观者效应，靶向定位于肿瘤组织，且均匀分布，升温效能均一化。