四氧化三铁纳米粒子在肿瘤诊疗方面的研究进展
时间：2023-03-01 19:20:07 来源：千叶帆 本文已影响人
佟千姿， 吕晓成， 刘喜富， 孙雪珂
(河北师范大学 生命科学学院，河北 石家庄 050024)
恶性肿瘤严重威胁着人类的生命安全，现有的传统肿瘤治疗手段主要包括化疗、手术治疗、放疗等，但是这些方法的副作用较大，效果并不理想[1-2].近些年，随着纳米技术的发展，纳米诊疗剂的开发已成为当前肿瘤治疗炙手可热的新方向，并且有望实现高效精准的肿瘤治疗[3].其中四氧化三铁纳米粒子(Fe3O4NPs)因其良好的生物相容性、可降解性以及易修饰等特点引起了科研人员的浓厚兴趣，同时基于Fe3O4NPs的肿瘤诊疗剂开发也备受瞩目.研究证明，Fe3O4NPs经过修饰后不仅可获得pH、热、光甚至酶的特定响应性，由于自身的超顺磁性，在局域磁场的作用下，还可以促进药物在细胞内的内化，提高药物的生物利用度[4].基于这些理化特性，Fe3O4NPs的发展为生物医学各方面的应用提供了各种可能，例如分子成像、药物递送、基因治疗等[5-7].Fe3O4NPs的独特优势使其在精准医疗上和未来的临床应用中展现出巨大的潜力，而且作为FDA批准应用后第一代实际用于临床的纳米材料，Fe3O4NPs具有极大研究价值[8-10].本文中，笔者主要对近年来基于Fe3O4NPs的复合诊疗剂的设计及其在肿瘤诊疗方面的应用进展进行综述.
Fe3O4NPs的合成方法有很多种，目前常用的几种方法有共沉淀法、溶剂热法、微乳液法和高温热解法[11].1)共沉淀法：操作简单且原料经济实惠，通过调整搅拌速度、表面活性剂用量、pH值等可调整材料的粒径和形貌等性质[12].Liang等[13]在2020年通过简单的喷雾干燥和共沉淀法成功制备了Fe3O4修饰的空心石墨烯微球，经过一系列表征后证明合成的纳米粒子稳定且大小适宜；
2)溶剂热法：产率高，比较容易控制产出晶体的整体粒子度[14]；
3)微乳液法：合成反应易控制，不同的表面活性剂、碱浓度、陈化时间等条件可影响粒子的理化性质[15].Han等[16]在2018年以新型C16E15做表面活性剂，通过反向微乳液法合成了高饱和磁化强度的超小型的Fe3O4NPs；
4)高温热解法：该方法可控性强，通过调整温度、反应时间、反应转速等条件可精准控制材料的尺寸和均一性等，是目前实验室常用的合成方法[17-18].例如，2019年，Crippa等[19]呈现了一种有效的热分解法，成功合成分散性好、能够在有机溶剂中稳定保存的球形Fe3O4NPs，并将其用于磁热疗.除了上述4种方法之外，Fe3O4NPs的制备还可以通过微波辅助合成法[20-21]、水热法[22-23]、多元醇法[24]、电沉积[25]等.实验室合成可根据诊疗需求如核磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)、磁热、靶向治疗等选择相应的方法制备不同尺寸、形貌、表面修饰的Fe3O4NPs.
2.1 Fe3O4 NPs 用于MRI造影剂
核磁共振成像与其他临床成像相比是一种空间分辨率更高、创伤性更小的临床成像.在核磁共振现象中，弛豫是指原子核发生共振且处在高能状态时，当射频脉冲停止后，迅速恢复到原来低能状态的现象，恢复的过程即称为弛豫过程.核磁造影剂可提高MRI的敏感度，可以分为纵向弛豫(T1)和横向弛豫(T2)两类.T1造影剂通过加速氢质子快速纵向弛豫从而使标记区域变亮，T2造影剂通过加速氢质子快速横向弛豫使得标记区域变暗.目前，T1加权的MRI造影剂常采用含Gd3+的复合纳米材料，相比之下Fe3O4NPs经过调整尺寸、改变磁矩后可用于制备T2-T1转换的MRI造影剂[26-27].1996年，Tiefenauer等[28]研究开发了一种新的组织特异性造影剂.用3种人工多肽包覆磁铁矿颗粒并将其与CEA特异性抗体共价偶联，该研究通过MRI 判断复合纳米颗粒在生物体内的分布，为造影剂在肿瘤成像方面提供了重要的研究基础.2019年，Du等[29]探讨了不同尺寸和组成的Fe3O4NPs对于成像效果的影响，为了提高靶向性，该研究将Fe3O4NPs与肿瘤靶向肽CREKA共轭，双模式成像证明了该复合纳米粒子的高肿瘤靶向性和药物传递的均一性.2019年，Stephen等[30]使用胶质瘤靶向配体-氯毒素修饰Fe3O4NPs，通过对流增强输送将靶向和非靶向的纳米粒子分别注入老鼠后，在外加磁场的作用下观察不同时间点老鼠体内的MRI图像来判断纳米粒子的分布.通过时间分辨的MRI揭示了胶质母细胞瘤模型中对流增强输送过程的动力学，证明了时间分辨的MRI是研究对流增强输送动力学的一种合适的方式.准确的诊断对精准医疗至关重要，MRI利用高明暗对比度的图像实施一种无创、实时的监测，是一种有效的肿瘤诊断方法.目前科研人员基于Fe3O4NPs将其与别的纳米粒子结合可实现多模式成像诊疗，进一步促进了精准治疗的发展[31].
2.2 Fe3O4 NPs用于磁靶向药物递送
纳米治疗剂一般通过高通透性和滞留效应(enhanced permeation and retention，EPR)聚集在肿瘤部位，但由于药物分子在传递过程中是全身非特异性的分布以及遇到各种生物屏障的阻碍，如细胞内化、巨噬细胞吞噬等，导致其在病变部位的积累远远没有达到理想的效果.最终肿瘤细胞因摄取药物不足和正常组织非特异性积累大大了降低治疗效果，甚至会产生严重的副作用[32].因此，纳米治疗剂的靶向性对肿瘤治疗十分重要，而磁性纳米粒子在外加磁场的作用下可以靶向肿瘤部位，提高药物传递的效率，进而增强肿瘤治疗效果[33].1994年，Hafeli等[34]以聚乳酸微球为载体，加入10 %的Fe3O4NPs使该磁性微球对外部磁场有响应，实现药物的选择性传递，该研究为后续的磁靶向传递药物提供了重要的研究基础.2019年，Wang等[35]提出了一种磁性微机器人大规模合成的技术用于肿瘤治疗.首先在螺旋藻细胞中合成核壳结构的Pd@Au纳米粒子做光热转换剂；
随后将Fe3O4NPs沉积到Pd@Au@Sp纳米粒子表面使其具有磁性驱动的能力.结果表明，该复合纳米粒子在旋转磁场下表现出具有高速驱动的性能和精确的定位引导，最终将药物传递到特定的肿瘤部位.2020年，Zhang等[36]构建了一种磁性纳米粒子给药系统，该给药系统以Fe3O4NPs为核心负载吲哚菁绿、以聚乙二醇多酚为涂层装载R837盐酸盐形成复合纳米粒子.在Fe3O4NPs的作用下，静脉注射后该给药系统实现磁靶向和磁共振引导.基于Fe3O4NPs的药物传递系统的开发，很大程度上提高了药物的生物利用度和降低了对正常组织的伤害，明显提高了肿瘤治疗的效果.
2.3 Fe3O4NPs用于磁热治疗
磁热治疗主要利用磁性纳米粒子在交变磁场的作用下产生热量，作为一种局部治疗方法，它具有靶向杀伤肿瘤、生物相容性高、组织穿透深等优势.1979年，Gordon等[37]提出一种新的“细胞内”生物物理癌症治疗的方法概念，主要内容是肿瘤细胞吞噬亚微米粒子后，局部产生感应热能，而亚微米粒子被磁激发，再利用外部电磁场提高粒子的温度，这种局部治疗选择性杀死癌细胞，对正常细胞几乎没有伤害.随着对Fe3O4NPs性质更深入的了解，越来越多的研究将Fe3O4NPs用于磁热疗并与其他诊疗方式结合.如今随着科研人员的不断探索，磁热治疗有了突飞猛进的发展，尤其是近20年来，磁热治疗因有效的肿瘤治疗得到大家的认可[38-39].例如,2018年，Lu等[40]制备了C225包覆的Fe3O4@Au核壳磁性纳米粒子，对神经胶质瘤细胞进行靶向磁热疗和近红外热疗联合治疗，体内外实验表明该复合纳米粒子具有明显的抗肿瘤效果.2019年，Ma等[41]设计了具有MRI/PA双模式成像特性的Fe3O4-Pd复合纳米粒子，利用Fe3O4NPs的磁光热特性和Pd纳米片的等离子体光热效应，在高空间分辨率和精确度的双模式成像指导下协同光热治疗肿瘤的效果远远大于单一治疗.
2.4 基于Fe3O4 NPs的复合纳米材料用于光学治疗
光学治疗是利用激光照射特定的损伤部位而治疗疾病的一种手段，是近年来极具潜力的肿瘤治疗方式，包括光动力治疗(photodynamic therapy，PDT)和光热治疗(photothermal therapy，PTT)，其中PDT主要原理是光敏剂在激光照射下生成高毒性的ROS杀死肿瘤细胞；
PTT是利用具有光热转换效率的材料将光能转化为热能杀伤肿瘤细胞.治疗机制如图1所示，在荷瘤小鼠模型中可以通过尾静脉注射给药，装载光热剂和光敏剂的Fe3O4的复合纳米粒子可在外加磁场的作用下靶向累积在肿瘤部位.此时，在肿瘤部位给予相应波长的激光照射可触发PTT及PDT，因PTT后激光温度升高后局部血流量增加会使氧气增多用于光动力治疗，最终实现光热和光动力的协同治疗.与此同时，Fe3O4NPs的光热转换性能以及MRI也用于增强肿瘤光疗[42].PDT方面：2019年Jing等[43]以抗癌药物、光敏剂为原料，通过超声辅助沉淀法将其包覆在超顺磁Fe3O4纳米团簇上形成结构均匀、稳定性高的离散纳米颗粒，该复合纳米粒子既能通过MRI/荧光双模式成像精确诊断又能实现化疗和PDT的联合治疗.PTT方面：最初研究者尝试将Fe3O4NPs 表面进行功能化后用于MRI引导的PTT，有的纳米体系在添加外部磁场后可在肿瘤部位发现明显的积累，从而进一步增强PTT靶向性.例如，Liao等[44]通过水热反应引入苯-1,3,5-三羧酸和柠檬酸钠配体辅助合成NIR激活的Fe3O4纳米结构，在NIR照射下有良好的升温效果.之后研究发现，Fe3O4NPs与其他材料结合后可以大幅度增加PTT的效率，如Saeed等[45]制备的Fe3O4-TiO2复合纳米材料在低密度和低功率激光照射后温度均能迅速升高，在提升PTT效果的同时也大幅度减少了激光辐照时间.
图1 Fe3O4 复合纳米材料在肿瘤PDT,PTT的治疗示意图
因PTT可改善肿瘤组织的乏氧环境，所以在一定程度上可以增强PDT.基于这种理念，Lv等[46]用介孔二氧化硅包覆Fe3O4NPs，并通过静电吸附将超小型上转换纳米粒子装载在介孔中.该复合纳米粒子在808 nm激光照射下可同时实现PDT和PTT治疗.2020年，Feng等[47]以Fe3O4NPs为核心构建了用镧离子掺杂的介孔氧化锡上转换纳米粒子，并进一步用磷酸化丝氨酸和聚乙二醇修饰.由于Fe3O4NPs可以消耗内源性H2O2、原位生成O2，这有效缓解了肿瘤微环境的缺氧，明显增强了PDT的效果.该复合纳米粒子不仅利用电子跃迁的特殊结构大大提高了光热转换效率，同时其成像功能可以有效监测肿瘤治疗过程，该研究为肿瘤诊疗一体化提供了新的思路.
2.5 Fe3O4 NPs用于化学动力学治疗
化学动力学治疗(chemodynamic Therapy，CDT)是近些年提出的新型治疗方式，原理主要是利用金属离子进行芬顿反应生成有毒的羟基自由基从而实现肿瘤杀伤，其反应原理见图2，基于Fe3O4NPs的复合纳米材料进入肿瘤细胞后，在特殊的肿瘤微环境下弱酸、H2O2浓度高等，复合纳米材料分解释放出Fe2+/Fe3+.基于其特殊的类过氧化物酶活性，Fe2+与弱毒性的H2O2反应将其转化为高毒性的·OH最终杀死肿瘤细胞.2007年，Gao等[48]报道发现了Fe3O4NPs内在的模拟酶活性后，一系列基于Fe3O4NPs过氧化物酶活性的新型肿瘤诊疗剂相继被开发.2017年Shi等[49]将天然葡萄糖氧化酶(GOD)和超小Fe3O4NPs共同载入大孔径的树枝状二氧化硅纳米颗粒中.该治疗剂中GOD可以有效地消耗肿瘤细胞中的葡萄糖，同时产生大量的H2O2，在Fe3O4NPs催化下进行后续的芬顿反应生成高毒性的羟基自由基，触发肿瘤细胞的凋亡和死亡，葡萄糖氧化酶和超小Fe3O4NPs在肿瘤细胞中相互协同达到了1+1>2的效果.这种基于肿瘤微环境，原位触发生成高毒性物质的级联治疗策略既大大增强了肿瘤特异性又尽可能降低了对正常组织的毒副作用，为肿瘤精准治疗提供了新治疗策略.2019年，Wang等[50]设计了一种核壳结构的纳米粒子，将超小的Fe3O4NPs嵌入空心碳框架(Fe3O4-C)中做核，堆叠的MnO2纳米片做壳.在肿瘤细胞中，高浓度的GSH降解MnO2释放的Mn2+用作造影剂，同时暴露出Fe3O4释放出Fe2+/Fe3+通过催化H2O2进行CDT治疗，而且在近红外光的照射下，碳骨架能升高温度促进催化速率，加快ROS的生成.该复合纳米粒子成功实现了体内外肿瘤细胞的完全杀伤，具有很大的发展潜力.2021年，Chen等[51]将Pt与 Fe3O4NPs结合(Fe3O4@Pt NPs)进行研究，发现该复合纳米材料可通过电场触发Pt产生活性氧(ROS)与Fe3O4NPs的类芬顿反应结合增强肿瘤治疗.
图2 CDT的反应原理示意图
Fe3O4NPs在肿瘤精准诊疗方面相比其他纳米粒子表现出不可比拟的优越性，例如前文提到的良好生物相容性、磁靶向性、MRI成像、模拟酶活性等[52].但是基于Fe3O4NPs的复合诊疗剂应用于临床仍然面临一些问题：1)如何大量合成复合诊疗剂，目前需探索稳定性更好、操作简单、能够大量合成的磁性纳米粒子的方法；
2)如何降低复合诊疗剂的生物毒性以及对健康组织的副作用，尽管Fe3O4本身生物相容性优异，但经过修饰后的复合治疗剂在体内的长期毒性仍需探究；
3)如何降低复合诊疗剂在不同肿瘤以及患者之间的治疗差异性等.总之,Fe3O4NPs为人类的肿瘤治带来了新的希望，但是其向临床转化的过程仍需要进一步探索.
