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过去的数十年中，尽管肿瘤分子生物学，肿瘤生物学标记，传统外科治疗、放化疗等都有了很大发展，但仍迫切需要有新的肿瘤探测方法、肿瘤特殊标志物及个性化的肿瘤治疗方案来提高肿瘤患者的生存率。多功能纳米粒子技术的发展为提高肿瘤MRI诊断率和肿瘤靶向治疗提供了新的途径。磁性纳米氧化铁不仅可以提供敏感性高、特异性强的肿瘤影像信息，还可以选择性地将抗肿瘤药物运送到肿瘤组织。磁性纳米氧化铁比造影剂钆-二亚乙基三胺五乙酸有更强的弛豫率，可以通过改变纳米粒子大小及表面修饰控制其磁特性。相比于传统的肿瘤化疗，纳米粒靶向给药可以极大地提高药物的利用效率，降低非靶组织的药量。更重要的是，磁性纳米氧化铁在血液中滞留时间长、可生物降解、毒性低。
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20世纪80年代末，国外开始研究超顺磁性纳米氧化铁(superparamagnetic iron oxide, SPIO)造影剂，20世纪90年代将其应用于临床，最早用于肝脏肿瘤成像诊断，国内亦有这方面的临床研究[1-2]。
靶向性配体(抗体或抗体片段、多肽、小分子多肽类似物、适体等) 可直接耦连葡聚糖或聚乙二醇(polyethylene glycol, PEG) 等包被的磁性纳米氧化铁粒子，构建MRI分子探针，用于各种肿瘤组织的特异性成像，早期检测可以直观了解疾病的发展过程。肿瘤MRI中常用的各种纳米氧化铁靶探针如表 1所示。
纳米氧化铁类型 靶配基 靶 肿瘤 实验方式 参考文献 氨基交联纳米氧化铁 人工合成多肽 低糖基化黏蛋白1抗原 乳腺癌、结肠癌、肺癌、胰腺癌、 荷瘤鼠 [3] SPIO 叶酸 叶酸受体 人宫颈癌 体外 [4] SPIO 黄体生成素释放激素 黄体生成素释放激素受体 乳腺癌 荷瘤鼠 [5] SPIO 人工合成多肽 凝结的血凝蛋白 乳腺癌 荷瘤鼠 [6] USPIO 精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸三肽 整合素αVβ3 人表皮细胞癌 荷瘤鼠 [7] SPIO 前列腺特异性抗原结合抗体 前列腺特异性抗原 人前列腺癌 体外 [8] MnFeO4 赫赛叮 人表皮生长因子Her-2/neu受体 成纤维细胞NIH3T6.7 荷瘤鼠 [9] PEG-10 氯霉素 基质金属蛋白酶2 鼠神经胶质瘤 荷瘤鼠 [10] 注：表中，SPIO：超顺磁性纳米氧化铁；USPIO：超小超顺磁性纳米氧化铁；MnFeO4：锰氧化铁；PEG-IO：聚乙二醇-氧化铁。 表 1 肿瘤MRI中常用的纳米氧化铁靶探针
磁性纳米氧化铁单克隆抗体复合物的效能已被证实，但这些研究中的抗体分子都非常大，与纳米氧化铁的结合效率并不理想；抗体的巨大分子也不允许复合物通过血管弥散到肿瘤细胞；此外，抗体与正常组织Fe受体的相互作用会影响磁性纳米氧化铁的靶特异性。为解决这些问题，常常使用小分子的多肽或单链抗体与磁性纳米氧化铁结合。
叶酸受体是一种糖蛋白，在人类很多肿瘤细胞膜表面高度表达，而在多数正常组织中几乎不表达，通过叶酸受体能够区分肿瘤细胞和正常细胞。因此，它也是一种被广泛研究的靶因子。应用叶酸作为肿瘤显像靶配基的优势如下：①与受体的高亲和力；②价格低，容易与治疗、显像因子连接；③兼溶于有机溶液和水；④无免疫原性。Sun等[4]将叶酸耦联上PEG修饰的纳米氧化铁粒子，制备了叶酸-PEG-纳米氧化铁探针，实验结果显示，叶酸受体表达阳性的人宫颈癌HeLa细胞摄取叶酸-PEG-纳米氧化铁探针的量是非靶纳米氧化铁粒子的12倍以上。
约52%的乳腺癌患者表达黄体生成素释放激素(luteinizing hormone-releasing hormone LHRH)受体，LHRH-SPIO靶向探针可以通过受体介导的内吞作用特异性结合于原发和转移的肿瘤细胞。体外实验证实，肿瘤细胞摄取LHRH-SPIO靶向探针的量是非靶纳米氧化铁粒子的12倍多；而在活体实验中，原发肿瘤摄取LHRH-SPIO靶向探针的量是非靶纳米粒子的7.5倍；肺转移乳腺癌细胞摄取靶向探针的量则是非靶纳米粒子的11倍[5]。此研究证明，LHRH-SPIO靶向探针MRI对探测乳腺癌的早期转移比增强成像有更高的灵敏度。
整合素αVβ3受体在多种恶性肿瘤细胞表面和肿瘤组织新生血管内皮细胞的细胞膜呈高表达，而在成熟血管内皮细胞和多数正常器官系统不表达，是一种理想的活体肿瘤成像靶。精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(arginine-glycine-aspartic acid, RGD)与整合素αVβ3连接后，可结合到氨丙基三甲氧基硅烷包被的超小SPIO(ultra-small SPIO, USPIO)纳米粒子上。将RGD-USPIO注射到不同的荷瘤鼠中，这些鼠肿瘤血管对整合素αVβ3受体表达水平各不相同，1.5T MRI结果显示：RGD-USPIO探针对肿瘤血管有很好的靶向性，并且T2弛豫时间与整合素αVβ3受体表达水平密切相关，磁共振信号在αVβ3受体表达水平高的肿瘤细胞模型降低较多[7]。
氯霉素能与肿瘤细胞表面的基质金属蛋白酶2(matrix metalloproteinase-2, MMP-2) 结合。MMP-2在神经胶质瘤细胞和其他相关肿瘤细胞表面过度表达，可以使细胞外基质降解，对肿瘤的侵袭和转移起着极为重要的作用。有研究表明，氯霉素修饰的PEG-SPIO转染神经胶质瘤9L细胞后2h，肿瘤细胞内聚集的复合物量是非氯霉素修饰的10倍以上，动物实验MRI T2加权像显示，氯霉素修饰的纳米氧化铁复合物的对比增强效果要显著好于单纯磁性纳米氧化铁粒子[10]。
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超声微泡造影剂成像技术主要是利用声波对气体反射比液体大近1000倍的原理及微泡的非线性声学效应，通过声衰减、声速的改变和增强后散射等方式改变声波与组织间的吸收、反射和折射等相互作用，使超声回声增强，从而提高灰阶成像的对比分辨率和空间分辨率，达到有利于诊断疾病的目的。SPIO亦可用于超声成像，已有学者在磁性超声微泡造影剂的制备上有一些初步研究，Fang等[11]用氮气、聚乳酸、聚乙烯醇修饰的SPIO粒子做成直径为760nm的超声微泡造影剂，已得到清晰的超声影像。随着研究的深入，磁性超声微泡造影剂或许还可以作为一种新型的药物或基因载体，具有靶向治疗作用。
目前，磁性纳米氧化铁探针仍处于前期研究阶段，虽然有很多优点，但仍存在着一些问题: ①粒子的大小、形态、表面化学修饰的不同都会影响到探针对细胞的黏附以及细胞的内化，如何减少肝、脾、骨髓对氧化铁纳米粒子探针的非特异性摄取，提高影像T/NT值依然面临很多困难；②被内吞进入细胞的纳米氧化铁靶向探针的代谢机制仍然有很大争议；③动物实验中使用的纳米氧化铁粒子质量浓度范围大(1~250 mg/kg)，使各种研究结果的可比性差。
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磁性纳米氧化铁粒子在肿瘤治疗中有3种应用途径：①化疗药物与纳米氧化铁连接，用于肿瘤的靶向治疗；②纳米氧化铁粒子可用于肿瘤的磁过热治疗；③特异性抗体或基因片段与纳米氧化铁结合，特异性的连接到相关受体的配体，从而抑制肿瘤的生长。目前常见的肿瘤治疗用纳米氧化铁靶探针见表 2。
纳米氧化铁类型 抗肿瘤药物 靶 肿瘤类型 实验方式 参考文献 SPIO 叶酸 叶酸受体 人口腔上皮细胞癌 体外 [12] SPIO 氨甲蝶呤 叶酸受体 人宫颈癌 体外 [13] SPIO 米托蒽醌 交变磁场实现靶向作用 鳞状上皮细胞癌 荷瘤兔 [14] SPIO F3特异性结合肽 肿瘤血管表面局部 鼠神经胶质瘤 荷瘤鼠 [15] SPIO 阿霉素 整合素αVβ3 卡波西肉瘤 体外 [16] SPIO 阿霉素 人表皮生长因子Her-2/neu受体 成纤维细胞MH3T6.7 荷瘤鼠 [17] SPIO 环磷酰胺 基质金属蛋白酶2 鼠神经胶质瘤 荷瘤鼠 [18] 注：表中，SPIO：超顺磁性纳米氧化铁。 表 2 肿瘤治疗用的纳米氧化铁靶探针
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磁性纳米粒子在定位给药和治疗肿瘤等方面已引起人们广泛关注，磁靶向制剂为药物靶向应用方面提供了一个新的途径，尤其对于治疗离表皮较近的肿瘤如乳腺癌、口腔颌面癌、食管癌、皮肤癌等有较好的疗效。
用纳米材料将药物包被形成载药纳米粒，不仅可对药物进行保护，而且可制备出控制性释放药物的载药纳米粒，因为纳米粒由构建材料种类或配比不同而具有不同的释药速度。聚合物微团和纳米氧化铁连接的兼性共聚物具有独特的性质，如：高水溶性、高载药能力、低毒性。Veiseh等[18]用SPIO作为化疗药物环磷酰胺的载体转染鼠原发性神经胶质瘤细胞，结果发现，转染后神经胶质瘤细胞活性下降，MMP-2的表达明显少于对照组，并且证实用SPIO做载体能显著增强胶质瘤细胞对环磷酰胺的内吞作用；由于MMP-2可以在多种肿瘤细胞表达，因此他们还推断SPIO-环磷酰胺对多种肿瘤的非侵入显像和治疗有巨大潜力。
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最早应用磁性纳米粒子进行过热疗法的案例可以追溯到20世纪50年代, 此后不少文献描述了不同类型的磁性纳米粒子、不同磁场强度和辐射频率、不同方法包裹纳米粒子后进行磁过热疗法，显示出广阔的发展前景。
Samanta等[19]在实验组中用牛血清白蛋白修饰的、直径为12nm的Fe3O4转染人宫颈癌细胞，在400 kHz、6.3 kA/m的交互磁场培养45min，2h后测细胞活性，另设3组对照，分别为仅交互磁场培养而无SPIO转染组、仅牛血清白蛋白修饰的Fe3O4转染而无交互磁场培养组和空白对照组，结果显示，3组对照肿瘤细胞活性仅有少量降低或没有降低，而实验组肿瘤细胞全部死亡。
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基因治疗主要从两个方面来修复异常细胞，一是应用表达质粒载体表达出治疗蛋白；另一个是应用反义寡聚核苷酸选择性调节基因表达。SPIO具有纳米效应，修饰了多聚赖氨酸的SPIO可将外源基因DNA、RNA、肽核酸、双链RNA等吸附在其表面，在细胞吞噬作用下，纳米颗粒进入细胞内, 释放基因治疗分子, 发挥其基因治疗效能。
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磁性纳米氧化铁是目前国内外大力研究的一种新型靶向给药系统，应用前景十分广泛。但是成功应用于活体肿瘤靶向纳米探针和纳米载药体目前仍然存在很多障碍：①化疗药物和纳米氧化铁结合后可能会改变自身的化学性质；②载药效率大多较低；③在到达肿瘤组织之前，结合或封装的化疗药物在血液中很快释放；④药物常常在内涵体或溶酶体中释放，而不是靶细胞的胞质；⑤在纳米氧化铁上嵌入配基结合位点可能会降低它的靶向特异性；⑥多步化学修饰后，中心磁性纳米氧化铁的磁化量降低。纳米氧化铁粒子和其他可生物降解的、生物相容性好的聚合物微团的结合可能会解决上述问题。合适的纳米氧化铁表面修饰及高效的抗肿瘤药物载药法将有利于化疗药物的释放。可以预期，随着人们对磁性纳米粒子聚合物研究的不断深入，磁性纳米氧化铁粒子将在肿瘤的诊断及治疗中发挥越来越重要的作用。
磁性纳米氧化铁粒子在肿瘤影像及治疗中的应用及进展
Application and progression of magnetic iron oxide nanoparticles for tumor imaging and therapy
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摘要: 磁性纳米氧化铁粒子是指直径在纳米范围的氧化铁粒子，具有化学性质稳定、血液滞留时间长、低毒性、顺磁性、生物可降解性等特点，可通过静电作用或化学作用耦联多肽、单克隆抗体、化疗药物、基因片段等靶肿瘤功能分子，因而在肿瘤影像、治疗、研究中有着广泛的应用。该文对近年来磁性纳米氧化铁粒子在肿瘤影像及治疗中的应用及进展进行了评述。Abstract: Magnetic iron oxide nanoparticles are iron oxide particles of nanometer diameter with the characters of steady chemical property, long blood retention time, low toxicity, paramagnetism and biodegradability. Due to the cross-linking to tumor-targeting ligands through electrostatic interaction or chemical coupling such as peptides, monoclonal antibodies, chemotherapeutic drugs, gene segments. They are widely used for clinical oncology imaging, therapy and investigation. This article focuses on the applications and recent developments of magnetic iron oxide nanoparticles for tumor imaging and therapy.
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Key words:
- Neoplasms /
- Magnetic resonance imaging /
- Magnetic iron oxide
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表 1 肿瘤MRI中常用的纳米氧化铁靶探针
纳米氧化铁类型 靶配基 靶 肿瘤 实验方式 参考文献 氨基交联纳米氧化铁 人工合成多肽 低糖基化黏蛋白1抗原 乳腺癌、结肠癌、肺癌、胰腺癌、 荷瘤鼠 [3] SPIO 叶酸 叶酸受体 人宫颈癌 体外 [4] SPIO 黄体生成素释放激素 黄体生成素释放激素受体 乳腺癌 荷瘤鼠 [5] SPIO 人工合成多肽 凝结的血凝蛋白 乳腺癌 荷瘤鼠 [6] USPIO 精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸三肽 整合素αVβ3 人表皮细胞癌 荷瘤鼠 [7] SPIO 前列腺特异性抗原结合抗体 前列腺特异性抗原 人前列腺癌 体外 [8] MnFeO4 赫赛叮 人表皮生长因子Her-2/neu受体 成纤维细胞NIH3T6.7 荷瘤鼠 [9] PEG-10 氯霉素 基质金属蛋白酶2 鼠神经胶质瘤 荷瘤鼠 [10] 注：表中，SPIO：超顺磁性纳米氧化铁；USPIO：超小超顺磁性纳米氧化铁；MnFeO4：锰氧化铁；PEG-IO：聚乙二醇-氧化铁。 
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表 2 肿瘤治疗用的纳米氧化铁靶探针
纳米氧化铁类型 抗肿瘤药物 靶 肿瘤类型 实验方式 参考文献 SPIO 叶酸 叶酸受体 人口腔上皮细胞癌 体外 [12] SPIO 氨甲蝶呤 叶酸受体 人宫颈癌 体外 [13] SPIO 米托蒽醌 交变磁场实现靶向作用 鳞状上皮细胞癌 荷瘤兔 [14] SPIO F3特异性结合肽 肿瘤血管表面局部 鼠神经胶质瘤 荷瘤鼠 [15] SPIO 阿霉素 整合素αVβ3 卡波西肉瘤 体外 [16] SPIO 阿霉素 人表皮生长因子Her-2/neu受体 成纤维细胞MH3T6.7 荷瘤鼠 [17] SPIO 环磷酰胺 基质金属蛋白酶2 鼠神经胶质瘤 荷瘤鼠 [18] 注：表中，SPIO：超顺磁性纳米氧化铁。
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