王 璐　相法偉　韓玉萍　汪 婷，　王 坤　王文鋒　陳 楠（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 物理生物學(xué)成像中心上海同步成像光源 張江園區(qū)　上海 20204）

2（中國(guó)科學(xué)院大學(xué)　北京 100049）3（濰坊市人民醫(yī)院放射科　濰坊 261000）

4（四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院　成都 610064）

磁性鐵納米材料的細(xì)胞學(xué)效應(yīng)和膜轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制

王 璐1，2相法偉3韓玉萍1，4汪 婷1，3王 坤1王文鋒1陳 楠1
1（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 物理生物學(xué)成像中心上海同步成像光源 張江園區(qū)上海 201204）

2（中國(guó)科學(xué)院大學(xué)北京 100049）
3（濰坊市人民醫(yī)院放射科濰坊 261000）

4（四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院成都 610064）

總結(jié)和討論了針對(duì)Fe3O4納米顆粒的生物兼容性、細(xì)胞內(nèi)吞和轉(zhuǎn)運(yùn)過程及其自身酶活性對(duì)自噬和細(xì)胞代謝的研究，對(duì)于磁性納米材料在體內(nèi)抗氧化、自噬調(diào)控、疾病和輻射治療等相關(guān)研究具有重要的參考和啟發(fā)意義。

磁性鐵納米材料，F(xiàn)e3O4納米顆粒，模擬酶效應(yīng)，自噬，細(xì)胞內(nèi)吞

CLCO611， Q291

磁性鐵納米材料具有獨(dú)特的性質(zhì)和功能，因而得到了納米研究和技術(shù)領(lǐng)域的普遍關(guān)注。磁性存儲(chǔ)、分離純化、核磁成像和熱療等技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于音像制品生產(chǎn)、生化分析和醫(yī)學(xué)臨床等領(lǐng)域。以Fe3O4納米顆粒為代表的磁性鐵納米材料普遍具有良好的生物相容性，能夠與生物體系發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間的相互作用。隨著相關(guān)研究的深入，磁性鐵納米材料的細(xì)胞攝取、Fe3O4的模擬酶活性及自噬誘導(dǎo)等生物學(xué)效應(yīng)逐漸被發(fā)現(xiàn)和報(bào)道，進(jìn)一步擴(kuò)展了其在神經(jīng)退行性疾病和放射治療中潛在的應(yīng)用價(jià)值。納米材料和納米技術(shù)已經(jīng)滲透到人類生活的各個(gè)方面，并扮演著越來越重要的角色［1-3］。磁性鐵納米材料在整個(gè)納米材料家族中的地位舉足輕重，其相關(guān)的研究和應(yīng)用涉及了多個(gè)領(lǐng)域，發(fā)展前景廣闊。磁性鐵納米材料的種類繁多，自然界中就存在氧化態(tài)的單金屬鐵和鐵與其它元素形成的二元金屬結(jié)構(gòu)［4-5］。目前，已經(jīng)為人類所知的磁性納米材料按照其自身性質(zhì)和應(yīng)用范圍的不同可以分為3類：（1）常規(guī)型。該種類型的磁性納米顆粒多為自然狀態(tài)下形成，呈現(xiàn)納米顆粒的形態(tài)，例如Fe3O4納米顆粒。另一方面，具有超順磁性的納米顆粒諸如（Superparamagnetic iron oxide， SPIO）等，其潛在的應(yīng)用性已經(jīng)得到了廣泛的關(guān)注。（2）人工合成的納米結(jié)構(gòu)形態(tài)。人類出于自身需求而合成的納米微晶結(jié)構(gòu)或者膜狀結(jié)構(gòu)。例如，在Fe基中添加少量Cu和Nb等元素，能夠合成具有高磁通密度的磁性納米晶體，并能夠運(yùn)用于影像資料存儲(chǔ)和電器元件制造等領(lǐng)域［6-7］。（3）礦化磁性納米材料。Fe元素在自然界的礦化效應(yīng)較為常見，且Fe元素在礦化過程中與其它化合物相互融合形成具有磁性效應(yīng)的納米礦化晶體。例如，某些具有趨磁效應(yīng)的細(xì)菌能夠在代謝過程中將含有鐵元素的納米顆粒進(jìn)行礦化，形成礦化晶體。

由于不同磁性鐵納米材料的天然蘊(yùn)藏狀態(tài)和理化性質(zhì)存在較大差異，其磁效應(yīng)也各不相同。在對(duì)于不同種類磁性鐵納米材料長(zhǎng)期的認(rèn)知過程中，人們逐步明確了其相關(guān)性質(zhì)，并將之應(yīng)用于相關(guān)的研究和生產(chǎn)領(lǐng)域。在以往的研究實(shí)踐中，人們對(duì)于磁性鐵納米材料的關(guān)注范圍往往局限于工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用。例如，CoFe2O4的磁化度高，穩(wěn)定性好，目前主要應(yīng)用于存儲(chǔ)原件和音像制品的制造；FeS在實(shí)際檢驗(yàn)中表現(xiàn)出對(duì) H2O2較強(qiáng)的催化能力，并已應(yīng)用于極低濃度H2O2的電化學(xué)檢測(cè)；γ-Fe2O3磁性較差，但其在高溫和極端酸堿性條件下具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性，已被應(yīng)用于工業(yè)廢水的無害化處理［7-11］。

隨著納米科學(xué)和相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，磁性鐵納米材料的功能和潛在用途正在不斷拓展，尤其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域引起了研究者們的廣泛關(guān)注。例如，磁性鐵納米顆粒的磁熱效應(yīng)已經(jīng)應(yīng)用于臨床，在腫瘤治療方面取得了顯著的效果［12-13］。而超順磁鐵納米顆粒則被證明不僅具有藥物載體的性質(zhì)，還能夠作為外源基因的載體［14-16］。除此之外，近年來，對(duì)于多種磁性鐵納米材料所表現(xiàn)出的模擬酶性質(zhì)，也有大量的相關(guān)報(bào)道予以論述［17-18］。

Fe3O4納米顆粒是自然界中最常見的磁性鐵納米材料，其性質(zhì)穩(wěn)定，分布廣泛，易于開采，并且具有悠久的應(yīng)用歷史。因此，人們?cè)诰唧w的實(shí)踐中積累了豐富的對(duì)于Fe3O4納米顆粒的認(rèn)知。目前，已經(jīng)有多種成熟的工藝流程應(yīng)用于Fe3O4納米顆粒的制備和純化之中，并由此獲得一系列粒徑均一的Fe3O4納米顆粒［19-22］。由于Fe3O4納米顆粒的良好生物相容性，其在細(xì)胞乃至整個(gè)生物體內(nèi)的效應(yīng)和功能成為研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。因此，研究人員對(duì)于Fe3O4納米顆粒的認(rèn)知較其它磁性納米顆粒更為全面和深刻。在本文中，我們將介紹磁性鐵納米材料的獨(dú)特性質(zhì)，并以Fe3O4納米顆粒為代表，對(duì)其生物學(xué)效應(yīng)和細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運(yùn)過程和機(jī)制進(jìn)行闡述，并對(duì)Fe3O4納米顆粒目前在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用探索進(jìn)行總結(jié)。

1　磁性鐵納米材料的理化性質(zhì)

較之于其它納米材料，磁性納米材料因其獨(dú)特的磁性效應(yīng)，易于在外界磁場(chǎng)的作用下發(fā)生聚集和沉淀。因此，磁性納米材料易于分離和純化［23-25］。Cui等［26-28］利用這種性質(zhì)將磁珠表面修飾納米金，利用納米金與抗體蛋白的共軛效應(yīng)，首先實(shí)現(xiàn)了與細(xì)胞表面特殊抗原的互作，并在此基礎(chǔ)上成功分離了CD3細(xì)胞。除此之外，磁性納米材料還具有諸如磁熱效應(yīng)、超順磁效應(yīng)、模擬酶效應(yīng)等特征，并已應(yīng)用于實(shí)踐中。某些特殊粒徑的磁性納米顆粒能夠在一定的溫度范圍內(nèi)（高于居里點(diǎn)）表現(xiàn)出具有波動(dòng)性的磁效應(yīng)，即超順磁性（圖1（a））［29-30］。Yu等［31］利用超順磁性氧化鐵納米顆粒在不同溫度下磁性不同的性質(zhì)發(fā)展了基于此種原理的生物體內(nèi)溫度熱變成像方式。近年來，研究者圍繞著Fe3O4納米顆粒的細(xì)胞相容性、模擬酶效應(yīng)、細(xì)胞攝取與轉(zhuǎn)運(yùn)以及其在生物醫(yī)藥方面的潛在應(yīng)用性展開了一系列具有高度前瞻性的研究，并且取得豐碩的成果［32-34］。這些研究不僅使得生物酶家族增添了新的成員，而且進(jìn)一步明確了特定納米材料對(duì)細(xì)胞內(nèi)氧化還原作用的機(jī)制。此外，磁性納米顆粒在外界交替變化的磁場(chǎng)干涉下，由于馳豫損耗而吸收感應(yīng)電磁波的輻射能量繼而轉(zhuǎn)化產(chǎn)生熱效應(yīng)，這一現(xiàn)象被稱為磁熱效應(yīng)（圖1（b））［35-36］。研究表明，F(xiàn)e3O4和γ-Fe2O3納米顆粒會(huì)在外界磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生較為明顯的磁熱效應(yīng)。Samanta等［37］利用這一熱性質(zhì)作用于腫瘤細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞在吞噬了Fe3O4磁性納米顆粒后，由于磁熱效應(yīng)而出現(xiàn)了顯著的細(xì)胞凋亡。這一研究結(jié)果為治療癌癥提供了積極的思路。

2　磁性鐵納米材料的細(xì)胞學(xué)效應(yīng)

納米材料的生物相容性往往與材料本身的性質(zhì)密切相關(guān)。材料的物理性質(zhì)包括尺寸、形狀和表面修飾等，對(duì)其細(xì)胞攝取和效應(yīng)有著至關(guān)重要的影響。而近年來的研究表明，多種磁性納米材料自身具有模擬酶性質(zhì)，因此，考察其細(xì)胞相容性時(shí)，不應(yīng)忽視其模擬酶特性在生物體系中所起的作用。

模擬酶是一類具有某些生物酶催化性質(zhì)的非蛋白類化合物，具有對(duì)于某一種或某一類物質(zhì)的高效、穩(wěn)定催化活性［38］。模擬酶可以是高分子化合物，也可以是物質(zhì)構(gòu)成相對(duì)簡(jiǎn)單的無機(jī)物［39-42］。目前的研究表明，F(xiàn)e3O4、γ-Fe2O3、FeS、CoFe2O4等磁性鐵納米材料均具有較顯著和穩(wěn)定的過氧化物酶活性，能夠在一定條件下催化環(huán)境中的 H2O2分解［43-44］。目前，針對(duì)磁性納米材料模擬酶性質(zhì)的研究已經(jīng)從體外擴(kuò)展至體內(nèi)，并在細(xì)胞和個(gè)體兩個(gè)層面都取得了重要的成果［45］。Fe3O4納米顆粒作為磁性鐵納米顆粒的典型代表，其與細(xì)胞、生物體相互作用的過程和機(jī)理均得到了較為深入的研究。

2.1Fe3O4納米顆粒的細(xì)胞相容性

大量研究表明，納米材料的細(xì)胞毒性除與材料本身性質(zhì)相關(guān)外，還與材料本身的粒徑關(guān)系密切。Fe3O4納米顆粒的粒徑分布從幾納米到幾百納米不等，其生物相容性也不盡相同。Zhao等［46］和Ankamwar等［47］對(duì) Fe3O4納米顆粒的粒徑與細(xì)胞毒性之間的關(guān)系進(jìn)行了對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e3O4納米顆粒是一種在較大范圍粒徑尺度內(nèi)具有良好細(xì)胞相容性的磁性鐵納米材料。盡管如此，F(xiàn)e3O4納米顆粒的細(xì)胞毒性也隨著平均粒徑的減小而逐漸上升，這也是一般的納米材料所共有的毒性特征［47］。此外，Ge等［48］對(duì)不同濃度條件下Fe3O4納米顆粒的細(xì)胞毒性進(jìn)行了檢測(cè)。結(jié)果顯示，在200 μg/mL濃度范圍內(nèi)，平均粒徑為20 nm的Fe3O4納米顆粒均沒有明顯的細(xì)胞毒性。因此，F(xiàn)e3O4納米顆粒的生物相容性良好，而這種良好的細(xì)胞相容性也決定了其能夠作為一種功能化分子參與多種細(xì)胞內(nèi)效應(yīng)。

有研究認(rèn)為［49-50］，F(xiàn)e3O4分子中的Fe存在+2價(jià)和+3價(jià)兩種價(jià)態(tài)，這種價(jià)態(tài)分布使電子能在Fe原子間自由傳遞，從而對(duì)于細(xì)胞內(nèi)的氧化還原反應(yīng)具有一定的緩沖性，這種緩沖效應(yīng)是平衡細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激水平的因素之一，也是形成Fe3O4納米顆粒的良好細(xì)胞相容性的前提。而在 CoFe2O4、MnFe2O4等磁性納米顆粒中，F(xiàn)e原子的價(jià)態(tài)為+3價(jià)，僅具有氧化性，因而表現(xiàn)出較為明顯的細(xì)胞毒性。

Chen等［51］則從Fe3O4納米顆粒的模擬酶性質(zhì)入手，探討了Fe3O4納米顆粒在不同條件下的細(xì)胞相容性。Fe3O4納米顆粒在不同pH值環(huán)境下表現(xiàn)出不同的模擬酶性質(zhì)。酸性環(huán)境下，F(xiàn)e3O4納米顆粒呈現(xiàn)過氧化物酶活性（圖2（a））。He等［52］研究了Fe3O4納米顆粒在不同細(xì)胞狀態(tài)下所呈現(xiàn)的模擬酶差異性。當(dāng)Fe3O4納米顆粒所處的細(xì)胞內(nèi)環(huán)境為酸性時(shí)，F(xiàn)e3O4納米顆粒能夠催化細(xì)胞內(nèi)的 H2O2分解產(chǎn)生·OH，造成細(xì)胞內(nèi)活性氧簇（Reaction oxygen species，ROS）水平上升，繼而引發(fā)細(xì)胞凋亡。而當(dāng)細(xì)胞內(nèi)環(huán)境為中性時(shí)，F(xiàn)e3O4納米顆粒則表現(xiàn)出過氧化氫酶的活性，將 H2O2分解為 H2O，從而降低了細(xì)胞內(nèi)的氧化應(yīng)激水平，維持了細(xì)胞的正常生理狀態(tài)。

利用這種性質(zhì)，研究者探究和驗(yàn)證了模擬酶一系列相關(guān)的體內(nèi)效應(yīng)。Zhang等［45］發(fā)現(xiàn)，攝入細(xì)胞內(nèi)的Fe3O4納米顆粒（20 nm）在一定劑量范圍內(nèi)能顯著降低由H2O2或神經(jīng)毒素誘導(dǎo)的ROS水平上升和細(xì)胞凋亡（圖2（b））。同時(shí)，攝入含F(xiàn)e3O4納米顆粒的食物能顯著改善阿爾茨海默氏癥果蠅模型的癥狀。該模型在果蠅神經(jīng)系統(tǒng)中過量表達(dá)人的 Abeta蛋白，雖然不影響果蠅的發(fā)育，但會(huì)導(dǎo)致成年果蠅逐漸喪失行動(dòng)能力和過早死亡（圖2（c））。這項(xiàng)研究表明，F(xiàn)e3O4納米顆粒能夠緩解由外界刺激、衰老或基因功能異常造成的氧化應(yīng)激，在對(duì)抗代謝性疾病、神經(jīng)退行性疾病和衰老方面有潛在的治療用途。

2.2Fe3O4納米顆粒對(duì)細(xì)胞自噬效應(yīng)的誘導(dǎo)

細(xì)胞自噬是細(xì)胞質(zhì)中的膜結(jié)構(gòu)包裹部分衰老，有一定細(xì)胞毒性的胞質(zhì)以及細(xì)胞器、蛋白質(zhì)等形成自噬小體，而后通過與內(nèi)體、溶酶體融合形成自噬溶酶體，進(jìn)而將內(nèi)容物降解的過程。自噬是細(xì)胞通過自我調(diào)節(jié)，維持代謝穩(wěn)定的重要過程［53-55］。通過自噬現(xiàn)象，細(xì)胞能夠及時(shí)清除代謝產(chǎn)物，并且形成了自身組成物質(zhì)的循環(huán)再利用。

隨著研究的進(jìn)一步深入，自噬效應(yīng)的另一個(gè)方面也逐漸被人們所認(rèn)識(shí)。適當(dāng)?shù)淖允墒羌?xì)胞調(diào)節(jié)自身代謝的重要方式，但是細(xì)胞在某些狀態(tài)下的過度自噬則可能會(huì)引起細(xì)胞的程序性死亡［56-57］。Suzuki等［56］發(fā)現(xiàn)，饑餓等非正常狀態(tài)下的細(xì)胞通常會(huì)采取強(qiáng)烈自噬的方式完成營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的代償性補(bǔ)給。而這種自噬效應(yīng)的持續(xù)能夠?qū)е录?xì)胞在自身營(yíng)養(yǎng)完全耗盡的情況下啟動(dòng)程序性死亡機(jī)制。因此，越來越多的研究者認(rèn)為，自噬效應(yīng)是自我代謝過程中發(fā)展出的“一把雙刃劍”［58-60］。研究證明，多種納米材料都能引起細(xì)胞不同程度的自噬效應(yīng)，某些甚至能夠引起細(xì)胞的自噬性死亡［61-62］。

本課題組發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e3O4納米顆粒隨著細(xì)胞內(nèi)化作用在PC12細(xì)胞內(nèi)逐漸富集和分散，其對(duì)于PC12細(xì)胞具有的自噬誘導(dǎo)效應(yīng)也隨之逐步體現(xiàn)。這種誘導(dǎo)效應(yīng)具有濃度依賴性和時(shí)間依賴性。即不同濃度的Fe3O4納米顆粒對(duì)于PC12細(xì)胞的自噬誘導(dǎo)效果，具體表現(xiàn)為代表自噬水平的 LC-3II型蛋白在不同濃度的Fe3O4納米顆粒誘導(dǎo)下，表達(dá)水平存在顯著性差異。具體而言，經(jīng)過48 h的誘導(dǎo)，一定濃度的Fe3O4納米顆粒能夠顯著誘導(dǎo)LC-3II型蛋白的表達(dá)，而在24 h則無顯著的細(xì)胞自噬效應(yīng)。這說明Fe3O4納米顆粒對(duì)細(xì)胞自噬的誘導(dǎo)是一個(gè)緩慢、累積的過程。與此同時(shí)，Khan等［61］則報(bào)道了α-Fe2O3納米顆粒通過引發(fā)細(xì)胞內(nèi)ROS水平的上升，繼而在24 h內(nèi)誘導(dǎo)了細(xì)胞自噬。我們認(rèn)為，α-Fe2O3納米顆粒不具有磁性效應(yīng)，更不具有模擬酶的性質(zhì)，無法在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行酶活反應(yīng)；而Fe3O4納米顆粒則能在細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮過氧化氫酶性質(zhì)。兩種納米顆粒在這種性質(zhì)方面的差異是否是誘導(dǎo)自噬差異性的重要原因呢？對(duì)此，本研究組從α-Fe2O3納米顆粒和 Fe3O4納米顆粒在細(xì)胞內(nèi)化后的自噬誘導(dǎo)效應(yīng)入手，進(jìn)行了一系列的對(duì)比性工作。

我們經(jīng)過對(duì)比性實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞內(nèi)過量的ROS不僅是造成細(xì)胞內(nèi)環(huán)境氧化應(yīng)激壓力升高的因子，也是引起細(xì)胞過度自噬的重要原因。不具有模擬酶效應(yīng)的Fe2O3納米顆粒通過引發(fā)細(xì)胞內(nèi)ROS的迅速積累而導(dǎo)致高強(qiáng)度的自噬，不僅使細(xì)胞的內(nèi)環(huán)境在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生了劇烈的變化，也對(duì)細(xì)胞的呼吸代謝造成了不可逆轉(zhuǎn)的損傷，最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。因此，α-Fe2O3納米顆粒所代表的誘導(dǎo)自噬材料不具備維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境平衡與穩(wěn)定的功能。其對(duì)于細(xì)胞自噬的誘導(dǎo)始終處于“超負(fù)荷”狀態(tài)，由此產(chǎn)生了顯著的且不可逆轉(zhuǎn)的細(xì)胞程序性死亡。比較而言，F(xiàn)e3O4納米顆粒則基于其細(xì)胞內(nèi)的模擬酶性質(zhì)分解了部分細(xì)胞內(nèi)的H2O2，從而延緩了ROS的積累，在一定程度上延遲和抑制了細(xì)胞自噬的誘導(dǎo)條件，因而降低了細(xì)胞自噬的程度，使細(xì)胞處于一個(gè)相對(duì)平緩的狀態(tài)（圖3）。因此，細(xì)胞內(nèi)的ROS濃度在短時(shí)間內(nèi)無法迅速上升，造成了其對(duì)自噬的緩慢誘導(dǎo)效應(yīng)。由此可見，F(xiàn)e3O4納米顆?；谀M酶性質(zhì)的自噬誘導(dǎo)效應(yīng)是保證細(xì)胞內(nèi)在性穩(wěn)定的因素之一，也是其良好細(xì)胞相容性的重要體現(xiàn)。本項(xiàng)工作將磁性納米顆粒的模擬酶性質(zhì)與其對(duì)自噬的誘導(dǎo)效應(yīng)結(jié)合，從酶促反應(yīng)的角度闡述了納米材料誘導(dǎo)自噬的機(jī)制，首次明確了具有模擬酶性質(zhì)的納米材料對(duì)自噬誘導(dǎo)的特殊性。這對(duì)于進(jìn)一步研究納米材料與細(xì)胞的相互作用具有重要意義。

2.3Fe3O4納米顆粒在腫瘤放射治療中的作用

放射治療是臨床上應(yīng)對(duì)惡性腫瘤快速擴(kuò)增的重要手段。但是，放射治療缺乏靶向性，使得正常機(jī)體細(xì)胞在治療過程中大量死亡，因而形成無法避免的副作用［62］。王偉鵬等［63］研究發(fā)現(xiàn)，放射治療后正常細(xì)胞內(nèi)ROS顯著升高，這可能是導(dǎo)致細(xì)胞凋亡的主要原因。另一方面，腫瘤細(xì)胞內(nèi)的pH值明顯低于正常細(xì)胞，即腫瘤細(xì)胞內(nèi)環(huán)境為酸性［64］。因此，我們認(rèn)為，利用Fe3O4納米顆粒在不同pH值環(huán)境下的不同酶活性，可以達(dá)到同時(shí)誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡并降低正常細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激效應(yīng)的目的。即 Fe3O4納米顆粒在腫瘤細(xì)胞中表現(xiàn)為過氧化物酶活性，能夠進(jìn)一步催化產(chǎn)生更多ROS，由此誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡；而在正常細(xì)胞中則表現(xiàn)為過氧化氫酶活性，能夠降低細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激壓力，維持細(xì)胞生理狀態(tài)。因此，將Fe3O4納米顆粒與放療聯(lián)用，可有效降低放療的副作用，并提高療效。

3　磁性鐵納米顆粒的膜轉(zhuǎn)運(yùn)過程

在研究納米材料與細(xì)胞相互作用的過程中，一個(gè)問題始終無法回避，即細(xì)胞對(duì)于納米材料的細(xì)胞內(nèi)吞和胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)過程以及相關(guān)的機(jī)制。納米材料首先要通過細(xì)胞的內(nèi)吞作用進(jìn)入細(xì)胞，進(jìn)而產(chǎn)生細(xì)胞學(xué)效應(yīng)。而納米材料在細(xì)胞內(nèi)往往被膜結(jié)構(gòu)包裹，形成一些囊泡，在不同的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)間進(jìn)行運(yùn)輸。這一過程統(tǒng)稱為納米材料的細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運(yùn)過程。對(duì)于膜轉(zhuǎn)運(yùn)過程的研究至關(guān)重要，作為一種重要的物質(zhì)跨膜運(yùn)輸方式，膜轉(zhuǎn)運(yùn)的過程和調(diào)控很大程度上決定了納米材料的細(xì)胞學(xué)命運(yùn)和效應(yīng)。2013年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)就授予了在“揭開細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)運(yùn)輸機(jī)制”方面做出貢獻(xiàn)的3位科學(xué)家。近年來研究人員也對(duì)包括磁性鐵納米材料在內(nèi)的多種材料的膜轉(zhuǎn)運(yùn)過程進(jìn)行了多角度的分析和研究。細(xì)胞攝取磁性鐵納米材料的過程包括納米顆粒與細(xì)胞的粘附、跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)以及胞內(nèi)分布等過程［65-66］。在這一完整的過程中，細(xì)胞自身的膜體系以及代謝過程也隨之發(fā)生了變化。因此，研究轉(zhuǎn)運(yùn)過程之中磁性納米材料與細(xì)胞之間的相互作用有助于研究者充分認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)過程中每個(gè)環(huán)節(jié)的特點(diǎn)，繼而有針對(duì)性地設(shè)計(jì)具有靶向性、安全性、便捷性的基于磁性鐵納米材料的細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸體系，為智能性納米藥物的研發(fā)做出有益的探索。

Xu等［66］研究發(fā)現(xiàn)，大量納米顆粒能夠通過細(xì)胞膜內(nèi)吞作用跨膜吸收。對(duì)納米材料內(nèi)吞作用的研究一般認(rèn)為，納米顆粒被細(xì)胞內(nèi)吞的第一步是其被細(xì)胞的識(shí)別，并附著在細(xì)胞膜上。在這一過程之中，附著納米顆粒的細(xì)胞膜內(nèi)陷形成囊狀結(jié)構(gòu)，而納米顆粒就被包圍在囊狀結(jié)構(gòu)之中。隨之，包含有納米顆粒的囊狀結(jié)構(gòu)從細(xì)胞膜上分離形成小泡，繼而進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部。這一事件的結(jié)束標(biāo)志著納米顆粒完成細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)（圖4（a））［67］。由于囊狀結(jié)構(gòu)的形成是耗能過程，因此，這一過程涉及了細(xì)胞的能量代謝。在細(xì)胞膜表面，網(wǎng)格蛋白、小窩蛋白等參與了不同形式的介導(dǎo)。網(wǎng)格蛋白是細(xì)胞形成囊泡的重要組成成分，在其介導(dǎo)Fe3O4納米顆粒轉(zhuǎn)運(yùn)的過程中需要銜接蛋白的牽引作用Fe3O4以及含有GTP酶的動(dòng)力蛋白的協(xié)同［66］。Schuler等［68］針對(duì)這一協(xié)同效應(yīng)進(jìn)行了較為完整的闡述，并使用阻斷方法對(duì)不同蛋白的作用進(jìn)行了驗(yàn)證。

研究表明，F(xiàn)e3O4納米顆粒等磁性鐵納米材料可進(jìn)入內(nèi)皮細(xì)胞和腸上皮細(xì)胞中，甚至能夠通過血腦屏障進(jìn)入腦組織中。因此，對(duì)于磁性納米顆粒在細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)過程的研究具有重要的意義。Ma等［69］研究人肺腺癌細(xì)胞（SPC-A1）對(duì)Fe3O4納米顆粒轉(zhuǎn)運(yùn)過程時(shí)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e3O4納米顆粒在內(nèi)吞過程中，網(wǎng)格蛋白參與了SPC-A1細(xì)胞質(zhì)膜上受體與配體的特異性結(jié)合。經(jīng)過網(wǎng)格蛋白的裝配作用，質(zhì)膜逐漸形成了具有牽動(dòng)效應(yīng)的機(jī)械力。在機(jī)械力的不斷作用下，質(zhì)膜出現(xiàn)凹陷型小窩，以此捕獲膜上的Fe3O4納米顆粒。而Huang等［70］進(jìn)一步的研究表明，這種內(nèi)化過程的實(shí)現(xiàn)與Fe3O4納米顆粒本身的粒徑存在密切的關(guān)聯(lián)。即細(xì)胞對(duì)于Fe3O4納米顆粒的內(nèi)化存在一個(gè)最適的粒徑范圍。小于或者大于這個(gè)粒徑范圍，F(xiàn)e3O4納米顆粒的內(nèi)化過程都會(huì)出現(xiàn)降低的趨勢(shì)。Chithrani等［71］在進(jìn)一步的研究中指出，包括Fe3O4納米顆粒在內(nèi)的多種納米顆粒在不同的粒徑尺度范圍內(nèi)與細(xì)胞膜上識(shí)別受體的結(jié)合效力存在顯著的差別。這種差異性影響了膜轉(zhuǎn)運(yùn)體系的轉(zhuǎn)運(yùn)效力，造成納米顆粒的內(nèi)化過程的顯著差異性。

另一方面，研究著重于納米顆粒電荷性與轉(zhuǎn)運(yùn)之間的關(guān)系。大量研究表明，納米顆粒的表面電荷性質(zhì)與其在細(xì)胞中的轉(zhuǎn)運(yùn)具有密切聯(lián)系［72］。由于細(xì)胞膜自身的極性性質(zhì)，其對(duì)于電負(fù)性的納米顆粒具有較高的互作頻率。Calatayud等［73］通過對(duì)比性實(shí)驗(yàn)證明，表面電負(fù)性的Fe3O4納米顆粒能夠更為容易地通過細(xì)胞膜的轉(zhuǎn)運(yùn)過程完成內(nèi)化。在這一過程中，細(xì)胞膜表面的正電荷區(qū)域?qū)τ陔娯?fù)性納米顆粒形成了較為定向性的吸引，從而造成了納米顆粒的聚集，增大了與細(xì)胞相互作用的概率?；谶@種實(shí)驗(yàn)結(jié)果，Yang等［74］設(shè)計(jì)了基于Fe3O4和石墨烯納米顆粒偶聯(lián)的納米空心球狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步改善了納米材料的表面電荷性質(zhì)，能夠?qū)δ承┎灰走M(jìn)入細(xì)胞的小分子進(jìn)行有效的載帶。

納米顆粒所具有的蛋白吸附效應(yīng)使其可以通過表面修飾的方式進(jìn)一步提高與細(xì)胞相互作用的效率，并且在一定程度上改變細(xì)胞對(duì)磁性鐵納米顆粒的攝取方式［75］。例如，當(dāng)磁性鐵納米顆粒進(jìn)入血液等蛋白環(huán)境中時(shí)，納米顆粒周圍的蛋白分子能夠與納米顆?；プ?，并最終對(duì)納米顆粒形成包裹。而經(jīng)過包裹后的納米材料不能直接與細(xì)胞膜表面發(fā)生接觸，轉(zhuǎn)而變?yōu)榘鞍着c細(xì)胞的相互作用［37］。利用這一現(xiàn)象，研究者設(shè)計(jì)了多種對(duì)磁性納米顆粒的表面修飾，以此達(dá)到更好的細(xì)胞識(shí)別效應(yīng)。如 Jiang等［76］將Fe3O4納米顆粒的表面修飾了葉酸分子，依靠細(xì)胞表面葉酸受體蛋白對(duì)葉酸分子的識(shí)別和結(jié)合完成了Fe3O4納米顆粒的細(xì)胞內(nèi)化過程（圖4（b））。

4　磁性鐵納米顆粒的膜轉(zhuǎn)運(yùn)過程

以Fe3O4納米顆粒為代表的磁性鐵納米材料具有的優(yōu)越的生物兼容性和多種細(xì)胞學(xué)效應(yīng)使得磁性鐵納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。磁性鐵納米材料所具有的磁性以及酶活性已經(jīng)使這一類納米顆粒成為公認(rèn)的功能性納米粒子，其應(yīng)用的范圍也會(huì)隨著其潛在性質(zhì)的不斷挖掘而不斷延伸。

4.1磁性鐵納米材料基于磁熱性質(zhì)的抗腫瘤效應(yīng)

Hirsch等［12］將超順磁Fe3O4納米材料置于電磁場(chǎng)中，利用電磁場(chǎng)方向不斷變化的原理，使超順磁Fe3O4納米接收到來自于外界磁場(chǎng)的磁感熱，繼而以熱效應(yīng)促進(jìn)病態(tài)細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞的凋亡。由于腫瘤細(xì)胞對(duì)溫度具有較強(qiáng)的敏感性，Zhang等［77］改進(jìn)和提高了超順磁納米顆粒的傳熱方式，以陽(yáng)離子脂質(zhì)體和葡聚糖包裹超順磁納米顆粒，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的攝取。這種復(fù)合型的超順磁納米顆粒能夠增強(qiáng)自身對(duì)熱輻射的吸收，從而提高了腫瘤細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的溫度，加劇了細(xì)胞的凋亡。該方法的主要優(yōu)勢(shì)在于，腫瘤細(xì)胞對(duì)于高溫的低耐受性導(dǎo)致了其在熱輻射后率先出現(xiàn)凋亡，而正常細(xì)胞則保持了良好的狀態(tài)。因此，這種方法具有顯著的治療靶向性。

4.2磁性鐵納米材料的靶向藥物輸送

在外加磁場(chǎng)的作用下，磁性鐵納米材料能夠偶聯(lián)目標(biāo)藥物分子，并實(shí)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)的靶向性投送。Chen 等［78］將Fe3O4納米顆粒結(jié)合抗癌藥物Doxorubicin，成功實(shí)現(xiàn)了藥物分子的細(xì)胞攝取和細(xì)胞內(nèi)的靶向性分布。在這種策略下，腫瘤細(xì)胞的成活率顯著下降。由于Fe3O4納米顆粒本身不具有抗腫瘤效應(yīng)和明顯的細(xì)胞毒性，因此，可以認(rèn)為腫瘤細(xì)胞在該策略下凋亡顯著上升的原因完全在于抗腫瘤藥物本身靶向性的提升。此外，F(xiàn)e3O4納米顆粒的生產(chǎn)成本和藥物偶聯(lián)成本均較低，因此，以Fe3O4納米顆粒為載體的復(fù)合型、靶向性抗腫瘤藥物的生產(chǎn)成本不會(huì)有明顯提升。

4.3磁性鐵納米材料在醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)中的應(yīng)用

磁性納米顆粒作為造影劑運(yùn)用于核磁共振檢測(cè)的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)非常成熟。而且，超順磁納米材料所具有的良好質(zhì)子弛豫現(xiàn)象也為其作為新型的造影劑提供了先決條件［79］。Polito等［80］通過相關(guān)研究表明，由超順磁納米材料組成的造影劑能夠顯著提升正常組織和病患組織之間的視覺對(duì)比度，能夠更好地指導(dǎo)醫(yī)務(wù)人員對(duì)患者病情的評(píng)估與判斷。因此，使用超順磁納米顆粒作為造影劑，能夠降低患者的攝入量，進(jìn)一步減輕醫(yī)療藥劑對(duì)患者身體的影響。目前，已經(jīng)報(bào)道出多種超順磁納米探針，在臨床中的潛在應(yīng)用性是非常值得期待的［81-82］。近些年來，隨著Fe3O4納米顆粒等磁性材料所具有的良好細(xì)胞相容性被大量研究證明，其運(yùn)用于臨床檢驗(yàn)的時(shí)機(jī)也越發(fā)成熟。

結(jié)合以上的論述可知，以Fe3O4納米顆粒為代表的磁性鐵納米顆粒在細(xì)胞乃至整個(gè)生物體內(nèi)具有非常廣闊的潛在應(yīng)用價(jià)值。因此，針對(duì)這一種類納米材料潛在功能性的研究和開發(fā)也將是功能性納米材料發(fā)展的重要方向。

5　總結(jié)與展望

以Fe3O4納米顆粒為代表的磁性鐵納米材料所具有的超順磁性和磁熱效應(yīng)已經(jīng)在生物體系內(nèi)得到應(yīng)用，并已作為治療相關(guān)疾病的重要發(fā)展方向。而其具有的模擬酶性質(zhì)以及由此衍生的Fe3O4納米顆粒在細(xì)胞內(nèi)外雙酶活性特性得到了越來越多的關(guān)注。并且，磁性納米材料的模擬酶性質(zhì)以及相關(guān)的抗氧化、抗衰老功能仍值得探索。磁性鐵納米材料引發(fā)的細(xì)胞內(nèi)的自噬效應(yīng)具有顯著的特征性。對(duì)于相關(guān)誘導(dǎo)機(jī)制的進(jìn)一步研究將會(huì)不斷揭示模擬酶在細(xì)胞內(nèi)的催化效應(yīng)與細(xì)胞代謝之間的相互關(guān)系。

在輻射生物學(xué)和輻射化學(xué)領(lǐng)域，F(xiàn)e3O4納米顆粒有望大幅度提高放射療法的治療效果，并顯著降低其副作用。因此，F(xiàn)e3O4納米顆粒在輻射生物學(xué)中的應(yīng)用將得以持續(xù)的關(guān)注。此外，不同形狀、粒徑和分子組成的磁性鐵納米材料在細(xì)胞中的內(nèi)化和轉(zhuǎn)運(yùn)方式也是研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。針對(duì)磁性鐵納米材料轉(zhuǎn)運(yùn)過程、方式、特點(diǎn)的研究對(duì)于設(shè)計(jì)新型納米靶向性藥物具有重要的理論和指導(dǎo)意義。

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Cellular effects and membrane trafficking of magnetic iron nanoparticles

WANG Lu1，2XIANG Fawei3HAN Yuping1，4WANG Ting1，3WANG Kun1WANG Wenfeng1CHEN Nan1
1（Division of Physical Biology and Bioimaging Center， Shanghai Synchrotron Radiation Facility， Shanghai Institute of Applied Physics， Chinese Academy of Sciences， Zhangjiang Campus， Shanghai 201204， China）
2（University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）
3（Radiology Department， Weifang People's Hospital， Weifang 261000， China）
4（School of Life Science， Sichuan University， Chengdu 610064， China）

Research progress on biocompatibility， endocytosis and intracellular trafficking， as well as their intrinsic enzymatic activity-related cellular effects of magnetic iron nanoparticles （Fe3O4NPs） were summarized. These comprehensive researches provide valuable insights for anti-oxidation， autophagy regulation， theranostics，radiation treatment and other biomedical applications of magnetic iron nanoparticles.

Magnetic iron nanoparticles， Fe3O4NPs， Enzyme-like activity， Autophagy， Endocytosis

WANG Lu （female） was born in June 1988 and received her master degree from Sichuan University in 2013. Now she is a doctor candidate in Shanghai Institute of Applied Physics， Chinese Academy of Sciences， majoring in nanobiology. E-mail：

Ph.D. CHEN Nan， professor， E-mail： chennan@sinap.ac.cn

and accepted 26 April 2016

O611， Q291

10.11889/j.1000-3436.2016.rrj.34.050101

國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃（No.U1332119、No.31371015、No.31470970）資助

王璐，女，1988年6月出生，2013年于四川大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所博士研究生，研究領(lǐng)域?yàn)榧{米生物學(xué)，E-mail： lwangsinap@163.com

陳楠，博士，研究員，E-mail： chennan@sinap.ac.cn

收稿2016-04-26

Supported by National Natural Science Foundation of China （No.U1332119， No.31371015， and No.31470970）

lwangsinap@163.com