陳路鋒 鐘紅珊 徐克

納米顆粒（nanoparticles，NPs）具有許多獨(dú)特的性質(zhì)，如腫瘤靶向性、易于功能化修飾、易于裝載診斷性和治療性的藥物，已廣泛應(yīng)用于腫瘤的診斷和治療中，形成了新的交叉學(xué)科即納米腫瘤學(xué)［1］。將治療性藥物和成像組件集成于一個(gè)納米平臺(tái)內(nèi)，構(gòu)建兼具診斷和治療功能的NPs，實(shí)現(xiàn)腫瘤診療一體化成為近年來(lái)納米腫瘤學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［2-3］。其中基于氧化鐵（iron oxide，IO）的磁性納米顆粒（magnetic nanoparticles，MNPs）是一種典型的，目前研究較為廣泛和熱門的診治一體化性NPs。

1 基于IO的MNPs概述

MNPs 與塊狀材料具有不同的磁學(xué)特性，即當(dāng)磁性材料的尺寸減小至某一臨界尺寸時(shí)呈超順磁性，當(dāng)施加外磁場(chǎng)時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出較高的磁性，而去掉外磁場(chǎng)后，磁性則消失。MNPs 主要包括：IO、鐵氧體、鈷、鎳、錳和鐵金屬合金、氮化鐵等，其中氧化鐵納米顆粒（iron oxide nanoparticles，IONPs）（Fe3O4和γ-Fe2O3）應(yīng)用最多，本文中MNPs主要是指基于IO的MNPs。

目前，應(yīng)用于腫瘤診治一體化的MNPs常見結(jié)構(gòu)為釆用化學(xué)合成法制備IONPs作為磁核，然后再使用適當(dāng)?shù)陌徊牧蠈?duì)其進(jìn)行表面包被修飾。IONPs 的化學(xué)合成方法主要為：共沉淀法、微乳液法、熱分解法、溶膠-凝膠法、水熱法以及溶劑熱法等。裸露的IONPs 比表面積大、磁偶極作用強(qiáng)、表面能高使得其易于團(tuán)聚，導(dǎo)致粒徑增大、膠體穩(wěn)定性下降，且IONPs易被氧化而導(dǎo)致磁性下降［4］。使用功能材料對(duì)磁核進(jìn)行包被修飾，不僅可以提高M(jìn)NPs 的理化性能，如提高水溶性、生物相容性，提高循環(huán)時(shí)間、降低調(diào)理作用等，還可以提高其載藥能力。此外，通過(guò)表面修飾，還可使MNPs 獲得多種功能基團(tuán)，如羧基、氨基、羥基、巰基等，使得MNPs易于偶聯(lián)化療藥物、核酸分子、靶向性配體、抗體、成像組件等多種生物活性模塊，從而賦予MNPs 多種多樣的藥物載體功能、主動(dòng)靶向功能、成像功能等［5］。因此，對(duì)MNPs進(jìn)行包被修飾具有重要意義。常用于MNPs 包被修飾的材料有葡聚糖、聚乙二醇、二氧化硅、金等［6］。

MNPs 具有生物安全性高、比表面積大、弛豫性能高、磁敏感性、超順磁性、表面易于修飾和功能化等優(yōu)點(diǎn)。在具有載藥能力的同時(shí)，還具備下述獨(dú)特的診療一體化功能：1）具有T2加權(quán)MRI成像功能；2）在外磁場(chǎng)的吸引下可以在特定部位聚集而具有簡(jiǎn)便易行的物理性腫瘤靶向功能；3）在交變磁場(chǎng)中可以產(chǎn)熱而具有磁熱療功能［7］。目前，MNPs 已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如靶向性藥物遞送、酶的固化、生物檢測(cè)、生物分離、MRI和腫瘤磁熱治療等［8-9］。

2 MNPs用于腫瘤成像

由于磁核的存在，大部分MNPs 具有T2W-MRI功能（直徑＜5 nm 的極小IONPs 具有T1 成像功能）。與其他成像方式相比，T2W-MRI具有許多優(yōu)勢(shì)，如無(wú)電離輻射、組織穿透深和軟組織對(duì)比度高等；然而，T2W-MRI也存在一定的局限性，如成像時(shí)間長(zhǎng)、陰性對(duì)比、對(duì)肺及骨等組織成像效果差等［10］。因此，僅具有T2W-MRI單一成像功能可能會(huì)限制MNPs的臨床應(yīng)用范圍。通過(guò)將MNPs 與具有其他成像功能的組件聯(lián)合在一起，構(gòu)建多模態(tài)成像探針，可以克服單一成像技術(shù)的局限性、提高成像的敏感性。由于成像過(guò)程縮短，因此節(jié)省時(shí)間和費(fèi)用［8，11］。

2.1 T1/T2 MR成像

由于MNPs 的T2W-MRI 為陰性對(duì)比成像，通過(guò)將傳統(tǒng)的T1WI 陽(yáng)性對(duì)比劑結(jié)合于MNPs 上，則可實(shí)現(xiàn)T1/T2雙模態(tài)成像功能。含Gd3+化合物或螯合物是臨床上最常使用的T1W-MRI 對(duì)比劑。Yang 等［12］將Gd-DTPA 共價(jià)偶聯(lián)至Fe3O4@SiO2的硅殼上，并使用RGD分子進(jìn)行靶向性修飾，實(shí)現(xiàn)了腫瘤靶向性T1/T2雙模態(tài)成像。近年來(lái)，釓對(duì)比劑的潛在毒性逐漸受到重視，Gd3+的釋放可以造成嚴(yán)重的腎源性系統(tǒng)性纖維化。因此，如何降低釓對(duì)比劑的毒性是構(gòu)建含釓的多模態(tài)成像MNPs 時(shí)需要考慮的重要因素。有研究將Gd3+摻雜于Fe3O4磁核中，再經(jīng)stPEI 或PEG 包被，構(gòu)建了摻有Gd3+的MNPs，既可以實(shí)現(xiàn)T1/T2 雙模態(tài)MRI 成像，又可降低不良反應(yīng)［13-14］。近期，Huang等［15］將水溶性錳卟啉結(jié)合于MNPs的硅包被層上，在MNPs 靶向性聚集于腫瘤部位后，錳卟啉酸性敏感性釋放，其與IONPs 磁核的相互干擾解除，從而實(shí)現(xiàn)了腫瘤微環(huán)境響應(yīng)性T1/T2多模態(tài)MR成像。

2.2 MR/CT成像

CT成像具有檢查時(shí)間短、硬組織對(duì)比效果好、空間分辨率高等優(yōu)勢(shì)，與MRI 具有良好的互補(bǔ)性。并且，臨床實(shí)踐中CT 和MRI 是較為常用且重要的腫瘤診斷和腫瘤治療監(jiān)測(cè)方法。因此，構(gòu)建具有CT/MRI雙模態(tài)成像功能的MNPs，具有更好的臨床實(shí)用前景。目前，作為CT 成像組件應(yīng)用于MNPs 的研究中使用最多的材料為金。由于金具有較高的原子序數(shù)，使用金作為IONPs 的包被材料，構(gòu)建出核殼結(jié)構(gòu)Fe3O4@Au MNPs，IONPs 磁核作為MRI 成像組件，而金殼作為CT 成像組件，使MNPs 具備了MRI/CT 雙模態(tài)成像功能［16-17］。Tseng等［18］則使用多個(gè)金NPs結(jié)合于MNPs 表面，該研究中在蠕蟲狀介孔SiO2NPs 表面通過(guò)靜電作用吸附多個(gè)直徑約2 nm的極小IONPs，再在外面包被一層介孔SiO2殼，然后通過(guò)硼酸酯鍵將金NPs錨鏈于硅殼外，從而構(gòu)建了具有T1W-MRI/CT雙模態(tài)成像功能的納米載藥體系。Yang等［19］則使用二維納米材料WS2與IONPs 自組裝，然后經(jīng)介孔硅包被、PEG表面修飾，構(gòu)建出MRI/CT雙模態(tài)成像功能的WS2-IO@MS-PEG 多功能納米載藥平臺(tái)，其中WS2既能吸收X 射線發(fā)揮CT 成像功能，又能吸收近紅外激光，發(fā)揮光熱治療作用。Badrigilan 等［20］使用氧化鉍作為CT成像組件引入MNPs，在該研究中將氧化鉍和IO復(fù)合材料作為核，石墨烯量子點(diǎn)作為殼，由于鉍具有較高的原子序數(shù)，該納米復(fù)合材料具有良好的CT成像功能，其CT值高達(dá)碘對(duì)比劑的175%。

2.3 MRI/光學(xué)成像

光學(xué)成像是腫瘤分子影像研究中最常用的成像方法之一，具有敏感性高、性價(jià)比高和無(wú)電離輻射等優(yōu)點(diǎn)，可在分子水平提供腫瘤的相關(guān)生物學(xué)信息，因而對(duì)早期腫瘤具有較高的顯像能力。所以，具有MRI/光學(xué)成像雙模態(tài)成像功能的MNPs，既可提供腫瘤的解剖信息，也有助于提供腫瘤相關(guān)的分子事件。Santra等［21］使用改良的溶劑擴(kuò)散法，將近紅外熒光染料和化療藥紫杉醇包裹于PAA 包被的IONPs內(nèi)，并在PAA包被層上偶聯(lián)葉酸分子，構(gòu)建出具有腫瘤靶向性的、MRI/光學(xué)成像雙模態(tài)成像功能和腫瘤化療功能的多功能MNPs。Zhou等［22］使用聚乙二醇-b-聚己內(nèi)酯（PEG-b-PCL）包裹疏水性SPIONs，然后在包被層偶聯(lián)熒光探針Cy5.5 和膠質(zhì)瘤靶向性配體分子乳鐵蛋白，構(gòu)建出膠質(zhì)瘤靶向性光學(xué)/MRI 雙模態(tài)成像微粒，由于PEG-b-PCL 的阻隔，降低了IONPs對(duì)熒光的淬滅作用，提高了熒光成像性能。

2.4 MRI/PET、MRI/SPECT成像

PET/SPECT 成像是目前已應(yīng)用于臨床實(shí)踐的功能成像、分子影像技術(shù)，其敏感性高，可以在分子水平提供腫瘤診斷信息，其主要缺點(diǎn)為空間分辨率低。上述特點(diǎn)與MRI 成像具有高度的互補(bǔ)性。目前，PET/MRI 融合成像設(shè)備已應(yīng)用于臨床實(shí)踐中，極大地提高了腫瘤診斷水平。因此，將PET/SPECT 與MNPs 結(jié)合具有重要意義［23］。Chen 等［24］使用131I 標(biāo)記人血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）的siRNA，然后將其偶聯(lián)于IONPs上，經(jīng)皮下注射至荷肝細(xì)胞癌裸鼠體內(nèi)，SPECT/MRI 雙模態(tài)成像顯示外磁場(chǎng)可以使核素標(biāo)記的MNPs 聚集于腫瘤部位。近期，Doughton 等［25］首次將68Ga 標(biāo)記的IONPs用于臨床試驗(yàn)，通過(guò)超聲引導(dǎo)下將68Ga標(biāo)記的IONPs進(jìn)行前列腺內(nèi)注射，然后進(jìn)行PET/CT掃描，實(shí)現(xiàn)了淋巴引流通路的示蹤和前哨淋巴結(jié)顯像。

2.5 MRI/US成像

超聲成像是臨床常用的影像診斷手段之一，其具有實(shí)時(shí)成像、無(wú)電離輻射、費(fèi)用低廉、使用便捷等優(yōu)點(diǎn)，尤其對(duì)危重癥患者適用，而且可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腫瘤消融等治療過(guò)程，因此具有MRI/US 雙模態(tài)成像功能的MNPs具有重要臨床意義。Guo等［26］使用聚胺鹽聚集自組裝法制備Fe3O4/聚合物雜合微泡，實(shí)現(xiàn)MR/US 雙模態(tài)成像。Song 等［27］通過(guò)乳化作用，將IONPs與化療藥紫杉醇包埋至偶聯(lián)有赫賽汀的超聲對(duì)比劑含氣微泡內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了具有MRI/US雙模態(tài)成像功能的、腫瘤靶向性的多功能MNPs。

2.6 多模態(tài)成像

不同成像技術(shù)均有各自的優(yōu)勢(shì)和局限性，使用納米技術(shù)可以將具有不同成像功能的成分組合在一個(gè)納米平臺(tái)內(nèi)，即構(gòu)建具有多模態(tài)成像功能的納米復(fù)合體，則可以實(shí)現(xiàn)多功能成像，已有許多研究將多功能成像組件結(jié)合于MNPs。如Feng 等［28］在SPION表面包被介孔g-C3N4，然后再在表面吸附摻雜有Gd3+和Yb3+離子的超小上轉(zhuǎn)化顆粒（UCNPs），進(jìn)行PEG化修飾，制備出多功能納米平臺(tái)Fe3O4@g-C3N4-UCNPs-PEG。在該納米平臺(tái)中，F(xiàn)e3O4可產(chǎn)生T2W MRI 陰性對(duì)比，Gd3+產(chǎn)生T1W MRI 陽(yáng)性對(duì)比，而Yb3+離子則可以用于CT 成像，從而實(shí)現(xiàn)T1/T2 MRI/CT 多功能成像。Bian 等［29］構(gòu)建了基于金屬-有機(jī)框架的多功能納米復(fù)合體Fe3O4@PAA/AuNCs/ZIF-8 NPs，該納米復(fù)合體具有MRI/CT/光學(xué)成像3種成像功能。Miao等［30］使用超聲微泡包被IONPs 磁核并在表面吸附熒光量子點(diǎn)CdTe，實(shí)現(xiàn)了具有超聲/MRI/熒光3 種成像功能的多功能納米復(fù)合體。

3 MNPs用于腫瘤治療

NPs可以作為藥物遞送載體，將化療藥通過(guò)EPR效應(yīng)靶向性向腫瘤遞送藥物，納米載體還可以經(jīng)過(guò)在表面進(jìn)行腫瘤特異性的配體分子修飾后，進(jìn)一步提高腫瘤部位藥物濃度，即主動(dòng)靶向性，從而提高療效并降低不良反應(yīng)。MNPs 除了一般納米載體的優(yōu)勢(shì)外，還具有成像功能，可以在外磁場(chǎng)的吸引下，到達(dá)腫瘤部位，即磁靶向性，這種靶向策略與主動(dòng)靶向策略相比，具有簡(jiǎn)便、高效的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。因此，MNPs可以用于影像可視化、磁靶向性腫瘤治療。

3.1 化療

化療是腫瘤治療的主要方法之一，然而傳統(tǒng)的化療存在某些局限性亟待解決。比如部分化療藥水溶性差、存在多藥耐藥、組織特異性差和不良反應(yīng)大等。將MNPs作為藥物運(yùn)載體，在磁場(chǎng)的輔助下可以將藥物通過(guò)血液系統(tǒng)遞送至特定部位，實(shí)現(xiàn)腫瘤部位的靶向性，還可以實(shí)現(xiàn)腫瘤微環(huán)境敏感性釋放，從而提高化療的療效和降低不良反應(yīng)［31-32］。除了磁靶向外，還可以在MNPs 表面進(jìn)行主動(dòng)靶向分子的修飾，實(shí)現(xiàn)腫瘤的主動(dòng)靶向。如Ji等［33］制備了檸檬酸包被的IONPs，再通過(guò)共價(jià)結(jié)合進(jìn)行PEG 化表面修飾，然后再將DOX 共價(jià)結(jié)合于PEG 分子上，即GCIODOX，這種納米載藥系統(tǒng)具有pH、磁場(chǎng)雙重響應(yīng)性藥物釋放功能。Li 等［34］使用以介孔SiO2為包被層的MNPs 作為DOX 載體，再在其表面連接一種對(duì)MMP-2敏感的肽，在外磁場(chǎng)的作用下可以實(shí)現(xiàn)腫瘤靶向性藥物，在高表達(dá)MMP-2的腫瘤區(qū)域?qū)崿F(xiàn)DOX藥物釋放，還可以進(jìn)行實(shí)時(shí)MRI 監(jiān)視。Semkina 等［35］在小牛血清包被的MNPs上連接VEGF抗體用于肺癌的化療和MRI 成像，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示VEGF 靶向性MNPs明顯提高了小鼠的生存率，于給藥后24 h 進(jìn)行MRI成像，提示MNPs聚集于腫瘤部位。

3.2 光動(dòng)力治療

光動(dòng)力治療（photodynamic therapy，PDT）的基本原理為光敏劑在特定波長(zhǎng)的光激發(fā)下可以產(chǎn)生細(xì)胞毒性活性氧，而發(fā)揮殺傷腫瘤的作用，PDT具有無(wú)創(chuàng)、不良反應(yīng)小、無(wú)耐藥問(wèn)題等優(yōu)勢(shì)［36］，目前已廣泛應(yīng)用于黑色素瘤、乳腺癌以及其他淺表部位腫瘤的臨床治療中［37］。然而，臨床腫瘤治療中PDT 光敏劑所需劑量大、全身分布，會(huì)造成正常組織的光毒性。Zhan等［38］將光敏劑玫瑰紅（RB）裝載于MNPs 的介孔硅包被層內(nèi)，并使用酸性敏感性聚乙二醇-b-多聚天冬氨酸（PEG-b-PAsp）包封，在外磁場(chǎng)的作用下，MNPs 通過(guò)磁靶向和EPR 被動(dòng)靶向高效地將RB 運(yùn)送至腫瘤部位，并且實(shí)現(xiàn)了MRI引導(dǎo)pH-敏感性釋放。體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，明顯提高了RB 的療效，并減低了RB的毒性作用。在Feng 等［28］的研究中，F(xiàn)e3O4磁核在外磁場(chǎng)的作用下發(fā)揮腫瘤靶向性功能，光敏劑g-C3N4作為包被層，不僅起到PDT 作用，還能隔離Fe3O4和UCNPs，避免Fe3O4的光淬滅效應(yīng)，而摻雜有鑭系元素的UCNPs作為光轉(zhuǎn)化劑。使用NIR激光激發(fā)，UCNPs可以將NIR激光轉(zhuǎn)化為可見光或紫外光，進(jìn)而激發(fā)光敏劑g-C3N4產(chǎn)生活性氧從而殺滅腫瘤細(xì)胞。由于UCNPs 提高了激發(fā)光的穿透性而其幾乎無(wú)自發(fā)熒光，因此提高了腫瘤治療效果、降低了光毒性。

3.3 光熱治療

光熱治療的基本原理是納米材料將NIR 激發(fā)激光吸收，將光能轉(zhuǎn)化為熱能，使得具部溫度升高，由于腫瘤組織內(nèi)為缺氧、低pH環(huán)境，導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞對(duì)高溫的耐受性低于正常細(xì)胞，從而起到殺死腫瘤細(xì)胞的作用。過(guò)渡金屬硫化物二維納米材料是一類新型納米材料，如MoS2、WS2和Bi2Se3等，其不僅可以高效結(jié)合治療藥物、易于功能化修飾，而且具有較強(qiáng)的光熱效應(yīng)［39］。在Yang 等［19］的研究中，二維納米材料WS2不僅作為CT成像組件，還作為光熱治療組件，并通過(guò)介孔硅包被層負(fù)載化療藥物DOX，實(shí)現(xiàn)了光熱治療與化療的聯(lián)合治療，結(jié)果顯示使用這種多功能納米材料進(jìn)行聯(lián)合治療提高了治療效果。而在Badrigilan等［20］的研究中，磁核內(nèi)摻雜的氧化鉍除了具有CT成像功能外，還可以吸收近紅外激光，將光能轉(zhuǎn)化外熱能，起到光熱治療作用。

3.4 磁熱療

MNPs 在交變磁場(chǎng)的作用下可以將磁能轉(zhuǎn)化為熱能，使局部溫度增高，因而可以用于腫瘤熱療，即磁熱療。腫瘤磁熱療法安全、有效，不良反應(yīng)?。?0］。目前，已應(yīng)用于膠質(zhì)瘤和前列腺癌的臨床治療［41-42］。MNPs 磁熱療效果的主要因素是如何提高產(chǎn)熱效率、降低MNPs 的使用劑量。為了降低IONPs 的團(tuán)聚，提高其產(chǎn)熱和成像性能，Hurley 等［43］在約12 nm 的IONPs 外包被了介孔硅殼，并使用PEG 進(jìn)行表面修飾。結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)包被后明顯降低了MNPs在生理環(huán)境下的聚集，經(jīng)瘤內(nèi)注射后，可明顯提高產(chǎn)熱性能，并且可以在T1WI成像呈陽(yáng)性對(duì)比增強(qiáng)效果。為了提高M(jìn)NPs 磁熱療對(duì)腫瘤的靶向性，Arriortua 等［44］在MNPs上連接了靶向αvβ3受體的RGD肽，構(gòu)建出具有主動(dòng)靶向性的MNPs用于磁熱療。

4 展望

目前，納米技術(shù)已廣泛應(yīng)用于腫瘤的影像診斷和治療中，MNPs 具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，本身兼具腫瘤成像和治療作用，在腫瘤診治一體化研究中顯示出較大的優(yōu)勢(shì)。然而，還有諸多問(wèn)題需要進(jìn)一步研究，如大部分MNPs 的腫瘤靶向性亟需提高，MNPs 的多模態(tài)成像與載藥能力之間的相互影響等。由于體內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，如離子、血清蛋白和血細(xì)胞等均對(duì)MNPs 發(fā)揮作用。因此，MNPs 適宜于體內(nèi)應(yīng)用的最佳理化性質(zhì)，如表面電荷、包被物種類、是否會(huì)引起免疫反應(yīng)等問(wèn)題還需進(jìn)一步的探索。