馮 爽, 李 俊, 紀新苗, 胡立江, 張 欣
(1. 中國科學院 合肥物質(zhì)科學研究院強磁場科學中心, 合肥 230031; 2. 中國科學技術大學 科學島分院, 合肥 230026; 3. 和也健康科技有限公司, 安吉 313300)
近年來有多項證據(jù)表明一定參數(shù)的磁場會對腫瘤生長產(chǎn)生一定的抑制作用[1-4],或者是聯(lián)合磁性納米材料等方法來對腫瘤細胞產(chǎn)生殺傷作用[5]。然而,腫瘤的轉移和侵襲是直接或間接導致絕大多數(shù)人類癌癥死亡的主要原因,因此,本文總結和分析了現(xiàn)有的關于磁場與腫瘤轉移的相關文獻,以期為未來相關研究提供基礎。
腫瘤轉移是癌癥病人死亡的主要原因之一。惡性腫瘤的發(fā)生和轉移是多基因參與并相互作用的多階段過程。腫瘤轉移可分為兩個部分,首先是原發(fā)腫瘤部位細胞增殖、新血管生成、腫瘤細胞穿破細胞外基質(zhì)屏障向外侵襲,隨后腫瘤細胞的轉移位置定植形成實體瘤。為了實現(xiàn)轉移,腫瘤細胞必須回避多層障礙或選擇多種機制,而且不同的癌癥具有其優(yōu)先轉移部位。
腫瘤細胞的轉移主要是通過淋巴管和/或血管進行擴散并且受到多種因素的調(diào)控,其中包括細胞-細胞和細胞-細胞外基質(zhì)(ECM)受體,侵入基底膜、脈管系統(tǒng)和不同器官所必需的蛋白水解酶,通過組織遷移所必需的運動因子,器官特異性侵襲所需受體,保證二級器官中腫瘤結節(jié)生長和發(fā)育的一些生長因子以及血管生成特異性因子等。其中腫瘤細胞與其微環(huán)境之間的相互作用對于腫瘤的轉移十分重要。眾所周知,腫瘤轉移大多并不依賴于腫瘤細胞自主機制,而是受腫瘤微環(huán)境的影響[6]。成纖維細胞是腫瘤基質(zhì)的主要成分之一。在腫瘤中被活化的成纖維細胞被稱為CAF,腫瘤細胞釋放的生長因子如TGF-β、PDGF、FGF是CAF活化的關鍵介質(zhì),CAF通過產(chǎn)生基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)從而激活腫瘤細胞的侵襲性[7]。MMPs在腫瘤細胞轉移過程中可以破壞細胞外基質(zhì)和基質(zhì)細胞形成的屏障,為腫瘤細胞的轉移提供了條件[8]。除了細胞外的一些影響因素,腫瘤細胞本身的性質(zhì)也直接與腫瘤轉移相關。例如,腫瘤細胞的細胞間黏附性通常比正常細胞低,并且當上皮腫瘤細胞之間失去E-鈣黏蛋白介導的粘連后,細胞間黏附性質(zhì)的改變使腫瘤細胞脫離組織結構并促進其轉移和惡性發(fā)展[9]。此外,Pokorny等人提出真核細胞中線粒體功能障礙和微管極性振蕩紊亂等可能會引起細胞內(nèi)電磁場異常,從而促使惡性腫瘤的發(fā)生與轉移[10-12]。
磁場可以根據(jù)其強度和方向是否隨著時間變化來分為穩(wěn)態(tài)磁場(靜磁場)和非穩(wěn)態(tài)磁場(動態(tài)磁場)。雖然在不同領域根據(jù)磁場強度的不同劃分有所不同,但常??梢员环譃槿醮艌?< 1 mT)(T,特斯拉)、中等磁場 (1 mT~1 T)、強磁場 (1 T~20 T) 和超強磁場 (≥ 20 T)。此外,根據(jù)磁場的空間分布是否均勻,又可以分為均勻與非均勻磁場。更詳細的有關磁場分類相關信息可參見其他書籍或綜述[1-2]。
由于穩(wěn)態(tài)磁場本身可變參數(shù)較少,所以在磁場生物學效應的研究中占有優(yōu)勢。近年來,國內(nèi)外多項研究發(fā)現(xiàn),穩(wěn)態(tài)磁場可以對多種生物體產(chǎn)生不同影響,而對于人體細胞而言,一定條件的穩(wěn)態(tài)磁場處理可以影響其取向、分裂、增殖等,并且與細胞類型直接相關[1]。然而,即使是參數(shù)較少的穩(wěn)態(tài)磁場,也會因磁場強度、梯度、處理方式和所研究生物樣品類型等的不同而產(chǎn)生完全不同的影響[1-2, 13-21]。例如,我們最近關于1 T穩(wěn)態(tài)磁場對12種人源細胞系影響的研究發(fā)現(xiàn),同樣的1 T穩(wěn)態(tài)磁場并不會明顯影響其細胞周期或細胞凋亡,但是在較高鋪板密度下,7種人實體瘤細胞系中有6種細胞的數(shù)量都在1 T磁場作用2 d后有所減少,而5種非腫瘤細胞的增殖則不被抑制[20]。此外,我們研究了27 T超強穩(wěn)態(tài)磁場對細胞的影響,發(fā)現(xiàn)27 T穩(wěn)態(tài)均勻磁場對人鼻咽癌CNE-2Z細胞作用4 h后并沒有直接引起細胞死亡,卻影響了細胞有絲分裂紡錘體的取向及形狀,并且這種影響具有磁場強度和時間依賴性,因為27 T超強穩(wěn)態(tài)磁場4 h就可以影響細胞內(nèi)紡錘體的取向,使用9 T強穩(wěn)態(tài)磁場處理 4 h雖無此效果,但是將處理時間延長至3 d,也可以產(chǎn)生類似的效果。然而1 T以下的穩(wěn)態(tài)磁場即使是作用時間長達7 d也對紡錘體的取向完全沒有影響[21]。
相較于穩(wěn)態(tài)磁場,動態(tài)磁場可變參數(shù)較多,所以目前研究中所使用的動態(tài)磁場類型也比較豐富。近年來基于永磁鐵的低頻旋轉磁場也在多種慢性疾病的癥狀緩解方面顯示出了良好的前景[22],基于電磁場的經(jīng)顱磁刺激(TMS)技術則在抑郁和癲癇等疾病治療中顯示出良好的治療效果,是目前電磁場領域應用于臨床疾病治療中最成功的例子之一。而基于電場的腫瘤治療場(TTF)也成為神經(jīng)膠質(zhì)瘤等疾病的有效治療方法,為磁場的醫(yī)學應用提供了很好的參考作用。
目前臨床上對于腫瘤轉移是以放療、化療和免疫治療等方式為主。相比之下,穩(wěn)態(tài)和低頻磁場的優(yōu)勢在于非侵入性和良好的安全性,副作用很少。雖然目前有關磁場的研究才剛剛起步,相關的規(guī)范研究還比較缺乏,并且需要進行磁場和作用方式等各種條件的進一步優(yōu)化才能得到更好的效果,但是從目前的各項研究看來,穩(wěn)態(tài)和低頻磁場十分有望成為一種可以應用于腫瘤轉移治療的輔助/替代手段。
事實上,目前關于穩(wěn)態(tài)磁場本身與腫瘤轉移的研究十分缺乏,并且在有限的幾項研究中,由于所用實驗體系的磁場和生物樣品本身差異巨大,導致其結果截然不同(表1)。Tanioka等人發(fā)現(xiàn)經(jīng)磁場處理36或48 h后的B16細胞表現(xiàn)出比對照組更高的轉移活性[23]。王曉陽構建了人肝癌動物模型,并發(fā)現(xiàn)磁場處理組中有40%腫瘤未發(fā)生轉移,比對照組小鼠延長了壽命并抑制了小鼠體內(nèi)腫瘤轉移[24]。雖然這兩項研究看似結果相反,但并無可比性,因為Tanioka等人是將磁場處理過的細胞注射入小鼠體內(nèi),而王曉陽是在構建腫瘤動物模型之后再加磁場,其研究方式有所不同(圖1),并且,其細胞類型也不相同。
此外,目前在細胞水平上的幾項關于穩(wěn)態(tài)磁場對腫瘤細胞遷移和侵襲影響的報道結果也不盡相同。王曉陽發(fā)現(xiàn)0.6 T穩(wěn)態(tài)磁場可以抑制人肝癌Smmc7721細胞的侵襲[24]。Hashimoto等人發(fā)現(xiàn)30 mT或120 mT的穩(wěn)態(tài)磁場促進NG108-15細胞和NIH/3T3細胞的遷移,而MC3T3-E1細胞的遷移在不同的磁場強度和磁場方向下會有不同的影響,其中30 mT的垂直磁場和120 mT的水平磁場抑制其遷移,而在30 mT的水平磁場和120 mT的垂直磁場中會促進其遷移[25]。此外,研究表明,在地磁場被屏蔽的亞磁場條件下,人神經(jīng)母細胞瘤SH-SY5Y細胞系的遷移和侵襲受到抑制[26]。由于穩(wěn)態(tài)磁場所產(chǎn)生的生物學效應與磁場強度、梯度、處理時間和細胞類型等多種因素相關,從目前僅有的幾項關于穩(wěn)態(tài)磁場對腫瘤細胞侵襲和遷移影響的研究還不足以得出任何確切結論,因此我們需要進行大量的相關研究,從而確定不同參數(shù)穩(wěn)態(tài)磁場與不同類型腫瘤轉移之間的關系。
圖1 兩種不同的加磁方式
相比于穩(wěn)態(tài)磁場而言,關于非穩(wěn)態(tài)磁場與腫瘤轉移的研究相對較多,并且其結果根據(jù)磁場具體參數(shù)和所研究的生物樣品不同而有所不同。
一些研究結果表明特定參數(shù)的非穩(wěn)態(tài)磁場可以抑制腫瘤轉移。研究人員對人乳腺癌MDA-MB-435細胞的荷瘤裸鼠每天使用5.5 mT疊加磁場,發(fā)現(xiàn)磁場處理對轉移腫瘤的擴散和生長有顯著的抑制作用,并且磁場誘導的抑制效果顯著強于化療藥環(huán)磷酰胺的作用[27]。Cameron等人研究發(fā)現(xiàn)接受IR或TEMF治療的小鼠的肺轉移結節(jié)和腫瘤血管的生成明顯少于對照組,且腫瘤生長速度更緩慢[28]。研究人員將淋巴瘤動物模型AKR/J小鼠長期暴露于全球移動通信系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁場中,發(fā)現(xiàn)暴露于電磁場的小鼠組織切片的轉移性浸潤率要低于對照組[29]。Novikov等人發(fā)現(xiàn)組合磁場處理Ehrlich腹水癌(EAC)小鼠的腫瘤組織明顯少于對照組小鼠,且腫瘤轉移明顯減少[30]。侯亞義課題組的一項研究中使用0.4 T 7.5 Hz的低頻旋轉磁場處理B16-F10黑色素瘤細胞,發(fā)現(xiàn)B16-F10細胞的生長受到抑制,且抑制作用與細胞周期受阻,細胞核染色質(zhì)分解有關,而將B16-F10黑色素瘤細胞尾靜脈注射到C57BL/6小鼠中,并使用0.4 T 7.5 Hz低頻旋轉磁場處理,發(fā)現(xiàn)小鼠存活時間延長,黑色素瘤轉移受到抑制,并且小鼠的免疫功能被提升[31]。
也有一些研究表明動態(tài)磁場不影響或者甚至可能促進腫瘤轉移。1997年有學者發(fā)現(xiàn)磁場處理組和對照組小鼠的胸腺淋巴瘤和淋巴瘤性白血病發(fā)生率并沒有明顯差別,但是經(jīng)磁場處理的小鼠淋巴瘤細胞向肝臟的致密轉移浸潤比對照組更顯著[32]。Leman等人使用0.3 mT 2 Hz的脈沖電磁場與褪黑激素對3種乳腺癌細胞的侵襲并沒有顯著影響[33]。Santini等人將MG-63骨肉瘤球狀體放在1 mT 50 Hz的極低頻交變磁場中處理2 d,發(fā)現(xiàn)磁場對其無損傷,但球體的侵襲能力顯著增加[34]。在之后的一項研究中,研究人員將兩種不同來源的乳腺癌細胞MCF-7放在1.2 μT 50 Hz的交變電磁場中處理,發(fā)現(xiàn)電磁場可能能夠增加乳腺癌的轉移潛能[35]。
表1 磁場對腫瘤轉移的影響
隨著近年來科技的進步和醫(yī)學的發(fā)展,研究人員提出了多種新型腫瘤靶向和癌癥治療方法,例如基于納米技術的腫瘤相關研究發(fā)展十分迅速,目前已有多項研究發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)磁場與納米顆粒聯(lián)合應用于腫瘤治療可以有效抑制腫瘤轉移 (表2),其原理大多集中在利用梯度穩(wěn)態(tài)磁場來將磁性納米顆粒定位于腫瘤所在部位,從而進行“靶向治療”[36-37](圖2)。其中具有代表性的一項工作是研究者對雌性Balb/c小鼠右后足墊注射4T1小鼠乳腺癌細胞后,在其原發(fā)性腫瘤位置注射磁性納米顆粒,并在其附近的前哨淋巴結部位附著0.3 T的磁體,發(fā)現(xiàn)磁性納米顆??梢灾鲃哟┻^淋巴系統(tǒng)并積聚在前哨淋巴結中,然后用808 nm近紅外激光進行處理,使磁性納米粒子有效升溫,從而消融原發(fā)性腫瘤和SLN(前哨淋巴結),有效地抑制了淋巴結轉移并顯著延長動物存活時間[38]。研究人員發(fā)現(xiàn)采用30 mT的穩(wěn)態(tài)磁場與MNC(磁敏感復合納米顆粒)聯(lián)合作用,對Lewis肺癌細胞以及Lewis肺癌小鼠表現(xiàn)出了更強的抗腫瘤和抗轉移效果[39]。
圖2 一種常見的利用穩(wěn)態(tài)磁場和磁性納米材料實現(xiàn)磁靶向的方法
表2 磁場聯(lián)合磁性納米材料對腫瘤轉移的影響
此外,在2011年就有人提出了一種使用磁流體模擬微重力治療腫瘤的新方法,該方法是通過外加磁場將靜脈注射或直接注射的磁流體導航至腫瘤所在位置,然后在外部均勻磁場的作用下產(chǎn)生精準的局部微重力環(huán)境,從而抑制癌細胞的生長和侵襲[40]。在荷有原位4T1乳腺癌的Balb/c小鼠中,通過對小鼠瘤內(nèi)注射由鐵微粒組成的磁流變液,然后局部施加0.4 T穩(wěn)態(tài)磁場,導致磁流變液立即聚結,腫瘤細胞死亡、原發(fā)性腫瘤生長緩慢并且腫瘤的轉移和侵襲受到了抑制[41]。Dandamudi等人研究了外加磁場與帶有磁性的陽離子脂質(zhì)體聯(lián)合在腫瘤治療中的應用,發(fā)現(xiàn)外部施加磁場顯著提高了藥物的靶向性及抗腫瘤效果,并且減少了優(yōu)先轉移部位腫瘤結節(jié)的存在[42]。
圖3 一種常見的利用穩(wěn)態(tài)磁場和磁性納米材料實現(xiàn)腫瘤細胞富集的方法
此外,人們還可以利用穩(wěn)態(tài)磁場來富集磁性納米材料標記的循環(huán)腫瘤細胞,從而實現(xiàn)腫瘤細胞的靶向提取(圖3)。Scarberry等人利用一種可以靶向卵巢癌細胞表達EphA2受體的磁性納米顆粒,在磁場的作用下實現(xiàn)了腫瘤細胞的靶向提取,并且成功地從卵巢癌小鼠腹腔和循環(huán)系統(tǒng)中清除轉移的腫瘤細胞,延長了小鼠壽命[43]。Galanzha等人通過磁場和磁性納米顆粒捕獲小鼠血液中的循環(huán)腫瘤細胞,以快速進行光聲檢測[44]。研究人員也使用了對腫瘤細胞表面受體具有選擇性的配體功能化的磁性納米顆粒,聯(lián)合磁場,采用磁過濾去除磁性顆粒-腫瘤細胞偶聯(lián)物的方法,延長了腹腔注射卵巢癌細胞小鼠的壽命[45]。
除了穩(wěn)態(tài)磁場對納米材料的磁靶向以外,有大量研究顯示非穩(wěn)態(tài)磁場(動態(tài)磁場)可以與納米顆粒和藥物等聯(lián)合,對腫瘤轉移進行干擾。Benyettou等人合成一種載藥磁性納米顆粒(DCZ-NPs),用DCZ-NPs聯(lián)合3.35 T 464 kHz的交變磁場對乳腺癌MCF-7細胞進行處理,發(fā)現(xiàn)可以升高細胞溫度并觸發(fā)細胞內(nèi)DOXO的釋放,對MCF-7細胞產(chǎn)生毒性并抑制其黏附和侵襲[46]。此外,Stefan等人研究了一種將磁流體熱療用于臨床應用的新型治療系統(tǒng),優(yōu)化后的磁性納米顆粒可用于靶向膠質(zhì)母細胞瘤和前列腺癌的治療[47]。早在2003年就有學者利用磁性脂質(zhì)體作為加熱介質(zhì),外加交變磁場產(chǎn)生熱療,研究其對日本雌性大白兔VX7舌癌頸淋巴結轉移的影響[48]。Hergt和Dutz分析了與磁性顆粒熱療相關損耗過程的特定損耗功率,并總結了在腫瘤內(nèi)部熱療所需最小磁性顆粒濃度,為磁性顆粒的熱療應用提供了一定的理論支持[49]。研究者開發(fā)了一種利用磁場和磁性材料治療轉移性骨腫瘤的熱療,并在人體上進行了實驗[50]。
綜上所述,穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)磁場與納米粒子的聯(lián)合作用都能對腫瘤產(chǎn)生一定的抑制效果。雖然由于篇幅的原因和研究數(shù)量的龐大,我們并沒有對非穩(wěn)態(tài)磁場和納米粒子進行詳盡的介紹,但是目前的研究結果顯示非穩(wěn)態(tài)磁場聯(lián)合磁性納米顆粒的研究相比穩(wěn)態(tài)磁場而言更多,并且應用更為廣泛。事實上,將穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)磁場結合起來聯(lián)合納米粒子會是一個更有前景的領域。
眾所周知,基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)的主要生理功能是降解細胞外基質(zhì)成分,在人體多種生理病理過程發(fā)揮重要作用,其中MMP-9是Ⅳ型膠原酶,在腫瘤轉移過程中起著關鍵作用。Caliskan等人發(fā)現(xiàn)脈沖電磁場處理7 d顯著降低了低劑量IL-1β刺激的人軟骨肉瘤細胞中的MMP-9蛋白水平[51]。最近的一項研究對人正常乳腺MCF10A細胞、人乳腺導管瘤BT474細胞以及人乳腺癌MDA-MB-231細胞進行100 mT 1 Hz的極低頻電磁場處理,降低了細胞的NM23和MMP-9轉錄水平以及抑制了細胞遷移能力[52]。然而,Zhang等人一項研究中使用了5 mT 200 Hz的脈沖電磁場對4種人骨肉瘤細胞系和2種小鼠骨肉瘤細胞系處理,檢測了其MMP-2/9表達水平,結果發(fā)現(xiàn)脈沖電磁場處理對腫瘤細胞侵襲和轉移相關的一些分子的表達并沒有影響[53];但也有研究表明,使用1 mT 50 Hz的脈沖電磁場處理24 h增加了人髓系白血病單核細胞THP-1的MMP-2/9的表達,并且提高了MMP-9的活性[54]。由此可見,同樣使用脈沖電磁場處理但導致的結果不同,這可能與細胞類型、脈沖電磁場的參數(shù)以及處理方式等的不同均有關系。
除MMP之外,也有研究顯示50 Hz工頻磁場可以影響與腫瘤轉移相關的細胞黏附分子CAMs及其受體以及E-鈣黏蛋白等[55-56]。除了腫瘤細胞本身,Strelczyk等人發(fā)現(xiàn)586 mT穩(wěn)態(tài)磁場處理3 h可以有效減少功能性血管的密度、直徑以及紅細胞流速,進而抑制腫瘤血管生成和生長[57]。
人體本身是一個電磁體,因此會被一定頻率和強度的磁場所影響。近些年來有多項研究表明穩(wěn)態(tài)和低頻磁場在腫瘤治療方面有著潛在的應用前景。本文主要討論了磁場與腫瘤轉移相關研究進展,其中涉及不同磁場處理條件以及不同腫瘤細胞類型,其結果不盡相同。但是,從現(xiàn)有數(shù)據(jù)看來,一定參數(shù)的磁場或者磁場與其他方式的聯(lián)合處理可能會對腫瘤細胞的遷移、侵襲和腫瘤的體內(nèi)轉移等有一定的抑制作用,揭示了磁場在癌癥輔助治療方面的潛力。然而,目前對于磁場與腫瘤轉移相關的研究還遠遠不夠,因此我們需要對磁場參數(shù)、處理方式和腫瘤類型等進行一系列系統(tǒng)深入地研究,并探究其背后的生物學和物理學機制,才有可能更好更快地將磁場應用于未來的醫(yī)學領域,為腫瘤治療提供新的思路和方法。
致謝:感謝王舒童為本文供圖。