超顺磁氧化铁纳米粒磁共振成像在药物传递系统中的进展

SPIONs的合成 SPIONs具有很好 的生物相容性并 且易合成 ，是 目前研 究最为广泛的磁纳米粒 。对 于该 磁纳米粒的合成研究 ，已形成 了诸 多方 法 ， 本 文 主要 从 以下 几个 方 面 进 行 介 绍 ： 1．1 共沉 淀 法 目前 ，共沉淀法是合成 SPIONs最为重要 和常用的方法 ， 几 乎 所 有 已 上 市 或 处 于 临 床 研 究 阶 段 的 氧 化 铁 对 比剂 都 由 此 种 方 法 合 成 。其 基 本 原 理 是 在 封 闭 无 氧 条 件 下 ．加 入 表 被 材 料 ，按 照 Fe“与 Fe 的 摩 尔 比 1：2在 碱 性 溶 液 中进 行 反 应 。 通 过恒 温剧烈搅 拌 ，从而得 到黑 色的纳米粒子胶体溶液 。其 基 本 化 学 反 应 为 ： Fe“+2Fe++80H =Fe304+4H20 通 常 ，作 为共沉淀用 的表被材 料可 以在合 成纳米粒 的 反 应 过 程 中或 反 应 后 加 入 ，常 用 的 表 被 材 料 有 生 物 聚 合 物 和合成聚合物两类 ：生 物聚合物有 葡聚糖 、壳 聚糖 、藻酸盐 、 阿拉伯 半 乳 聚糖 、蛋 白质类 等 ：合 成 聚合 物有 聚 乙二 醇 (PEG)、聚 乙 烯 醇 (PVA)、聚 丙 烯 酸 (PAA)、聚 异 丁 烯 酸 (PMAA)、聚 维 酮 (PVP) 等 。 已 上 市 对 比 剂 Resovist0和 Fefidex 1V0的 外 表 面包 被 的 均 是 葡 聚糖 。Shen等 f6l利 用 此 方 法 在 反 应 过 程 中 加 入 葡 聚 糖 ．通 过 优 化 工 艺 制 得 了粒 径 在 20nm 的磁氧化铁纳米 粒 ，且具 有较好 的超顺磁 性。由于 共沉 淀反应 受 pH、铁盐浓度 、Fe*／Fe 比率 、反应 温度 、溶液 离子强 度等诸多 因素的影 响 ．所 以对 制得 的磁 纳米粒子 的 形态 、粒 径及分 散度影 响也较 显著 。Jarrett等_7_用共 沉淀法 以葡聚糖 为材 料制 备 了可进行 磁共 振 (MR)成像 的 氧化铁 纳 米 粒 ，并 对 其 粒 径 进 行 控 制 ，通 过 优 化 pH、葡 聚 糖 量 、铁 盐 比例 和 反 应 时 间 等 ，制 得 的粒 子 粒 径 控 制 在 30nm 左 右 ， MR特 性 较 好 (纵 向 弛 豫 系数 R1=14．46mM S～、横 向 弛 豫 系 数 R=72．55mM S )。结 晶 产 量 可 达 50％ 。尽 管 此 方 法 涉 及 到 诸 多 反 应 参 数 ，但 它 操 作 简 单 ．仍 然 是 大 批 量 合 成 SPI— ONs的 常 用 方 法 1．2 微 乳化 法 由于共沉淀法的反应温度受水沸点 的影 响 ，所 以要在一 定 条件下控 制 SPIONs的合成 粒径和 分散度也受 到了 限制 。 研 究者 在此 基础上进行改进 ，建立了一种粒径等更加可控的 微乳化法【8】。在这种方法 中，铁 的反应 中间体能够在 W／O乳 剂 的水相 中以氧化铁粒子的形式沉淀 ，而反应中间体在油相中不 反应 ，所 以氧化铁粒 子不会在 油相 中沉 淀析 出，通过控 制 乳 剂 中水 滴 的 粒 径 ，从 而 达 到 控 制 SPIONs粒 径 和 分 散 度 的 目 的[91。Vidal等 【Ol以有 机碱 油胺 为材 料 ，通 过 二价 和三 价 铁 盐 的沉 淀 反 应 ，使 生 成 的粒 子 进 入 W／0 型 微 乳 中 ，从 而 使 油 胺 包裹 在 磁 纳 米 粒 子 的 表 面 ，制 得 的粒 子 粒 径 在 9．6lm 左 右 ，且分散度较小 、具有较高 的饱和磁化强度 。然 而 ，微乳化 法 的缺 点 是 要 去 除 在 反 应 中起 乳 化 作 用 的 表 面 活 性 剂 较 为 困难 ：与 共沉 淀法 相 比 ，磁 纳 米 粒 的产 量 也较 低 ，所 以应 用 于 大 批 量 合 成 会 受 到 限 制 。 1．3 热 液合 成法 热 液合 成法 是另 一种 合成 高结 晶度 SPIONs的方法 。 Wang等【“】在 160 和 180℃的高 温溶 液中分别 合成 了粒径在 9．1nm 和 11．5rim 左 右 的 Fe304和 CoFe204粒 子 ，通 过浸 渍 涂 层 技 术 可将 这些 粒 子 溶 液滴 加 到 不 同表 被 材料 中获 得 功 能化 的磁纳米粒。此合成过程需要 在高温和高压的密闭容器 内进 行 的 ．这 种 条件 能 够 大 大 改善 纳 米 晶体 的 性质 和增 强 其 磁特 性 ：然而 ，与微乳化法相 比，它在控制最终纳米 晶体产物形状 和粒 径 上 的效 果 较差 ．而且 所 得产 物 分 散 度通 常 也 较大 。 1．4 热分解 法 近 l0年 ，热 分解 法 作 为 一 种在 高沸 点 非 极 性 溶 剂 中合成 胶 质纳 米粒 的方法 已取 得 了 明显 的进展 旧。这 个 过程 是 在 表 面 活性剂存在的条件下，有机金属通过高温分解而完成 的。由于 空 气 敏 感性 中 间体 的存 在 ，所 以此 过 程 需要 在 真 空 条 件 下进 行 。Rockenberger等 l131以辛 胺 为 表 面 活性 剂 ，将 金 属 原 液 迅速 注入 300℃的 非极 性 溶 剂 中 ，接 着 于 225℃ 回流 ，成功 制 得 了粒 径 均一 的 一Fe，0 纳 米 粒 子 。粒 径 可 达 6．7nm，分 散度 低 于 10％。该方法的优点是合成 时的高温及存在于非极性溶 剂中 的 表 面 活 性 剂 能 够 产 生 结 晶 度 和 分 散 度 可 控 的 高 质 量 纳 米 粒 ，且此方法可以用来合成大批量 的产物 ：同时 ，它也是 目前 唯一一种可运用 两种或以上材料制备高质量无机混合纳米晶 体 粒 子 的方 法 ．此 方 法也 正 在 进一 步 研 究 和完 善 之 中 。 1．5 其 他 除了上述常用 的物理化学合成方法外 ，运 用生物技术合 成 SPIONs的方法也 已研究了多年 。如 Coker等 用可还原 Fe 的硫 还 原 泥 土 杆 菌 ，研 究 制 备 了 SPIONs。Prozorov等l151也 研 究模 拟 纳 米粒 子在 桥 性 细 菌 中的 形 成 条 件 ，用 重 组 Mms6 蛋白合 成了这种 SPIONs。然而 ，这些生物合成方法难以达到 控制粒子的形状 和大小 的目的 ．不适宜大批量合成。

2 $PIONs的表面修饰 由 于 SPIONs具有 超 顺 磁性 ，纳 米 粒 子 的 高表 面 能 极 易导 致其发生聚集 ．所 以对 SPIONs进行表面修饰能够起到稳定化 的作用 。此外 ，为提高 SPIONs的体 内稳定性 ，避免被网状 内皮 系统 的吸收 ，延长其体 内的半 衰期并依据需要对其表面进行 功能化修饰 ，将是 SPIONs进行诊断和载药研究的重点 内容。 2．1 聚合 物修 饰 对 SPIONs的 表 面进 行 包 被 聚合 物处 理 后 ，能 够很 好地 抑制纳米粒子的聚集及避免抗体和补体的调理作用 。此外 ， 聚合物 的部 分性质如化 学结构 、化合物 构象 、分子量 大小及其 长 度 等也 都 可 能 对 SPIONs的 总 体性 质 产 生 影 响 。日lj寸，已 有许多天然 或合 成的聚合 物材料用于包被磁氧化铁纳米粒 ， 其 中 最 常 用 的 为 葡 聚 糖 。Weiss|eder等 已 经 研 究 制 备 _r多 种 葡 聚 糖 包 被 磁 纳 米 粒 的 制 剂 ， 如 单 品 氧 化 铁 纳 米 粒 (MION)和 交 联 氧 化 铁 纳 米 粒 (CLIO)[171，并 且 这 些 制 剂 已 JL}j 于 MR成像 的多项研 究评价 。Mahmoudi等 118]以聚乙烯醇 (PVA)为材料制备了 SPIONs，通过优化实验设计 ，制得的纳米 粒 子粒 径 、纯 度 、形 状 和 磁 响应 性 都 较 好 。聚 乙二 醇 (PEG)也 是另一种常用 的聚合物表被材料，通过它与 SPIONs的连接 ， 可以降低纳米粒子被 巨噬细胞的吞噬 l和延长其体 内【fL液循 环 时 间[201等 。Sun等 1用 PEG包 被 氧化 铁 粒 子 ，任其 表 面 连接 氯毒素制备了一种具有脑肿瘤靶 向性的 SPIONS探针。通过透 射 电镜 (TEM)观 察发 现 它 能 够 较 好 的靶 向 内化 进 人 神 经 胶 质 瘤 9L细胞 ．组 织 学 表 明这 种 SPIONs探 针 没 有 明 屁的 毒 性作 用 ：与非靶 向 SP1ONs探针相 比，MR成像信 号增加 了 24倍 在纳米粒子合成过程中 ，对其表 面聚合物或共 聚物进行 一 步 反 应 直 接修 饰来 包 被 纳 米 粒 的 方 法 ，近年 来 也 越 来 越 受 到 研 究 者 的关 注 ．这 个 过 程 通 常 被 称 为 一 步 合 成 法 与分 步 表 面 修 饰 合 成 法 相 比 ，它 具 有 降低 聚结 和 简 化 处 理 过 程 的 优 点 1。此 外 ，在纳 米 粒 表 面 引 入 如 氨 基 、醛 基 或 羧 基 等 术端 基 团 能 够 进 ～ 步 促进 它与 功 能 性 配 体 的 连 接 。Toma等 Iz4用 岛 碘 蛋 白氧 化 SPIONs表 面 的 葡 聚 糖 产 生 醛 基 ，利 用 单 克 隆 抗 体 A7的氨基与其相连形成席夫共 价键 ，将抗体连接到 SPI— ONs上 。体 内 研 究 表 明 ，与 普 通 非靶 向 lgG—SPIONs相 比 ，A7一 SPIONs在 肿瘤 部 位 的积 聚 量 明 显 升 高 。 2．2 脂质 体 、聚合 物囊 泡和胶 束等 修饰 作 为 药 物 载 体 的 脂 质 体 ，它 的粒 径 范 围可 从 几 十纳 米 到 几 微 米 不 等 ，常 用 来 包 封 小 分 子 化 合 物 、蛋 白质 类 、核 酸 类 、 MR对 比剂 等圈。脂 质体 用来 包 封 修 饰 SPIONs，主 要 是 由 于脂 质体的体内过程研究 较为成熟 ，如 PEG化可延 }∈血液循环时 间 、连接抗体增加脂质体靶 向性等 ；同时 ，它可 以包封 大量的 磁 纳 米 粒并 集 中传 递 到靶 向部 位 ，避 免 稀释 ，从 而提 高 磁 共振 成像(MRI)信号强度。此外 ，向载 SPIONs的脂质体中再加入治 疗性药物 ，又可以增加其治疗疾病的功能。 Yang等 复乳法 制备 了一 种包封 MR成像 对 比剂 SPIONs 和 抗肿 瘤药 多柔 比星的 多功能 聚合 物囊 泡 (Polymervesicles)。 囊 泡 外 表 面 的长 链 PEG末 端 连 有 叶 酸 基 团 ，它 能 够 提 高 肿 瘤 靶 向能 力 ：而 囊 泡 内表 面 的 短 链 PEG 末 端 连 有 丙 烯 酸 酯 基 团 ，它 能够 通 过 自由 基 聚 合交 联 来 提 高 其体 内稳 定性 。 体 外细胞吸收实验表明 ，偶联 叶酸的聚合物囊 泡与无叶酸囊 泡 相 比 ，具有较 高的细胞毒 性 ：通过 内在 PEG 的聚合交联 ，载 SPIONs／多柔 比星 的聚合物囊 泡与 已 上市 T：对 比剂 Feridex IV。相 比，具有更高 的 r弛豫值 ，这主要是由于该 聚合物囊 泡 对 SPIONs具有较高的载人 量 ，且对 其产生了成簇 效应 的影 响 。以两 亲 性 嵌 段 共 聚 物 为 材料 制备 的多 功 能 胶 束 用来 包封 SPIONs近年来也有报道 。NasongklaI1等成功 的将多柔 比星和 SPIONs载 人 了胶 束 的 内芯 ，胶 束 表 面 连 接 的 环 形 精 氨 酸一甘 氨酸一天冬氨 酸短肽(cRGD)~够引起载药胶束靶 向传递到 (v)B(3)结合 素过 表达的肿瘤细胞上 ，体外研究 表明这种 多功 能 的聚合物胶 束具 有超 敏 MR成像能力 ，对靶 向肿 瘤细胞毒性 也 较 强 2．3 无机 物修 饰 除了上述有机物修饰外 ，使用生物相容性的二氧化硅或金 等无 机 材 料修 饰 磁 氧 化铁 核 形 成 一 种核 一壳 结 构 的 SPIONs近 年来 也受 到研 究者 的关 注 。这些 惰性 材 料不 仅能 防止 磁 氧化 铁 核的化学降解 ．还可以阻止潜在的毒性化合物的释放。基于二氧 化硅合成容易和物化性质稳定的特性 ，Huang~等以其为表被材 料运用传统 的微乳化法制备了载抗癫痫药 乙琥胺的 SPIONs．通 过对给药剂量 、服用顺从性等的改进 ，制得 的载药 SPIONs比传 统的给药方法更有效便捷。Lim等四以乙酰丙酮铁 、油酸 、油胺 、 含 水 联 氨 、三辛 胺 、乙 酸金 等为 原 料 ，合 成 了外 表 面 包被 金 的 磁 氧 化铁 纳米 粒 ，并成 功对 其 表面修 饰 蛋 白后进 行 了靶 向 和成像 性 的研 究 。Gao等 9备 了一 种 以 FePt为 核 、FeO 为壳 的磁 纳 米 粒 ，体 外 肿瘤 细胞 抑 制实 验 表 明，以 Pt浓 度计 ，其 IC 很 低 ，仅 (238~9)ng·mL-：与 已上市 MRI对 比剂 MION 和 Sinerem 相 比 ， 这种 磁 纳米 粒 的 MR成像对 比信号 更 强 ，它将 很 可能 成为 一种 潜 在 的 MR对 比剂和抗 肿 瘤药 物 。 3 SPIONs在药物传递 中的应 用 SPIONs已经 在 传递 化 疗类 药 物 、蛋 白质 类 药 物 、基 冈类 药 物等 方 面得 到 了广 泛应 用 。其 主要 原理 是将 药物 连接 到 SPIONs 的表面 、载人 内部或与 SPIONs一起包封进入脂质体 的囊泡 中， 从而形成一个完整的药物传递系统 ；该系统兼具磁性 、MR成像 性和治疗性 。这种具 SPIONs的药物传递系统不仅具备了 SPI— ONs的 MR成像性 ，可以用来监测药物的传递 ：还能够借助外加 磁场作用到达靶向部位 ，从而使药物定点释放 ，以达到提高靶部 位 的药 物浓度 和减 少药 物毒 副作 用 的 目的。 3．1 化 疗类 药物 的传 递 SPIONs适用 于作为多种化疗类药物的传递载体 ．如传统 药物多柔 比星 、甲氨蝶呤和依托泊苷等。Guo等131运用改进 的 热 液合 成 法 制 备 一 种 中空 的 SPIONs．通 过 将 多 柔 比星 载 入 其 内 部 ，可 以得 到高 载药 量 的 SPIONs；体 外 释药 研 究 表 明 ，SPI— ONs的释 药 速 度 适合 药物 传 递 应 用 ，并 且 载 入 的大 部 分 多 柔 比星 能够 在 12h内释 放 完 毕 。Yang等[321以聚 乙一2一氰 基 丙 烯 酸酯 (PECA)为包 被材 料 制 得 了 一 种磁 纳 米 粒 ，并 载 入 了顺 铂 和吉西他滨这两种抗肿瘤药物 内。由于两者的亲水性不同 ，表 现 出 疏 水 性 药 物 顺 铂 的 载 药 量 明 显 大 于 亲 水 性 药 物 吉 两 他 滨 。在外加磁场作用下 ，体外释药和磁流动性实验表明 ，PECA 载药磁纳米粒能够成为一种高磁性的药物载体 ．并具有持续的 药物释放性能和足够的磁响应性。Kohler等p匝过 PEG 自组装 单分子膜将 甲氨蝶呤 (MTX)固定在磁 纳米粒 的表面 ，得到 PEG化 的 甲氨 蝶 呤 磁 纳米 粒 (NP—PEG—MTX)。体 外 细 胞 吸 收 实验 表 明 ．这种 NP-PEG—MTX在 9L神 经胶 质瘤 细 胞 中的 吸 收量 明显 比对照纳米粒组大 ；同时 ，将这种神经胶 质瘤细胞 与 不 同 浓 度 的 NP—PEG—MTX 共 同 培 养 ，MR 成 像 表 明 其 对 比 信号 明显增强 ．且细 胞毒性也 较游 离 甲氨蝶 呤溶液组 大 ：透 射 电镜 (TEM)结 果证 实 NP—PEG—MTX能够 内化 进入 胶 质 瘤细 胞 ，并且 电子衍射 研究也 表明其 内化后仍 能保持它 的 单 晶结 构持续 高达 144h，这个延 长的细胞 滞 留时间为临床 肿瘤 的成像诊断提 供了一个很好 的工作基础 。3．2 蛋 白质类 药物 的传 递 单 独 的 SPIONs作 为 MRI探针 在 细胞 跟踪 、基 因表 达 、癌 症 诊 断 的 研 究 已较 为 深 入 ，由 于 靶 向性 较 差 的 原 因 ．要 想 SPI— ONs在 体 内进 一 步 研 究 应 用 于 MRI诊 断 也 将 受 到 限 制 。 为 此 ．以 SPIONs为 载 体 系 统 ，基 于 其 表 面 聚 合 物 的 性 质 ．可 将 特 异 性 的蛋 白质 和 多 肽 类 靶 向药 物 连 接 于其 上 ，从 而 达 到 靶 向传 递 的作 用 。Hub等 将 磁 纳米 粒 与癌 症 靶 向抗 体 曲妥 珠 单抗 (赫赛汀 )相连接 ，体内 MR成像表明荷 载抗体 的 SPIONs 能 够 选 择 性 地 到 达 小 鼠人 移 植 瘤 部 位 ；进 一 步 将 磁 纳 米 粒 与 用 荧 光 染 料 标 记 的抗 体 连 接 ，实 验 表 明 ，与 体 内 MRI一 样 ，体 外 和 体 内 的癌 症 光学 检 测 也 能 够 实 现 ，可 见 它 将 适 用 于 一 种 多 功 能 的诊 断 检 测 系 统 。Ito等 阁将 赫 赛 汀 与载 磁 纳米 粒 的脂 质体连接 ．制得的免疫脂质体进行体外细胞实验 ，结果表明其 对 乳 腺 癌 细胞 SKBr3有 明 显 的 抗 增 殖 效 果 ．且 在 4h后 有 高 达 60％的磁 纳米 粒 进 入 SKBr3细 胞 ，明显 比普 通 的载 磁 纳 米 粒脂质体大 氯毒素是一种 由 36个 氨基酸组成的多肽 ，它能 够明显的降低神经胶质瘤细胞转移和入侵胎脑p句，且能够特异 性的连接到神经胶质瘤或神经外胚瘤的表面 ；所 以 ，基 于氯 毒素这种性 质 ，研 究者采用 不同 的方 法将氯毒 素连接 到了 SPIONs的 表 面 ，并 成 功 实 现 了 SPIONs对 神 经 胶 质 瘤 细 胞 的 靶 向性 ，MR成 像 对 比信 号 均 明 显 增 强 93。 3．3 基 因类药 物 的传 递 基 因 药 物 又称 核 酸 药 物 ，泛 指 化 学本 质 为 核 酸 、具 有 基 活 性 的各 类产 品。然 而 ，由于 基 因药 物 l存体 内半 衰 期 较短 、缺 乏 特异性 、跨膜扩散难等缺点 ，导致基因药物 的体 内传递和转染 效 率 受到 了限 制 。为 解 决这 些 方 面 存 在 的 问题 ，Mah等l删l首 次 将 磁 纳 米粒 作 为 基 因 载体 ，将 病 毒基 冈连 接 于 其上 ，体 内外 研 究 表 明 ，在 外加 磁 场 作 用 下 ，含 有 基 凶 的磁 纳 米 粒 能 够 特异 性 地到达靶部位 。且基因的细胞转染效率明最提升 。Scherer等… 将 这 种 以 磁 纳 米 粒 为 载 体 进 行磁 介 导的基 因转染 称 为 “磁 转 染”。Pan等旧用聚乙二胺树状大分子修饰磁纳米粒 ，并与反 义 生存 素寡核苷 酸(asODN)混合 ，形成 asODN磁 纳米 粒复合物 ， 将其 与 人 常 见肿 瘤 细胞 孵 育 ．结果 发 现 其在 15rain内 可进 入 细胞 ，且能够 明显引起生存素基 因和蛋 白质表达下降 ，表现 出 了较 高 的 细胞 转 染 和抑 制 能 力 。近年 来 ，也 有用 磁 纳 米 粒作 为 siRNA 的传 递 载体 进 行 基 因治 疗 的报 道 。Medarova等l4引利用 对 增 强 型 绿 色 荧 光 蛋 白 (EGFP)基 因 靶 向 的 siRNA 的 巯 基 将 其 连接 到 SPIONs的表 面 ，体 外 研 究 表 明 ，它 能 够 被 胰 岛 细 胞 吸 收 ，且对 胰 岛细 胞 的 基 因表 达 具 有 较 好 的沉 默 效 率 并 成 功 的 运用 于 MRI和 近 红外 光 学 图像 ，对 吸 收 过程 实 现 了检 测 。

展 望磁 靶向给药系统 已具有 多年 的研 究历史 ，与传 统制剂 相 比 ，它具 有提高药 物靶 向性 、增 强药物疗效及 降低毒 副作 ．}=H的特点 ；然而 ，由于磁性 粒子 的体 内易聚集及 磁场作用 强 度和 时间等 的不可控性 ，目前仍处于研究阶段 由于 SPIONs具 有 较 好 的 超 顺 磁 性 ，通 常将 SPIONs作 为 MR成像对 比剂应用 于临床诊断 。然而 ，与普通磁性材料相 比． SPIONs具有较好 的生物兼容性及可 降解性 ，近年来 ．将 SPI一ONs作 为 药物 传 递 载体 的研 究 也 越 来 越 受 到人 们 的关 注 。 由 于 SPIONs的传统合成方法存在诸多局限性 ，因此对合成方法 进 行 改进 或 创 新 ，以便 制 得 粒 径 、形 态 、稳 定 性 及 磁 响 应 性 等 更好 的 SPIONs成为 目前合成研究 的重点 ；同时在此基础上对 SPIONs表面进行聚合物等 的适当修饰和功能化 ，以增强 SPI— ONs载药靶向性 、生物兼容性和降低其毒副作用等 ，也成为 了 目前载药研究 的难点。相信，随着纳米技术 、材料科学、分子细 胞 生 物 学 和 小 动 物 成 像 技 术 等 的 发展 与融 合 ，SPIONs在 生 物 医药 领 域 的研 究 和 应用 也 将 展现 出更 大 的潜 能 。