超顺磁性氧化铁（SPIO）是一种新型的生物医学纳米材料，具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应，而较好的生物相容性及超顺磁性使其广泛用于疾病的靶向治疗。相比于其他纳米药物载体，超顺磁性氧化铁纳米颗粒（SPIONs）因其内在属性如固有磁性、良好的安全性及制备和表面修饰方法的可用性等在纳米药物领域中显示出巨大潜力，为其多样的生物医学应用铺平了道路。但研究人员对其不可预知的毒性、改变细胞信号转导和基因表达等方面仍有顾虑。对SPIONs在药物靶向递送中的研究进展作一综述。
版权归中华医学会所有。
未经授权，不得转载、摘编本刊文章，不得使用本刊的版式设计。
除非特别声明，本刊刊出的所有文章不代表中华医学会和本刊编委会的观点。
纳米科技是在20世纪70年代逐步发展起来的前沿、交叉性新兴科技领域。磁性材料是一种用途非常广泛的功能材料，随着纳米技术的不断发展，磁性纳米颗粒这一新型磁性材料已展现出良好的应用前景。近年来，磁性纳米颗粒已被较多地用于生物医学及生物科技研究中，包括靶向给药、肿瘤磁过热疗法、生物传感器、核磁共振成像对比增强、环境生物学的快速分离及特异靶点（如细菌、白细胞、蛋白质）的浓度示踪等[1]。超顺磁性氧化铁纳米颗粒（superparamagnetic iron oxide nanoparticles, SPIONs）是一种比较特殊的纳米材料，因其具有超顺磁性和较好的生物相容性等特点而受到广泛关注。随着纳米技术的发展，SPIONs与生物医学的联系越来越紧密，并在诸多方面显示出广阔的应用前景，如生物标记、药物载体等；同时，SPIONs在治疗和诊断某些疾病方面也受到了相关研究者的重视。本文将着重阐述SPIONs的特点，描述其在靶向药物治疗中的新发现，并分析讨论其发展前景及面临的挑战。
SPIONs是一种特殊的纳米材料，直径介于1~100 nm[2]（直径过大会在机体内部造成栓塞或被网状内皮系统非特异性吞噬），由磁铁矿（Fe3O4）和（或）磁赤铁矿（γ-Fe2O3）组成。过渡金属（铜、钴、镍和锰）与氧化铁混合形成的纳米颗粒也具有超顺磁性，故也属于SPIONs家族的一员。超顺磁性是指体相磁性材料具有多畴结构，随着材料的尺寸减小至一定程度后，如纳米级，可称为磁性纳米材料，并具有单畴结构；当材料的尺寸小于临界尺寸（一般为20 nm）时，磁性纳米材料的磁自旋将无序排列，呈现超顺磁性，表现为其在交变磁场作用下，会被迅速磁化，并可随着磁场发生定向移动，而磁场一旦撤去后，其磁化强度又降为零，即在无外加磁场下，其并不表现出磁性。这使磁性纳米材料具有良好的可操作性，而其较弱的磁相互作用也使其可在适当修饰后获得良好的分散性。此外，在结合了某些药物后，可通过外加磁场使其到达靶向位置，起到靶向治疗的效果[3]。
SPIONs的制备方法一般分为物理法、生物法和化学法。物理法包括气相沉积、电子束光刻、脉冲激光烧灼、激光诱导热解和高能机械球磨法等。此外，SPIONs还可通过真菌、细菌或蛋白质（铁蛋白、趋磁细菌AMB-1生物矿化相关蛋白Mms6等）的生物活性来制备[4]。化学法制备的SPIONs均一性和分散性较好，其包括标准的氯化铁共沉淀、热分解、微乳液、水热合成和声化学法。其中，最常用的为共沉淀法，即在惰性气氛保护下，溶液中的Fe2+与Fe3+按一定的摩尔比存在（通常比例为1∶1或2∶3），加入适当的沉淀剂，一般为氨水或氢氧化钠，然后确定好pH值和温度，不断搅拌，离心获得沉淀物，因获得的颗粒表面通常会吸附大量的OH-，故需进行洗涤、烘干等处理，从而获得最终的纳米颗粒。该法简便，设备廉价，可重复性好，但很难获得高质量的单分散胶体，且需严格控制实验条件，如溶液pH值、浓度、温度等，才能获得分散性、尺寸均匀性相对良好的颗粒[5]。
裸露的SPIONs为球形晶体，能在强酸、强碱溶液中稳定存在，但在中性pH溶液中并不稳定，极易在液态环境中聚合，从而极大限制了其应用。因此，裸露的SPIONs必须经过表面修饰才能用于体内研究。经过表面修饰的SPIONs为壳核结构状颗粒，具有以下特征：稳定性良好，可防止纳米颗粒的聚合和氧化磁芯；可提供反应性表面，以容纳药物分子或靶向配体；可通过限制非特异性相互作用来提高生物相容性；可保护纳米颗粒不被网状内皮系统吸收和消除，从而延长其在血液循环中的时间，提高作用效率。
SPIONs具有一般磁性纳米材料所具有的小尺寸效应，即因纳米颗粒尺寸变小而引起的宏观物理性质变化。对于SPIONs而言，尺寸变小，则其比表面积显著增加，磁性、光吸收、热阻、化学活性等均发生变化，从而使其拥有新的特性。SPOINs的第2个特性是表面效应，即纳米颗粒的表面原子数与总原子数之比随颗粒直径减小而急剧增大，颗粒的表面能及表面张力也随之增大，从而引起的一系列变化。SPIONs的第3个特性是超顺磁性，由于SPIONs较弱的磁相互作用，其经修饰后，可获得良好的分散性，且在无外加磁场下并不表现出磁性，故对生物体伤害较小。此外，SPIONs还具有良好的生物相容性，现有的研究结果显示，与其他纳米材料相比，SPIONs的毒性相对较小，排异现象较少，这为其在药物靶向治疗中的应用奠定了基础。
SPIONs是通过结合抗癌药物、基因、多肽、放射性核素、抗炎药等来实现靶向传递的一种纳米级系统，具有广泛的应用前景。此外，SPIONs还可应用于肿瘤磁靶向热疗，即定位于肿瘤组织中的磁性介质在外部交变磁场中吸收热量，从而使温度升高，待达到特定温度后，即可杀死周围肿瘤细胞，而其拥有的靶向效应可减少其对正常组织的损伤。
药物传递系统的作用是将药物靶向运输至人体的特定部位并使药物达到有效浓度，从而尽量避免这些药物与血液、细胞、蛋白质的相互作用。此外，SPIONs还能经密封材料的修饰达到通过时间或刺激来进行药物的可控性释放。一般来说，绝大部分SPIONs介导的药物靶向递送是用来治疗癌症的。恶性肿瘤的治疗一直是临床治疗的一大难题，由于癌周内皮细胞、细胞外基质及靶向细胞细胞膜的阻隔，导致一般药物很难进入肿瘤组织，从而达不到理想的药物浓度。而SPIONs介导的选择性靶向载药系统可提高抗肿瘤效率，并能减少药物的使用剂量，从而降低其对正常组织的损伤。基于实体瘤的高通透性和滞留效应，靶向药物传递系统可在固态肿瘤内获得更高的药物浓度。另外，功能化的肿瘤靶向纳米颗粒可通过受体介导的内在化作用进一步提高肿瘤内的药物浓度及改变药物在肿瘤细胞内的生物学分布。
大量的纳米级材料均可运用到载药系统中，包括微胶粒、脂质体、聚合物囊泡、纳米颗粒和树状大分子或聚合物。自从发现SPIONs可被定位后，其被认为是一种很有效的纳米载体。SPIONs-药物复合体经注射后进入血液循环，可通过在肿瘤区域施加外加磁场来使其在靶向区域积聚；同时还可通过MRI显像来证实药物是否到达目标位置。在外界磁场的作用下，负载药物的SPIONs可迅速到达靶向位置或病变区域，并通过扩散、溶解、内吞作用、溶酶体裂解等方式释放药物。还有些药物传递系统通过pH值、温度、渗透压和酶活性变化来智能地控制药物释放速度和释放量。其主要原理为：药物一般是通过共价键或离子键结合到磁性纳米颗粒表面，要想把药物释放至靶向位置，连接磁性纳米颗粒和药物之间的键必须断裂，而这些共价键或离子键的断裂可通过外部刺激方式如pH值、温度、酶活性和渗透压的变化来触发。
根据结构不同，用于载药的SPIONs可大致分为2类：一类是以SPIONs为核心的纳米微囊，另一类是可使SPIONs沉淀于气孔内的具有生物相容性的多孔多聚物。有些药物分子结合于纳米颗粒表面，有些包含于磁性脂质体或微球中。因此，SPIONs载药系统有纳米颗粒、纳米微囊、脂质体和聚合物微球等形式。而这些磁性载药系统的效率除了与其制备和修饰有关外，一些物理参数亦对其有影响，如磁场强度和梯度、SPIONs的体积和磁特性。一般通过在体外的靶向位置固定一个永久磁铁来建立磁场梯度，而一些研究者已开始尝试在体内病灶区植入磁铁来提高药物传递的效率[6]。
目前，已有许多关于以SPIONs为基础的药物传递系统的文献报道。Widder等[7]设计了首个磁性敏感的纳米微球，并首次将其用于给药体系，他们将阿霉素封装于白蛋白功能化的纳米颗粒中。之后Lübbe等[8]将SPIONs注射至14位癌症患者的肿瘤附近，MRI成像、药代动力学研究和组织学检查结果显示，50%患者体内的SPIONs可直接到达病灶处。纳米微囊已被证实是提高磁性纳米颗粒功能的有效工具，不仅可保护封装的药物不因pH值和光的变化而降解，还可通过外部因素，如温度、光辐射和pH值的变化来控制药物释放和最小化药物对组织的刺激[9]。Kong等[10]制备了将磁性Fe3O4纳米颗粒嵌入中空SiO2的载药纳米微囊，同时将喜树碱封装于纳米微囊内，用于MT2小鼠乳腺癌细胞和B16小鼠黑色素瘤细胞的体外实验，并通过远程高频磁场升高纳米微囊内部的温度来实现喜树碱的可控释放。结果证明纳米微囊可有效抑制肿瘤细胞的生长。
在SPIONs用于体内试验前，其生物相容性是必须要确定的一个重要因素。一般来说，SPIONs对人体是低毒性的。由于氧化铁纳米颗粒具有较高的安全系数，葡聚糖包覆的SPIONs产品Feridex/Endorem和Combidex/Sinerem已被批准用作MRI的对比显像剂。相比于其他金属氧化物的纳米颗粒，氧化铁纳米颗粒表现出了更好的药物安全性，其在质量浓度小于100 μg/ml时无细胞毒性[11]。一组对人类神经胶质细胞、乳腺癌细胞和正常细胞系的研究结果表明，有着多种生化特性的SPIONs只在质量浓度大于100 μg/ml时显示出较小或可检测到的毒性，而在更低剂量下则是无毒的[12]。尽管有一些体内毒性研究结果表明，SPIONs对人体存在一定的毒性，但相关研究结果显示葡聚糖包覆的超微SPIONs仅表现出温和且短暂的不良反应，包括荨麻疹、腹泻和恶心。SPIONs可通过人体内生的铁代谢途径进行降解[13]，被释放的铁首先在肝脏代谢，然后被用于红细胞合成或通过肾脏排出人体外。尽管SPIONs在低质量浓度下一般是安全的，但有研究结果表明SPIONs会阻滞细胞周期的G0和G1期[14]。Mahmoudi等[15]发现，经SPIONs干预的细胞内有气体小泡存在且细胞颗粒度增加，提示SPIONs具有使细胞进行自我吞噬的毒性。因此，对SPIONs的结构进行周密表征显得尤为重要。SPIONs的生物相容性主要与磁性结构的特性、最终的纳米颗粒粒径及包覆材料的特性有关。有研究人员通过基因芯片的方法比较了不同表面修饰的SPIONs（SPIONs、SPION-COOH和SPION-NH2）对人心肌细胞、BE-2-C细胞和293T细胞基因表达谱的影响，结果表明，SPION-COOH改变了涉及细胞增殖反应的基因表达[16]。Yang等[17]通过定量分析人皮肤成纤维细胞和人纤维肉瘤细胞（HT-1080）的代谢活动、细胞膜完整性和DNA稳定性来检测不同功能基团和粒径的SPIONs的毒性。尽管所有的磁性纳米颗粒在500 μg/ml的质量浓度下均表现出对人纤维肉瘤细胞小于5%的细胞毒性，但带正电荷的3-氨丙基-三甲氧基硅烷包覆的磁性纳米颗粒表现出对正常细胞大于10%的细胞毒性。剂量、粒径和表面电荷是决定纳米颗粒细胞毒性的几个重要方面，此研究中，相比于癌细胞，小粒径和带正电的磁性纳米颗粒对正常细胞的毒性更强。
SPIONs对人体自身铁平衡的影响是另一个需要考虑的问题。Jain等[18]将磁性纳米颗粒注射入大鼠体内3周后，测定了大鼠体内血清和组织中的铁含量，尽管在第1周大鼠血清中的铁含量逐渐升高，但在接下来的时间内铁含量缓慢下降；同时铁在各器官中亦有一定的积聚，相比于脑、心脏、肾脏和肺，铁在肝脏和肾脏中积聚的更多。在另一项研究中，研究人员通过对狗和小鼠注射含有放射性铁的SPIONs来研究其毒性和药代动力学[19]。结果显示，在注射后1 h，分别有82.6%和6.2%的SPIONs位于肝脏和脾脏中，随着放射性铁参与了红细胞中血红蛋白的合成，上述器官中的SPIONs浓度逐渐降低，而注射SPIONs前诱导的贫血在7 d后亦被成功治愈；当用3 000 mmol/kg Fe浓度（之前注射浓度的150倍）的SPIONs给小鼠与狗注射后，仍未出现急性或亚急性的毒性不良反应。尽管如此，还是需要注意一些事项，如由于游离铁是有毒性的，故临床应用的SPIONs剂量必须远远低于人体内的铁含量。一般情况下，注射的铁会通过人体自身正常的铁平衡机制进行代谢，因此在注射时应使用低浓度，且避免反复给药。
一旦进入血流中，纳米颗粒迅速被一层蛋白电晕所覆盖，该蛋白质晕是由高亲和性和低亲和性的2层蛋白组成。蛋白质晕的形成依赖于纳米颗粒的理化性质、相互作用的温度[20]和时间[21]、蛋白的来源[22]、浓度和梯度浓度[23]。纳米颗粒上吸附的蛋白显示在功能部分起反作用，其掩盖药物传递系统的作用靶点高达99%[24]。此外，蛋白吸附的纳米颗粒通过网状内皮系统利于吸收和消除，导致靶向疗效减弱[25]。蛋白质晕也可能导致纳米颗粒进入非靶向组织甚至无法进入组织部位[26]。近来发现，蛋白质晕可通过不同的表面电荷改变SPIONs的弛豫效能[27]，即蛋白质晕可大大降低带正电荷SPIONs的弛豫，但对带负电荷及不带电荷SPIONs的弛豫只有很小甚至无影响。带正电荷SPIONs弛豫的急剧下降是由于蛋白表面的颗粒凝聚所致。另有研究结果表明，蛋白质晕能严重影响SPIONs的生物学行为，且受静磁场影响，在静磁场下，吸附蛋白总量无明显变化，但吸附蛋白的比例变化显著。值得注意的是，SPIONs蛋白质晕中的某些蛋白包括载脂蛋白、补体系统蛋白和急性时相蛋白在磁场中明显增加。由于载脂蛋白的吸附增加，外覆蛋白质晕的SPIONs进入正常细胞系（3T3细胞）和肿瘤细胞系（HepG2细胞）的量均增加，并对这2种细胞产生了高细胞毒性。由此可见，超顺磁性对SPIONs蛋白质晕的组成起关键作用，在很大程度上改变了SPIONs的生物学行为[28]。
基于SPIONs的MRI造影剂的有效性证明，SPIONs可能已克服了若干生物相容性的问题并远远优于其他载药系统。因此，基于SPIONs的纳米载药系统具有治疗多种疾病的潜力。未来对SPIONs载药系统的研究重点会放在优化制备方法上，如制备出可再生产的粒子，使其拥有最佳的表面电荷、形状、尺寸、生物相容性和高磁矩。同时，改善磁性载药系统的特定靶向性亦十分重要，如通过更有效的表面修饰、对新生组织更好的鉴别及更优细胞生物标志物的使用等。此外，对SPIONs在胶体溶液和血清中的稳定性研究也是必要的，影响载药系统效果的关键生理学因素（如蛋白质晕）、如何调节保护性外壳、磁矩和其他生物化学特性间的平衡也是未来的研究重心。在提高SPIONs特性的同时，新技术是必不可少的，如将载药系统靶向结合到内皮细胞特异性标志上，或设计可在肿瘤微环境中靶向释放特定药物的超顺磁性纳米颗粒。相信随着研究的深入，SPIONs药物传递系统在穿越血脑屏障和细胞内传递方面的运用及多功能治疗性生物装置的发明均将成为现实。
无
