以纳米材料为平台发展起来的诊疗一体化技术将疾病的诊断与治疗有机结合起来，构成了诊疗一体化纳米平台，其在疾病诊疗方面展现出广阔的前景。随着纳米医学的迅速发展，磁性纳米颗粒（MNPs）的合成工艺不断成熟。MNPs具有表面易于进行化学修饰、形状和粒径可控、稳定性和生物相容性良好及磁学性能优良等优点，使其在疾病诊断、药物靶向递送、医学成像、热疗和放射治疗等临床治疗领域广泛应用，也使其成为诊疗一体化平台的优质材料。综述了MNPs在磁导向递药、磁热疗和多模式成像这3方面的研究进展及其作为诊疗一体化平台的优势，并对研究面临的问题和应用前景进行了总结和展望。
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在癌症治疗中，最好的治疗方法是多学科综合治疗，即手术、放射治疗（放疗）和化学药物治疗（化疗）联用。其中手术和放疗治疗局部癌症，而化疗可杀死转移至远隔部位的癌细胞。在术前进行放疗或化疗来缩小肿瘤，可提高手术完全切除肿瘤的概率；术后进行放疗和低剂量化疗有助于杀伤残留的癌细胞。每种治疗方法各有优势，需结合病患的自身情况和病情发展阶段来制定联合治疗方案，通过同时或顺序施用化疗药物和免疫疗法药物寻求最优的治疗效果。多学科综合治疗实际上在传达同一个思路，即癌症作为一个世界性难题，仅凭一个学科、一种药或一种治疗方法是不可能解决的，需要的是从各个方面考虑的综合治疗方案[1]。随着对癌症研究的深入，放疗技术不断发展，抗癌的化疗药物越来越多，治疗手段亦越来越丰富，如光动力疗法和光热疗法在临床治疗中均展现出非常优秀的治疗效果[2]。另一方面，免疫疗法也在不断发展，从程序性死亡受体-1抗体到嵌合抗原受体T细胞免疫疗法，为联合治疗提供了更多可能的组合。例如Emens等[3]依次使用阿霉素、环磷酰胺和粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子治疗乳腺癌患者，Lynch等[4]使用紫杉醇、卡铂和伊匹单抗组合作为晚期肺癌的一线干预药物，均取得了良好的治疗效果。
通过在纳米颗粒表面结合不同的治疗剂、造影剂或靶向剂，将医学诊断、药物递送集成到单个纳米平台[5]，即构成了诊疗一体化纳米平台，已成为个体化医疗中非常有潜力的诊疗系统。本文将就近年来以磁性纳米颗粒（magnetic nanoparticles, MNPs）为基础构建多功能纳米诊疗平台的研究工作进行简要综述。
MNPs包括氧化铁纳米颗粒、金属纳米颗粒、双金属纳米颗粒及具有核壳结构的纳米颗粒等多个种类。当前对于具有核壳结构的MNPs研究较多，其一般由铁、锰、铜等金属氧化物组成的磁性内核及包裹在磁性内核外的高分子聚合物、硅、羟基磷灰石壳层组成。最常见的内核通常由Fe3O4或γ-Fe2O3制成，在外加磁场作用下，可实现定向移动，具有磁导向性（靶向性）。最常见的壳层由高分子聚合物组成，壳层上偶联的小分子靶向试剂（如叶酸、多肽、乳糖酸等）可与多种生物分子，如蛋白质、酶、抗原、抗体、核酸等相结合，实现主动靶向。因此MNPs兼具磁性颗粒和高分子颗粒的特性，具备磁导向性、生物相容性、小尺寸效应、表面效应和对应的生物医学功能。MNPs在生物医学方面的应用主要分为两大类：①体外应用，主要包括分离纯化、磁性转染、免疫分析、反应催化和固相萃取等。②体内应用，包括诊断和治疗两方面，如MNPs常作为MRI造影剂用于诊断，其介导的磁热疗和磁靶向递药则用于治疗。
MNPs固有的光学特性、磁性和电学特性可用于癌症治疗[6]，特别是当其与免疫治疗结合使用时，能发挥更好的疗效[7,8,9]。例如金纳米颗粒独特的高光稳定性和高效热转化特性[10]可用于光热疗法；由重金属元素组成的无机纳米颗粒可通过增强辐射散射和提高光电效应来增强放疗效果；而MNPs独特的磁特性可通过MRI对药物递送进行图像引导、对治疗过程进行无创监测等。因此，MNPs是靶向递药和图像引导治疗的优秀候选材料，在个体化医学中具有临床应用潜力，上述特性也是磁性材料较其他材料在构建多功能平台方面的显著优势。
MNPs作为药物载体靶向至肿瘤部位，主要是通过被动靶向、主动靶向和物理化学靶向进行的。其中，被动靶向主要通过高通透性和滞留效应实现[11]；主动靶向通过对纳米颗粒进行表面配体修饰，将药物定向运送至肿瘤部位释放；物理化学靶向则是在足够强的体外磁场引导下，MNPs通过血管到达并定位于特定靶区，使药物在肿瘤内浓集、集中释放，达到高效、低毒的治疗效果。表1归纳总结了近年来以MNPs作为药物载体或直接作为药物的研究。所用策略通常是以MNPs作为核心材料，然后在其表面包覆各种功能性有机物（如聚合物、脂质体）或无机物（如金、二氧化硅、石墨烯、碳纳米管），通过涂层材料与药物分子之间的物理相互作用（如疏水相互作用、静电作用）或化学反应（如通过活性基团共价键合）直接封装或吸附药物，达到载药的目的。此外，从递送药物的选择上看，肿瘤治疗的研究经历了单一化疗药物递送、多种化疗药物联合递送、其他疗法结合MNPs的磁热和光热特性协同治疗的发展过程，MNPs则是多种药物联合递送和多种疗法协同治疗的优秀载体。
近年来在肿瘤治疗中以磁性纳米颗粒作为药物载体或药物的研究
近年来在肿瘤治疗中以磁性纳米颗粒作为药物载体或药物的研究
| 治疗方式 | 负载药物 | 磁性纳米颗粒 | 涂层材料 | 参考文献 |
|---|---|---|---|---|
| 化疗 | 阿霉素 | 氧化铁 | 介孔硅、聚乙二醇、脂质体 | [12，13，14] |
| 阿霉素、喜树碱 | 氧化锰 | 多巴胺磺酸盐 | [15] | |
| 化疗/磁热疗法 | 阿霉素、紫杉醇 | 氧化铁 | 透明质酸 | [16] |
| 阿霉素 | 氧化铁 | 聚乙二醇 | [17] | |
| 化疗/光热疗法 | 阿霉素 | 氧化铁 | 羟丙基-β-环糊精、聚丙烯酰胺 | [18，19] |
| 免疫疗法/光热疗法 | 新抗原肽、CpG ODNs | 氧化铁 | 聚乙二醇-聚乳酸羟基乙酸-聚赖氨酸阳离子聚合物 | [7] |
| R837 | 氧化铁 | 聚乙二醇-聚乳酸乙醇酸嵌段共聚物 | [20] | |
| ICG、R837 | 氧化铁 | 聚乙二醇多酚 | [21] |
注：化疗—化学药物治疗；CpG ODNs—未甲基化寡聚脱氧核苷酸；R837—咪喹莫特；ICG—吲哚菁绿
然而，肿瘤部位药物浓度低的问题显著存在，因此在研究中通常将磁导向和主动靶向相结合，即便如此，肿瘤部位累积量低的问题仍未得到解决，有待于技术进步带来新突破。
对磁场装置进行改良和研发是解决磁靶向效果不佳的策略之一。当采用磁靶向治疗策略时，一般仅使用一个磁铁，这在一定程度上导致了MNPs靶向性弱。Zhou等[22]开发了双磁体结构，通过在两个磁体之间引入恒定的磁场梯度来解决上述难题。实验结果证明在双磁铁装置作用下，MNPs在实体肿瘤模型中的累积量显著提高。
磁热疗法在癌症治疗中显示出良好的应用前景。在MNPs进入肿瘤后，从外部对肿瘤施加交变磁场，MNPs会产生热量，从而导致肿瘤细胞死亡[23]。其显著优点为创伤小，肿瘤内直接注射或静脉注射具有微创性，在比较理想的情况下，静脉注射后通过主动和被动靶向可将MNPs输送至潜在的肿瘤，即体积较小的转移性肿瘤。磁热疗法可分为两种：通常把治疗温度控制在47 ℃以上的疗法称为热消融疗法（thermoablation），在此温度下肿瘤组织急剧坏死，但对正常组织也有一定损伤；把治疗温度控制在42~46 ℃之间的疗法称为过热疗法（hyperthermia），该疗法能杀伤肿瘤组织，并对正常组织损伤较小。Garanina等[24]对比分析了不同温度对不同癌症模型的影响，结果发现不同的肿瘤组织对温度的敏感性不同，例如结肠癌细胞对高温更敏感，在41~43 ℃范围内加热便会死亡，而乳腺癌细胞对热的抵抗力更强，治疗温度在47 ℃以上才会死亡。因此，成功的抗肿瘤治疗必须针对每种癌症选择特定的温度时长方案。
磁热疗法存在的缺陷为随着磁铁表面到病灶部位的距离增加，磁场强度迅速下降，故磁热疗法目前仅限于治疗相对靠近体表的肿瘤。MNPs的加热效率低、肿瘤内累积量低且分布不均极大限制了磁热疗法的应用[25]。传统的MNPs与磁场之间的相互作用较弱，加热效率低，因此若想产生能杀伤肿瘤的温度则需较大的剂量。虽然MNPs无显著毒性，但大剂量注射会触发机体的免疫系统，引起过敏反应。解决当前局限性的一条思路即为开发能在低浓度下产生足够热量的高效MNPs。Albarqi等[26]开发了钴和锰掺杂的氧化铁纳米颗粒，该颗粒在单次静脉注射后可有效积聚于卵巢癌肿瘤中，且在暴露于安全的交变磁场后可将肿瘤内温度高效升至44 ℃。Lee等[27]开发了一种双层纳米颗粒——以掺杂钴的氧化铁为核，掺杂锰的氧化铁为涂层。钴与锰在磁场中会产生交换耦合作用，使其释放的热能高达传统纳米颗粒的10倍。从另一方面来看，虽然加热效率低的MNPs在外加磁场作用下不能达到杀死肿瘤的温度，但该磁热响应性可作为触发药物控释的信号得到应用[28]。
与传统成像方式相比，纳米颗粒成像具有以下优点：①与小分子造影剂或药物不同，纳米药物可相对容易地整合多种造影剂或治疗剂，使其成为诊断和治疗的多功能纳米平台。②适当调整纳米颗粒大小和进行表面修饰均可减少网状内皮系统对其的滤过和吸收，从而增加其在血液内循环的时间。③对纳米颗粒表面进行靶向修饰，有利于其在指定部位浓集。
活体成像技术是显示身体状态和监测目标部位组织信息的有力工具，临床上应用的成像方式通常包括光学成像、MRI、计算机断层扫描（computed tomography, CT）、超声、正电子发射计算机断层扫描（positron emission computed tomography, PET）和单光子发射计算机断层扫描（single photon emission computed tomography, SPECT）等。然而，每种成像方式均有各自的局限性，例如MRI和CT对于造影剂敏感性较低，这就要求必须对患者施用高剂量的造影剂以增强信号强度；PET和SPECT的灵敏度较高，但空间分辨率低且电离辐射较强；光学成像则受到组织自发荧光和特定波长光线组织穿透能力弱的限制，因此当前并不存在一种完美的成像方式。将几种不同性质的造影剂装载入纳米颗粒中，通过协同多种成像方式，精确快速地诊断疾病，即为多模式成像[29]。以SPECT和CT的融合为例，SPECT/CT已取得了很大的成功，其绝不只是两种仪器的简单叠加。Helyar等[30]分析了40例前列腺癌患者的骨转移显像结果，共发现50个病灶，当只应用SPECT显像时，有61%的病灶难以明确；而应用SPECT/CT显像时，仅有8%的病灶性质不明确，大大提高了诊断的准确性。
MNPs因其独特的磁特性可作为构建多模式成像探针的良好材料，MRI具有成像分辨率高和成像深度大的优点，荧光成像（fluorescence imaging, FI）则具有灵敏度高和可用于实时成像的优势。Zhang等[31]构建了一种结合了MRI和FI的多模式成像探针。该探针的设计思路是将聚乙二醇修饰的磷脂和无修饰的磷脂混合使用作为膜材包裹Fe3O4纳米颗粒，随后通过物理吸附作用将二烷基碳菁染料（DIL、DIR）固定在膜材表面，再利用精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸环肽对探针进行主动靶向修饰。该探针将MRI和FI的优势相结合，与单独的MRI和FI相比，显著提高了成像的分辨率和检测灵敏度，可用于疾病检测、诊断及术前和术中成像。Song等[32]开发了一种集合了磁颗粒成像（magnetic particle imaging, MPI）、MRI、光声和荧光4种成像方式的多模式成像探针，利用该探针进行肿瘤成像时，可同时通过4种信号成像，获得用于癌症诊断和治疗的互补、更精准的成像信息。
成像技术特别适合与治疗肿瘤的其他方法（如化疗、放疗、光动力疗法、光热疗法等）结合[33,34]，其能提供有关实体肿瘤的实时信息和评估治疗效果，对治疗起到引导作用，有利于肿瘤的精准治疗。MRI可活体、高分辨率地检测病灶组织信息[35,36]。MRI造影剂（如氧化铁和氧化锰）已被广泛应用于构建多功能平台（图1）。下文以铁和锰为例，分别介绍利用铁和锰构建诊疗一体化纳米平台的研究进展。
为了解决磁热疗法中药物在肿瘤内部分布不均的问题，Du等[37]开发了一种具有生物靶向作用的多模式成像系统，该系统将MRI和MPI相结合，能改善磁热治疗，在不损伤周围组织的情况下实现肿瘤组织的均匀升温。其研究结果发现该系统具有增强MRI/MPI效应的能力，且粒径为18 nm的氧化铁纳米颗粒可作为一种高性能的MRI/MPI造影剂。为了提高18 nm氧化铁纳米颗粒在肿瘤内分布的均匀性，实验使用肿瘤靶向肽半胱氨酸-精氨酸-谷氨酸-赖氨酸-丙氨酸（CREKA）对纳米颗粒进行修饰，使其可靶向肿瘤。MRI/MPI结果显示，靶向剂可显著改善纳米颗粒在小鼠乳腺癌肿瘤中的分布均匀性。体外抗肿瘤磁热治疗结果显示，通过提高靶向性和递送均匀性，该系统比其他非靶向的氧化铁纳米颗粒产生了更好的肿瘤磁热治疗效果。
除了改善颗粒分布的均匀性，增强磁性颗粒的光热效应也是非常有效的改进方法。Zhang等[38]合成了一种核壳结构的纳米探针，该探针以上转换发光（upconversion luminescence, UCL）纳米颗粒为核心，以Fe3+/鞣酸配合物为壳。该配合物在近红外区有强吸收，显示出很高的光热转换效率，因此成为光热疗法的优秀候选药物。同时，由于该配合物具有不饱和配位结构，纳米探针只能在弱酸性的肿瘤微环境中释放Fe3+，从而增强MRI的成像效果。鉴于Fe3+具有增强MRI和提高肿瘤治疗效果的功能，因此需仔细监测Fe3+的释放，UCL纳米颗粒则可用于定量观察体内Fe3+的释放。
过渡族元素锰也是目前磁性诊疗一体化纳米平台的热门候选材料。Zhang等[39]通过MRI造影剂（Mn2+）与芴甲氧羰酰基（Fmoc）-L-亮氨酸自组装，并在自组装过程中包裹光敏剂Ce6，形成新型的纳米颗粒系统。该纳米颗粒具有较高的载药能力和高稳定性，并对肿瘤微环境中富含的谷胱甘肽具有响应性，该响应性主要是通过谷胱甘肽与Mn2+的竞争配位作用，导致纳米颗粒分解并释放药物。该纳米颗粒通过磁靶向在肿瘤组织中积累后，能诱导杀伤肿瘤细胞，并可供长时间的MRI观察。MRI结果显示，对荷瘤小鼠注射该纳米颗粒后4 h，肿瘤部位有明显的纳米材料积聚。注射后24 h肿瘤体积缩小、肿瘤坏死体积增大，注射后3 d肿瘤几乎完全消失。
以锰为基础的磁性纳米平台还可用于增强肿瘤的放疗效果。放疗通过破坏肿瘤细胞的DNA来杀死肿瘤细胞，其应用非常广泛，但有一个显著的缺点，即对缺氧组织几乎不起作用。肿瘤内部区域处于缺氧状态，低氧会引起耐辐射性，从而削弱放疗效果[40]。低氧诱导因子1（hypoxia inducible factor-1, HIF-1）作为癌症治疗的热门靶点[41]，受到广泛关注，其在肿瘤的代谢、增殖、血管生成、转移和化疗/放疗耐受等方面有着非常重要的作用。HIF-1是由α、β两个亚基组成的异二聚体，其活性主要由HIF-1α亚基决定，而HIF-1α的活性受氧浓度的严格调控。Meng等[42]构建了基于二氧化锰（MnO2）纳米颗粒的活性氧响应性纳米平台将HIF-1抑制剂输送至肿瘤组织（图2）。由于肿瘤组织局部过氧化氢浓度较高，MnO2与过氧化氢反应释放Mn2+和氧气，Mn2+可用于MRI，增强放疗效果；氧气则可促进HIF-1α被蛋白酶体迅速降解，进而抑制HIF-1功能，明显减少与肿瘤侵袭相关的信号分子（如程序性死亡受体-1）的表达，以降低恶性转移的风险。
HIF-1—低氧诱导因子1；PD-L1—程序性死亡配体-1
集合了多模式成像和治疗的多功能MNPs系统不仅在肿瘤的诊断和治疗中展现了极大潜力[43,44]，在类风湿性关节炎（rheumatoid arthritis, RA）的治疗尝试中也显示出很好的效果。RA是常见的自身免疫性疾病，会导致滑膜炎、关节损坏，甚至残疾[45]。甲氨蝶呤（methotrexate, MTX）是RA的一线治疗药物，但其属于抗叶酸代谢类药物，能抑制DNA和RNA的合成，主要对增殖期细胞产生毒性，对静止期细胞作用较小，而人体造血系统和消化道黏膜上皮细胞更新速度快，故MTX易引起骨髓抑制和呕吐等不良反应。Lu等[46]开发了荷载MTX的金/铁/金3层纳米颗粒，将光热疗法和化疗相结合治疗RA。结果显示，与使用MTX的常规治疗相比，尽管注射的3层纳米颗粒中负载的MTX剂量更低，但在连续近红外照射和外加磁场的联合应用下，最终获得了更好的治疗效果，并显著降低了常规治疗的不良反应。
除了药物和光热疗法的效果外，外加磁场对RA的影响也十分重要。低频磁场常用于治疗骨关节系统疾病，当关节发生炎症，磁场治疗可降低免疫系统的反应性，同时还具有镇痛和抗水肿作用[47]。此外，还有研究结果显示，脉冲电磁场可能是治疗RA等慢性炎症疾病的一种有效方式[48]。但这些均存在争议，磁场对生物系统的治疗作用机制尚不完全明确。
对于用于治疗的磁性纳米材料，最首要的问题是安全性，这涉及MNPs的安全性和磁场的安全性两方面。从磁性纳米材料安全性的角度来看，当前获得美国食品药品监督管理局批准可临床使用的磁性纳米材料只有氧化铁纳米颗粒，且自2009年起美国食品药品监督管理局为氧化铁纳米颗粒制订了越来越严格的禁忌证。这就启示人们，首先，磁性纳米材料既是材料，更是药物，并非所有材料均可应用于临床；其次，对于材料的研究应从制备方法、构效关系、生物效应和作用机制等多个方面深入展开，深刻认识到磁性纳米材料作为药物的难点和优势。
从磁场安全性角度来看，若直接对人体组织施加磁场，则磁场不会被人体直接感知[49]，也不会产生热效应，但会引起一系列生物效应。若人体长时间暴露于一定强度的电磁场中，则会对人体造成伤害[50]。国际癌症研究机构将低频电磁场归类为可能致癌的因素。因此，磁场对于生物系统的影响还需进一步研究以获得更深入的认识。此外，不同类型的磁场或不同的磁场参数均会导致不同的生物效应，例如交变磁场因其频率高低不同、作用时间长短不一会产生不同的生物效应。这就要求更深入系统地研究磁场参数（如磁场强度、磁场变化梯度、施加磁场的时间）对治疗效果的影响和可能相关的不良反应。
目前，有关MNPs系统的研究大多处于动物实验阶段，随着电磁学、医学和生物学技术的进一步结合，上述材料学、安全性和药效学问题可得到很好的解决，MNPs会成为更多诊疗策略的优秀载体，在不久的将来应用于临床，使广大患者受益。
所有作者均声明不存在利益冲突
