磁纳米粒子热疗在神经胶质瘤中的应用进展

磁纳米粒子热疗在神经胶质瘤中的应用进展孙涛,王文宏  作者单位：210009 南京, 东南大学附属中大医院神经外科神经胶质瘤是发生于神经外胚层的肿瘤，是中枢神经系统最常见而又最难治疗的恶性肿瘤，由于其生长呈浸润性、边界不清，尽管可手术切除、放疗及化疗，但在过去的20年中，神经胶质瘤的预后及自然发生、发展过程并未得到明显的改善，所以寻找治疗神经胶质瘤的新方法势在必行。利用各种物理能量在人体组织中所产生的热效应，将瘤区加热到41～46℃及以上，并维持一段时间，达到加速肿瘤细胞死亡，治疗恶性肿瘤的方法称肿瘤热疗(tumor hyperthermia)［1］。1957年Gilchrist等［2］首次提出磁介导热疗(magnetically mediated hyperthermia, MMH)的概念，为肿瘤的治疗带来了新的契机和希望。随着纳米技术的快速发展，磁性纳米粒子应用在肿瘤热疗已成为生物医学研究的热点，引起了人们的广泛重视。本文就磁纳米粒子在治疗神经胶质瘤方面的进展加以综述。1 磁纳米粒子及热疗常用的传统热疗方法有全身高温、热液体灌注、温热水浴、射频、微波、激光、聚焦超声、磁靶向热疗等［3］。这些方法多存在热场分布不均匀，加热效率低，而且创伤性大，易损伤正常组织等缺点。使用磁纳米粒子对肿瘤进行热疗可以克服传统热疗的不足。1.1 热疗原理 由于肿瘤组织及其血管的特殊性，对温度升高较正常组织敏感，利用一定温度的加热疗法可以有效将其杀灭，而正常组织无明显受损。热疗可以使肿瘤组织淤血、缺氧，使肿瘤组织内的pH降低、酸性增加、溶酶体增多、溶酶体活化，瘤细胞DNA、RNA及蛋白质合成受到抑制，机体免疫反应增强等，从而导致肿瘤细胞的死亡［4］。1.2 脑及肿瘤组织耐受的温度 胶质瘤热疗温度过高，不但可以损伤正常脑组织，而且脑组织代谢增加，产生缺氧，能量供应不足，产生酸中毒及有害的细胞因子等，导致脑水肿，脑损害。所以在磁纳米粒子热疗时应尽量把温度控制在杀灭肿瘤的最小有效温度上。在脑中有一窄的温度毁损可逆带，脑组织可耐受几分钟42.5℃的温度而无坏死，在42.5～44℃间一些神经功能有短暂的抑制(即可逆带)，当温度超过45℃时，将导致一些永久性的损害［5］。Nakagawa［6］在猴脑实验中观察到, 高于44℃ 60 min即可对正常猴脑组织造成损伤。胶质肿瘤细胞对温度的耐受温度较脑组织低，42℃以上时可以选择性的破坏肿瘤组织［7］。Takahisa等［8］对人类恶性胶质瘤细胞系A172加热至44.5℃,细胞出现坏死, 加热至43℃, 细胞则出现凋亡, 同时还伴随P53蛋白、Bax 蛋白和Hps72蛋白升高。目前大多数学者所采用的温度在42～45℃。1.3 磁纳米粒子组成 磁性纳米材料是一种新兴的正在迅速发展的新型材料,铁氧体(γ－Fe2O3及Fe3O4)由于无毒性，生物相容性，为主要的磁纳米粒子种类，经过修饰后形成的热疗介质形式主要有磁流体(magnetic fluid , MF)和磁性脂质体(magnetoliposomes ,ML)。磁流体又称纳米磁微粒体，是指微粒尺寸在纳米级的磁性流体材料，为一类铁磁性或超顺磁性纳米粒子，可借助表面活性剂或表面修饰剂稳定地分散于载液中的胶体溶液。磁流体热疗(magnetic fluid hyperthermia，MFH)［9］是将磁流体输送至治疗区域, 在外加交变(alternating current ,AC)磁场的作用下, 磁性微粒因磁损耗而发热使周围介质升温，产生热疗作用。如果把修饰磁流体的表面活性剂置换成磷脂衍生物，如磷脂酰丝氨酸等，就称为磁性脂质体。磷脂对磁粒有很强的吸附作用,脂质体本身具有一定的靶向性，还可携带多种化疗药物。1.4 交变磁场 在交变电磁场作用下,磁纳米粒子吸收电磁波能量，由于磁滞效应、驰豫效应、畴壁共振等作用而产热，引起温度升高。目前利用磁纳米粒子加热的交变磁场的系统已经研制产生。Jordan等［10］报道了应用于临床的交变磁场治疗系统，并用于神经肿瘤和前列腺癌的治疗。2002年德国的Wust等［3］推出了用于人体热疗的电磁场样机。国内一些单位如东南大学生物科学与医学工程系、纳米科学与技术研究中心等也已经研制出相关交变磁场发生器的原型设备及磁性材料操控机械。1.5 分布与血脑屏障 颅内肿瘤与身体其他部位肿瘤的一个显著区别是存在血脑屏障，由于血脑屏障的存在，使许多药物难以到达脑内，同样，如果磁纳米粒子进入脑内，也必须通过血脑屏障。但是因为磁纳米粒子的粒子直径很小，而且肿瘤发生的部位常常会破坏血脑屏障，所以磁纳米粒子可以很容易的通过血脑屏障，进入肿瘤部位［11］。磁纳米粒子在体内的分布与代谢目前研究较少，多倾向于粒子富集在肝、脾等器官。刘岚等［12］研究了谷氨酸修饰的磁性三氧化二铁纳米粒子在小鼠体内的代谢表明，其在各主要器官中均有分布，以肝脏、脾脏中分布最多，且能通过血脑屏障、血睾屏障和血眼屏障,最后经肠道和肾脏排除，两月后仍有50％的纳米粒子滞留在体内。纳米粒子在小鼠脑内的分布高峰时间为12到48 h，以后逐渐衰减，但在第32 d及第64 d的测定提示脑内分布又复升高。Pouliquen 等［13］报道铁氧纳米粒子可以在体内较长期存在，且纳米粒子可以通过血脑屏障。1.6 磁纳米粒子热疗的优点 利用磁纳米材料的肿瘤热疗有以下优点：(1)纳米尺寸的磁性粒子比微米及微米以上尺寸的磁性粒子有更多的吸收磁场能量的性质，其产热更多，而且因为产热效率高，从而对外加交流磁场的输出功率要求降低，对加入的磁性粒子需求量也相应减少［10］；(2)用磁纳米粒子所制备的磁流体可以被肿瘤细胞摄取，均匀分散于肿瘤中，可以实现均匀有效的加热，避免加热效率低，热分布不均；(3)氧化铁粒子所制备的磁性粒子毒副作用小，生物相容性好；(4)磁纳米粒子方便给药，可以通过静脉、动脉、肿瘤局部等给药；(5)磁纳米粒子具有顺磁性，在外加磁场作用下，可以及时、定点、定向地聚集到病灶处；(6)磁纳米粒子还可以通过表面修饰等增加肿瘤细胞的摄入，提高靶向性；(7)磁纳米粒子被肿瘤细胞摄取后，可以随着细胞分裂进入子细胞，再次热疗时杀灭肿瘤子细胞［10］；(8)只要磁纳米粒子停留在靶区，就可反复放置在磁场下，重复热疗。2 关于靶向问题使磁纳米粒子在病灶处聚集，而非病灶处缺如，这样不但提高治疗效率，减少对非靶区的损伤及副作用，而且也减少磁纳米粒子的用量，减少热疗所需的交变磁场输出功率，以减轻其对人体的不适。关于磁纳米粒子的靶向问题，目前主要从主动靶向与被动靶向入手。2.1 被动靶向 被动靶向主要通过对磁纳米粒子进行表面修饰完成。未经表面修饰的纳米粒子进入血液循环后，经过调理作用，大部分被巨噬细胞吞噬，粒子分布于肝、脾、肺、骨髓、淋巴结等器官。对于肿瘤组织来说，仅有少量的纳米粒子经通透性大的肿瘤血管进入肿瘤间隙，另外未经修饰的纳米粒子在血液循环中的时间短，渗透入肿瘤的粒子更少，难以达到引起热效应的有效浓度。磁纳米粒子经过表面修饰后具有亲水特性，可以减少聚集，防止蛋白吸附，提高生物相容性，避免单核吞噬系统的吞噬，增加其在血液循环中的时间，降低毒性，提高靶向性等。例如肿瘤细胞对表面修饰聚乙二醇(PEG)的纳米粒子的摄入量远远高于没有表面修饰的纳米粒子［14］。Jordan等［15］发现，改变磁纳米粒子的表面修饰分子，可以使得磁纳米粒子在肿瘤细胞内的富集程度远大于正常人体细胞，还证实了磁流体的表面结构可影响细胞的内吞作用,脑胶质瘤对氨基硅烷修饰的磁性微球铁的吸收高达400 pg/ 细胞。Le 等［16］发现阳离子磁性脂质体对带负电的脑胶质瘤细胞的亲合性比中性磁脂质体强10 倍。2.2 主动靶向2.2.1 物理靶向 是利用磁纳米粒子的特性在外部环境作用下使其聚集在肿瘤部位。磁纳米粒子是纳米级大小的磁性粒子, 把它注入到人体血流中,它几乎可以到达人体内的任何深层部位,而且纳米磁粒子可以很方便地通过最小的毛细血管。通过外加磁场或者是植入内部诱导磁场(如刺入人体内的小磁针) 可以把磁粒子吸引聚集到人体的病灶部位［17］，然后施加交变磁场,产生热量,从而可以定位地把癌细胞或是肿瘤细胞杀死,而对非病变部位的健康细胞没有损伤。进入肿瘤的磁纳米粒子脱离血流，在外加磁场去除后不能重返血液循环，滞留在肿瘤间质，实现持久的靶向［18］。如Mykhaylyk等［19］将载药的磁性纳米粒子从颈动脉注射到实验小鼠的体内，然后用外磁场的导航推动，穿透血脑屏障，使磁纳米粒子和药物进入到小鼠脑内。2.2.2 生物靶向 是利用抗肿瘤单克隆抗体(monoclonal antibody，McAb)标记在磁纳米粒子表面，或者利用受体－配体结合的特性，把与肿瘤组织特异结合的受体或配体标记在磁纳米粒子的表面，使磁纳米粒子特异与所治疗的肿瘤细胞相结合，从而实现靶向治疗。关于针对胶质瘤的单克隆抗体有很多文献报道，例如，苏州大学制备了抗人脑胶质瘤细胞SHG 44的单克隆抗体SZ 39［20］。典型的单克隆抗体一般分子量较大,不易通过完整的血脑屏障。但如果用基因工程改造抗体，使其分子量变小，如抗体片段(Fab)和单链抗体(ScFv),就可以通过血脑屏障。如董军等［21］利用基因工程得到有活性的抗胶质瘤单链抗体。Grüttner等［22］详细介绍了用于交变磁场肿瘤热疗的几种抗体结合磁纳米粒子的制备方法，结合后的磁纳米粒子能与肿瘤细胞特异结合，而且与抗体结合的磁纳米粒子仍旧保持了磁纳米粒子的完整性与稳定性。3 磁纳米热疗的实验及临床应用磁纳米粒子加热治疗胶质瘤从体外实验、动物实验到人体应用，皆取得了较满意的结果，这种新的肿瘤疗法给难以治疗的神经胶质瘤带来了希望。Yanase 等［23］观察了磁性阳离子脂质体(magnetite cationic liposomes ,MCL)在试管中对脑胶质细胞瘤的作用。发现胶质瘤细胞对MCL吸收很快, MCL与神经胶质瘤细胞培养时,在交变磁场下20 min，活细胞仅1/30 ,40 min后无活细胞。单独用磁场不加MCL ,60 min后,活细胞数无变化。Jordan等［24］将分别葡聚糖和氨甲基硅烷修饰的磁性纳米粒子注射入Fisher大鼠的颅内脑胶质瘤内，在频率为100 kHz、磁场强度为0～18 kA/m的磁场下加热治疗后，发现氨甲基硅烷修饰的磁纳米粒子组较对照组生存率高4.5倍,葡聚糖组较对照组无明显差别。而且利用免疫组化显示瘤内磁纳米粒子沉着有大量坏死组织，邻近的肿瘤组织生长增值受到抑制。Shinkai等［25］在皮下种植T9神经胶质瘤的F344大鼠的瘤内注入直径约10nm的磁性脂质体在交变磁场下进行热疗，实验结果表明总的肿瘤衰退率在90％左右，而且热疗还产生了对胶质瘤细胞的抗瘤免疫性。ITO 等［26］用磁性纳米粒子热疗的方法使T9小鼠的神经胶质瘤坏死,从坏死肿瘤中提纯热休克蛋白70,再将它注入F344 荷瘤小鼠体内,发现小鼠体内的T9神经胶质瘤生长被抑制，说明MCL不但可通过磁感应加热杀瘤, 且能经触发免疫反应杀死肿瘤细胞。2006年，Maier Hauff等［27］利用磁纳米粒子在交变磁场下热疗成功的治疗了14名恶性胶质瘤患者，其交变磁场频率为100 Hz，磁场强度从2.5～18k A/m, 达到治疗需要的温度时(43℃)，病人耐受反应良好，生存期延长，并且无明显的不适反应。4 展 望磁纳米粒子热疗具有其他许多肿瘤治疗方法不可比拟的优点，已经在实验及临床中取得了令人振奋的结果。随着研究的深入，磁纳米粒子热疗在肿瘤的治疗上必然更加趋于“精准”，即要求热疗仅对肿瘤作用，而对其他正常组织无损害性影响，犹如精准的导弹一样有效地直中目标，其中磁纳米粒子结合肿瘤特异性标志物，如肿瘤单抗，必然是今后磁纳米粒子热疗发展的方向。虽然目前磁纳米粒子热疗成绩斐然，但是关于磁纳米粒子在人体内的分布、代谢，对人体的长期毒副作用，最佳的热疗剂量，适宜的温度监测以及更有效具体的靶向研究等还有待进一步探索。相信磁纳米粒子热疗的广阔的发展前景及更深入的研究，不久的将来其定会攻克癌症这一顽疾，造福人类。［参考文献］［1］ Jordan A,Scholz R,Wust P,et al.Magnetic fluid hyperthermia (MFH):Cancer treatment with AC magnetic field induced excitation of biocompatible superpara-magnetic nanoparticles［J ］ . 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