磁热法治疗肿瘤

磁热法治疗肿瘤用纳米磁性材料的研究进展 肿瘤热疗是利用物理方法加热癌变组织，使癌变组织升温，达到杀灭癌细胞的特定温度以消除恶性肿瘤的一种治疗手段。肿瘤热疗法由来已久，但由于早期设备和技术所限，加之2O世纪以手术、放疗、化疗相结合为主的肿瘤治疗手段的形成，使得热疗的发展几乎停滞不前。1957年，Gilchrist等首次提出磁靶向热疗的概念，推动了肿瘤热疗向着精确定位的方向发展。 磁热法治疗肿瘤是将磁性粒子注入或植入肿瘤病灶区，外加交变磁场，由于磁热效应使病灶区吸热升温至43～47℃ ，从而杀死肿瘤细胞。该技术具有靶向性、给药方式简单、可减少用药量、毒副作用小、易与其它方法相结合等优点，是目前热疗法治疗肿瘤的较佳途径。德国、美国、日本和我国对磁热法治疗肿瘤都进行了比较系统全面的研究，特别是德国和美国的研究都已进入l临床研究阶段，并已治愈了一部分乳腺癌、前列腺癌、脑瘤等肿瘤病人，显示出良好的发展前景。近年来，随着纳米技术的突飞猛进，纳米磁性材料应用于肿瘤热疗能克服目前加热技术的不足，已成为材料与生物医学的研究热点。磁热法治疗肿瘤用纳米材料的应用开发、药物载体技术、生物相容性和毒理性是该领域研究的关键问题。 1 磁热法基本原理与特点 磁性材料在外加交变磁场中，由于涡流损耗、磁滞、磁矢量旋转和颗粒本身的物理旋转而产生的热量称之为磁热。磁热法是应用磁热效应治疗肿瘤的一种物理方法，即将磁性材料注入肿瘤病灶中，在交变磁场的作用下将吸收的磁能转换为热能，使癌变组织升温到43℃以上，并保持一段时间，使肿瘤细胞红肿、坏死，从而消除肿瘤。将磁场能转换成热能主要取决于磁场和磁性粒子的性质，其 典型特征量是产热率(Specific power adsorption，SAR)，即单位质量将其他能量转换成热能的量，单位以w／g计。磁性材料的SAR越高，其热效应越强。当今研究者追求的是采用少量材料产生高热量，而纳米7-Fe~03或Fes 04就能满足这些要求， 并且磁热材料只吸收热量，不会对人和环境产生任何污染，是一种治疗肿瘤的绿色疗法，因此纳米T-Fe~03或Fe304用于热疗治疗肿瘤备受关注。美国的几个研究小组早在2O世纪6O年代就提出了应用磁性微球在交变磁场中加热治疗肿瘤，但由于微米级的磁性材料吸热能力差、所需磁场功率大以及产热控制和测温技术的限制，使其临床应用受阻。直到2O世纪8O年代，纳米技术的迅猛发展给磁热法技术带来了新的曙光。 与以往通过手术植入铁磁热籽治疗肿瘤方法相比，纳米磁性材料治疗肿瘤更显其优越性： 第一，纳米磁性材料有表面效应和小尺寸效应，在人体耐受的交变磁场强度和频率下，能量吸收率远远高于相应的体材料，升温效果更加显著； 第二，由纳米磁性粒子制成的粒径均一的磁流体被肿瘤细胞摄入，均匀分散在肿瘤中，通过外加交变磁场可实现对肿瘤均匀加热——细胞内过热，以此彻底有效地杀灭肿瘤细胞，克服了其他热疗方法热效率低、热分布不均易出现冷点等问题； 第三，纳米磁性粒子被肿瘤细胞摄入后，均匀分散，并且还可以随着细胞分裂进入子细胞，同样有杀伤作用；第四，纳米磁性粒子易于表面修饰，修饰后肿瘤细胞对其摄入量明显增加，从而增强纳米磁性粒子的肿瘤靶向性，通过靶向、磁定位及适时给药，使临床治疗更加精确有效。 2 磁热法治疗肿瘤用纳米磁性材料的种类与应用 纳米磁性材料不仅具有靶向性，并且在相同磁场下，相同质量及成分的子域(小于100nm)超顺磁粒产生的热量比较大的多域铁粒(大于100nm)大1000倍以上。目前研究大多数采用Fe。04和 Fe 03为磁性材料，根据纳米磁性颗粒不同的组成形式，可将其分为生物相容性水基磁流体、纳米磁性高分子微球及纳米磁性脂质体3种。在上述3种材料中，纳米磁性高分子微球由于粒径较大及外壳的生物相容性不够理想、磁性脂质体稳定性较差等原因使其很难应用到临床中。水基磁流体作为磁热疗材料具有热效应显著、生物相容性和分散性好等特点，引起了研究者的广泛关注，因此水基磁流体热疗成为磁热疗较为重要的一个研究方向。 2．1 水基磁流体 磁流体即铁磁流体，由磁性粒子、表面活性剂和载液组成。治疗肿瘤用的磁流体其载液是水，磁性粒子主要是纳米Fe304或7_Fe 03，其粒径通常在15nm以下，属于单畴磁性粒子，具有超顺磁性。磁流体既具有固体磁性材料的磁性，又能像液体一样流动，其流动可由外加磁场定向定位，即具有靶向性。由于磁流体中磁性粒子粒径小，易团聚，因此如何解决团聚问题，制备单分散性好、粒径均一、产热率高的磁流体是目前研究的热点。 水基磁流体的制备方法主要有化学共沉淀法、水热法、水解法、超声波法等。化学共沉淀法制备磁性液体省时、效率高、设备简单，是目前使用最普遍的方法。 共沉淀法反应原理为：OHOFeOHFeFe24332482 其具体制备方法为：将Fe2+ 的铁盐和Fe3+件的铁盐以1：2的摩尔比混合，在一定温度和pH值下加入NH40H或NaOH，高速搅拌进行反应沉淀，然后将其沉淀 洗涤、过滤、烘干，即可得到纳米Fe304粒子。将干燥的Fe304粒子超声分散于水溶液中，加入表面活性剂，即可得到水基磁流体。Kholmetskii研究出一种新的制备磁流体的方法，在共沉淀时加入油酸钠和盐酸，即生成油酸，从而制备出粒径均一、分散性良好、平均粒径为4．3nm的Fe304磁流体。姜继森等利用特殊有机添加剂及无机盐在7-Fe2O3晶体形成过程中的作用，以三价铁盐为原料，不需经过氧化还原过程，在较低温度下直接制备出长径比为6的棒状7-Fe203纳米粒子及粒径为20nm的立方形7-Fe203纳米粒子，此法工艺过程简单、粒径形状易于控制。王煦漫等在超声波作用下采用沉淀氧化法制备的磁流体稳定性好，且具有优良的交变磁场发热效果，还不会对人体产生毒副作用。理论研究发现，产热量最高的纳米磁性粒子的最佳粒径为11～13nm。Hosono等用改进后的氧化法制备出单分散性好、粒径为11~20nm的磁性纳米粒子，研究发现，当粒径分布窄、大小为13nm时，磁热效应最好，并且随着平均粒径的增大，磁热效应逐渐降低。1979年，Gordon等_19]首次制备了粒径为6nm的葡聚糖修饰的Fe304磁流体，并将其应用到鼠乳腺肿瘤治疗的研究中，研究发现，此磁流体可集中分布于肿瘤细胞内部。1997年，Jor—dan将磁流体注入C3H大鼠乳腺癌移植肿瘤内，经交变磁场局部照射，磁性微粒吸收能量后升温至47℃ ，肿瘤得到有效控制；研究还发现肿瘤细胞吸收纳米磁性微粒的能力是正常细胞的8～400倍。1999年，Jordan等证明人体恶性神经胶质瘤细胞株RuSi—RS1比人皮质神经元细胞HCN22更易吸收氨基硅烷纳米Fes 04，两者之间的比例可达10：1。2000年，Hilger等在癌区内注射磁粒，外加磁场，在2～5mln癌区就达到58℃ 的高温，取得了磁靶向热消融的目的。2001年，Jordan等研制出一套新的磁流体治疗肿瘤用交变磁场的磁热疗系统，并将其应用到临床研究中，同时研究结果表明，一种新的氨基硅烷磁流体能被前列腺癌 细胞内吞，不能被正常前列腺细胞、内皮细胞和纤维原细胞内吞，但在体内可以被巨噬细胞内吞，靶向性不理想。2002年，Yong Zhang等制备出叶酸及PEG修饰的超顺磁性纳米颗粒，研究发现，经叶酸及PEG修饰的磁性纳米颗粒更易进入人体乳腺癌细胞，利于肿瘤的诊断和治疗。2004年，Gupta等研究发现经过PEG及叶酸修饰的超顺磁性纳米颗粒可以避免蛋白质吸附及被巨噬细胞吞噬，更有利于靶向性进入癌细胞和肿瘤的治疗。2007年，Johannsen等调查用超顺磁性纳米粒子治愈的前列腺癌病人的发病率和生活质量，结果表明，磁热疗用纳米磁性材料是可行的，具有良好的耐受性，且没有毒副作用。国内磁流体热疔也是一个研究热点，目前研究的主要有上海交通大学、东南大学、南京大学等。但由于起步较晚，目前主要研究磁流体表面改性、磁热效应等，也已进入体外和动物实验阶段。马明等制备了粒径为7．5nm的Fe304纳米粒子，将其送入癌细胞中，结果表明，Fe304纳米粒子可以逐渐被癌细胞摄入，在癌细胞内达到一定的浓度范围。马勇杰等的研究表明，在同一细胞培养的条件下，肺癌细胞SPC-AI明显地比正常胚肺细胞WI-38更易吞噬氨基硅烷纳米磁性粒子，且前6h内未观察到纳米Fe304进入正常细胞。鄢祝兵等在体外观察人肺腺癌细胞(SPC-AI)对谷胱甘肽(GSSG)修饰的纳米Fes 04的内吞作用及与培养温度、时间及浓度的关系，结果表明，SPC-AI细胞对GSSG修饰的纳米Fe304的内吞量依赖于浓度及培养时间。 2．2 磁性脂质体 磁性脂质体是指内含有磁性颗粒(如F304或r-F2O3)的脂质体囊泡的悬浊液。外层由磷脂双分子层包覆，不仅具有磁性，且生物相容性好。纳米磁性脂质体中的磁性粒子在交变磁场作用下携带多种化疗药物选择到达肿瘤靶区，实现靶向给药，并且可强烈吸收能量而升温，抑制肿瘤细胞生长，甚至使肿瘤消失。1996 年，Shinkai等发现含FeB04的磁性阳离子脂质体对带负电的小鼠脑胶质瘤细胞的亲和性比不带电荷的磁性脂质体提高了1O倍。2002年，Shinkai等将带正电荷的磁性脂质体(Magnetic cationatic liposomes，MCLs)注入小鼠腿部的肿瘤中，用8MHz的射频加热，注射MCLs的小鼠肿瘤部位的温度上升到43℃ 以上，而未注射MCLs的小鼠肿瘤的温度只有41℃ ，并且注射MCLs组比未注射MCLs组肿瘤有更广泛的坏死。2003年，Pankhurst等首先在老鼠骨肉瘤部位植入1块永久磁铁，然后通过磁性阿霉素脂质体释放细胞毒素药物治疗肿瘤，结果表明，骨肉瘤部位的药物浓度是非磁控区药物浓度的4倍，而且药物的抗肿瘤活性也大大提高。 2．3 磁性高分子微球 磁性高分子微球是指内部含有磁性金属或金属氧化物(如铁、钴、镍及其氧化物)的超细粉末而具有磁响应性的高分子微球。高分子材料主要有：白蛋白、乳胶、明胶、聚乙二醇、中性葡聚糖等。其中自蛋白具有化学性能稳定、无毒、无抗原性等特性，是一种较理想的微球载体材料。 磁性高分子微球具有高分子微球的特性和磁响应性，根据不同的应用形式，可分为3种结构形式：(1)核一壳结构，磁性材料为核，高分子材料为壳层；(2)壳一核结构，高分子材料为核，外面由磁性材料包裹；(3)壳一核一壳结构，中间层为磁性材料，内外都被高分子材料包裹。第一种结构形式以磁性材料为核，可以在高分子外层连接所需携带的药物、抗体等，是目前研究较多的一种结构。1978年，Widderr 首次采用白蛋白作为载体材料，制备了阿霉素白蛋白磁性微球，并将阿霉素白蛋白磁性微球应用于大鼠进行毒理性实验和靶向性研究。研究表明，这种微球无明显的毒副作用并具有良好的靶向性，并且小鼠靶部位阿霉素的含量明显高于非靶部位。2003年，Wilhelm等研究了阴离子纳米Fe2O3粒子与细胞