磁熱法治療腫瘤.doc

磁熱法治療腫瘤用納米磁性材料的研究進(jìn)展腫瘤熱療是利用物理方法加熱癌變組織，使癌變組織升溫，達(dá)到殺滅癌細(xì)胞的特定溫度以消除惡性腫瘤的一種治療手段。腫瘤熱療法由來已久，但由于早期設(shè)備和技術(shù)所限，加之2O世紀(jì)以手術(shù)、放療、化療相結(jié)合為主的腫瘤治療手段的形成，使得熱療的發(fā)展幾乎停滯不前。1957年，Gilchrist等首次提出磁靶向熱療的概念，推動了腫瘤熱療向著精確定位的方向發(fā)展。磁熱法治療腫瘤是將磁性粒子注入或植入腫瘤病灶區(qū)，外加交變磁場，由于磁熱效應(yīng)使病灶區(qū)吸熱升溫至4347 ，從而殺死腫瘤細(xì)胞。該技術(shù)具有靶向性、給藥方式簡單、可減少用藥量、毒副作用小、易與其它方法相結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，是目前熱療法治療腫瘤的較佳途徑。德國、美國、日本和我國對磁熱法治療腫瘤都進(jìn)行了比較系統(tǒng)全面的研究，特別是德國和美國的研究都已進(jìn)入l臨床研究階段，并已治愈了一部分乳腺癌、前列腺癌、腦瘤等腫瘤病人，顯示出良好的發(fā)展前景。近年來，隨著納米技術(shù)的突飛猛進(jìn)，納米磁性材料應(yīng)用于腫瘤熱療能克服目前加熱技術(shù)的不足，已成為材料與生物醫(yī)學(xué)的研究熱點(diǎn)。磁熱法治療腫瘤用納米材料的應(yīng)用開發(fā)、藥物載體技術(shù)、生物相容性和毒理性是該領(lǐng)域研究的關(guān)鍵問題。1 磁熱法基本原理與特點(diǎn)磁性材料在外加交變磁場中，由于渦流損耗、磁滯、磁矢量旋轉(zhuǎn)和顆粒本身的物理旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的熱量稱之為磁熱。磁熱法是應(yīng)用磁熱效應(yīng)治療腫瘤的一種物理方法，即將磁性材料注入腫瘤病灶中，在交變磁場的作用下將吸收的磁能轉(zhuǎn)換為熱能，使癌變組織升溫到43以上，并保持一段時間，使腫瘤細(xì)胞紅腫、壞死，從而消除腫瘤。將磁場能轉(zhuǎn)換成熱能主要取決于磁場和磁性粒子的性質(zhì)，其典型特征量是產(chǎn)熱率(Specific power adsorption，SAR)，即單位質(zhì)量將其他能量轉(zhuǎn)換成熱能的量，單位以wg計(jì)。磁性材料的SAR越高，其熱效應(yīng)越強(qiáng)。當(dāng)今研究者追求的是采用少量材料產(chǎn)生高熱量，而納米7-Fe03或Fes 04就能滿足這些要求，并且磁熱材料只吸收熱量，不會對人和環(huán)境產(chǎn)生任何污染，是一種治療腫瘤的綠色療法，因此納米T-Fe03或Fe304用于熱療治療腫瘤備受關(guān)注。美國的幾個研究小組早在2O世紀(jì)6O年代就提出了應(yīng)用磁性微球在交變磁場中加熱治療腫瘤，但由于微米級的磁性材料吸熱能力差、所需磁場功率大以及產(chǎn)熱控制和測溫技術(shù)的限制，使其臨床應(yīng)用受阻。直到2O世紀(jì)8O年代，納米技術(shù)的迅猛發(fā)展給磁熱法技術(shù)帶來了新的曙光。與以往通過手術(shù)植入鐵磁熱籽治療腫瘤方法相比，納米磁性材料治療腫瘤更顯其優(yōu)越性：第一，納米磁性材料有表面效應(yīng)和小尺寸效應(yīng)，在人體耐受的交變磁場強(qiáng)度和頻率下，能量吸收率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于相應(yīng)的體材料，升溫效果更加顯著；第二，由納米磁性粒子制成的粒徑均一的磁流體被腫瘤細(xì)胞攝入，均勻分散在腫瘤中，通過外加交變磁場可實(shí)現(xiàn)對腫瘤均勻加熱細(xì)胞內(nèi)過熱，以此徹底有效地殺滅腫瘤細(xì)胞，克服了其他熱療方法熱效率低、熱分布不均易出現(xiàn)冷點(diǎn)等問題；第三，納米磁性粒子被腫瘤細(xì)胞攝入后，均勻分散，并且還可以隨著細(xì)胞分裂進(jìn)入子細(xì)胞，同樣有殺傷作用；第四，納米磁性粒子易于表面修飾，修飾后腫瘤細(xì)胞對其攝入量明顯增加，從而增強(qiáng)納米磁性粒子的腫瘤靶向性，通過靶向、磁定位及適時給藥，使臨床治療更加精確有效。2 磁熱法治療腫瘤用納米磁性材料的種類與應(yīng)用納米磁性材料不僅具有靶向性，并且在相同磁場下，相同質(zhì)量及成分的子域(小于100nm)超順磁粒產(chǎn)生的熱量比較大的多域鐵粒(大于100nm)大1000倍以上。目前研究大多數(shù)采用Fe。04和 Fe 03為磁性材料，根據(jù)納米磁性顆粒不同的組成形式，可將其分為生物相容性水基磁流體、納米磁性高分子微球及納米磁性脂質(zhì)體3種。在上述3種材料中，納米磁性高分子微球由于粒徑較大及外殼的生物相容性不夠理想、磁性脂質(zhì)體穩(wěn)定性較差等原因使其很難應(yīng)用到臨床中。水基磁流體作為磁熱療材料具有熱效應(yīng)顯著、生物相容性和分散性好等特點(diǎn)，引起了研究者的廣泛關(guān)注，因此水基磁流體熱療成為磁熱療較為重要的一個研究方向。21 水基磁流體磁流體即鐵磁流體，由磁性粒子、表面活性劑和載液組成。治療腫瘤用的磁流體其載液是水，磁性粒子主要是納米Fe304或7_Fe 03，其粒徑通常在15nm以下，屬于單疇磁性粒子，具有超順磁性。磁流體既具有固體磁性材料的磁性，又能像液體一樣流動，其流動可由外加磁場定向定位，即具有靶向性。由于磁流體中磁性粒子粒徑小，易團(tuán)聚，因此如何解決團(tuán)聚問題，制備單分散性好、粒徑均一、產(chǎn)熱率高的磁流體是目前研究的熱點(diǎn)。水基磁流體的制備方法主要有化學(xué)共沉淀法、水熱法、水解法、超聲波法等。化學(xué)共沉淀法制備磁性液體省時、效率高、設(shè)備簡單，是目前使用最普遍的方法。 共沉淀法反應(yīng)原理為：其具體制備方法為：將Fe2+ 的鐵鹽和Fe3+件的鐵鹽以1：2的摩爾比混合，在一定溫度和pH值下加入NH40H或NaOH，高速攪拌進(jìn)行反應(yīng)沉淀，然后將其沉淀洗滌、過濾、烘干，即可得到納米Fe304粒子。將干燥的Fe304粒子超聲分散于水溶液中，加入表面活性劑，即可得到水基磁流體。Kholmetskii研究出一種新的制備磁流體的方法，在共沉淀時加入油酸鈉和鹽酸，即生成油酸，從而制備出粒徑均一、分散性良好、平均粒徑為43nm的Fe304磁流體。姜繼森等利用特殊有機(jī)添加劑及無機(jī)鹽在7-Fe2O3晶體形成過程中的作用，以三價鐵鹽為原料，不需經(jīng)過氧化還原過程，在較低溫度下直接制備出長徑比為6的棒狀7-Fe203納米粒子及粒徑為20nm的立方形7-Fe203納米粒子，此法工藝過程簡單、粒徑形狀易于控制。王煦漫等在超聲波作用下采用沉淀氧化法制備的磁流體穩(wěn)定性好，且具有優(yōu)良的交變磁場發(fā)熱效果，還不會對人體產(chǎn)生毒副作用。理論研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)熱量最高的納米磁性粒子的最佳粒徑為1113nm。Hosono等用改進(jìn)后的氧化法制備出單分散性好、粒徑為1120nm的磁性納米粒子，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粒徑分布窄、大小為13nm時，磁熱效應(yīng)最好，并且隨著平均粒徑的增大，磁熱效應(yīng)逐漸降低。1979年，Gordon等_19首次制備了粒徑為6nm的葡聚糖修飾的Fe304磁流體，并將其應(yīng)用到鼠乳腺腫瘤治療的研究中，研究發(fā)現(xiàn)，此磁流體可集中分布于腫瘤細(xì)胞內(nèi)部。1997年，Jordan將磁流體注入C3H大鼠乳腺癌移植腫瘤內(nèi)，經(jīng)交變磁場局部照射，磁性微粒吸收能量后升溫至47 ，腫瘤得到有效控制；研究還發(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞吸收納米磁性微粒的能力是正常細(xì)胞的8400倍。1999年，Jordan等證明人體惡性神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞株RuSiRS1比人皮質(zhì)神經(jīng)元細(xì)胞HCN22更易吸收氨基硅烷納米Fes 04，兩者之間的比例可達(dá)10：1。2000年，Hilger等在癌區(qū)內(nèi)注射磁粒，外加磁場，在25mln癌區(qū)就達(dá)到58 的高溫，取得了磁靶向熱消融的目的。2001年，Jordan等研制出一套新的磁流體治療腫瘤用交變磁場的磁熱療系統(tǒng)，并將其應(yīng)用到臨床研究中，同時研究結(jié)果表明，一種新的氨基硅烷磁流體能被前列腺癌細(xì)胞內(nèi)吞，不能被正常前列腺細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和纖維原細(xì)胞內(nèi)吞，但在體內(nèi)可以被巨噬細(xì)胞內(nèi)吞，靶向性不理想。2002年，Yong Zhang等制備出葉酸及PEG修飾的超順磁性納米顆粒，研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)葉酸及PEG修飾的磁性納米顆粒更易進(jìn)入人體乳腺癌細(xì)胞，利于腫瘤的診斷和治療。2004年，Gupta等研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過PEG及葉酸修飾的超順磁性納米顆?？梢员苊獾鞍踪|(zhì)吸附及被巨噬細(xì)胞吞噬，更有利于靶向性進(jìn)入癌細(xì)胞和腫瘤的治療。2007年，Johannsen等調(diào)查用超順磁性納米粒子治愈的前列腺癌病人的發(fā)病率和生活質(zhì)量，結(jié)果表明，磁熱療用納米磁性材料是可行的，具有良好的耐受性，且沒有毒副作用。國內(nèi)磁流體熱疔也是一個研究熱點(diǎn)，目前研究的主要有上海交通大學(xué)、東南大學(xué)、南京大學(xué)等。但由于起步較晚，目前主要研究磁流體表面改性、磁熱效應(yīng)等，也已進(jìn)入體外和動物實(shí)驗(yàn)階段。馬明等制備了粒徑為75nm的Fe304納米粒子，將其送入癌細(xì)胞中，結(jié)果表明，F(xiàn)e304納米粒子可以逐漸被癌細(xì)胞攝入，在癌細(xì)胞內(nèi)達(dá)到一定的濃度范圍。馬勇杰等的研究表明，在同一細(xì)胞培養(yǎng)的條件下，肺癌細(xì)胞SPC-AI明顯地比正常胚肺細(xì)胞WI-38更易吞噬氨基硅烷納米磁性粒子，且前6h內(nèi)未觀察到納米Fe304進(jìn)入正常細(xì)胞。鄢祝兵等在體外觀察人肺腺癌細(xì)胞(SPC-AI)對谷胱甘肽(GSSG)修飾的納米Fes 04的內(nèi)吞作用及與培養(yǎng)溫度、時間及濃度的關(guān)系，結(jié)果表明，SPC-AI細(xì)胞對GSSG修飾的納米Fe304的內(nèi)吞量依賴于濃度及培養(yǎng)時間。22 磁性脂質(zhì)體磁性脂質(zhì)體是指內(nèi)含有磁性顆粒(如F304或r-F2O3)的脂質(zhì)體囊泡的懸濁液。外層由磷脂雙分子層包覆，不僅具有磁性，且生物相容性好。納米磁性脂質(zhì)體中的磁性粒子在交變磁場作用下攜帶多種化療藥物選擇到達(dá)腫瘤靶區(qū)，實(shí)現(xiàn)靶向給藥，并且可強(qiáng)烈吸收能量而升溫，抑制腫瘤細(xì)胞生長，甚至使腫瘤消失。1996年，Shinkai等發(fā)現(xiàn)含F(xiàn)eB04的磁性陽離子脂質(zhì)體對帶負(fù)電的小鼠腦膠質(zhì)瘤細(xì)胞的親和性比不帶電荷的磁性脂質(zhì)體提高了1O倍。2002年，Shinkai等將帶正電荷的磁性脂質(zhì)體(Magnetic cationatic liposomes，MCLs)注入小鼠腿部的腫瘤中，用8MHz的射頻加熱，注射MCLs的小鼠腫瘤部位的溫度上升到43 以上，而未注射MCLs的小鼠腫瘤的溫度只有41 ，并且注射MCLs組比未注射MCLs組腫瘤有更廣泛的壞死。2003年，Pankhurst等首先在老鼠骨肉瘤部位植入1塊永久磁鐵，然后通過磁性阿霉素脂質(zhì)體釋放細(xì)胞毒素藥物治療腫瘤，結(jié)果表明，骨肉瘤部位的藥物濃度是非磁控區(qū)藥物濃度的4倍，而且藥物的抗腫瘤活性也大大提高。23 磁性高分子微球磁性高分子微球是指內(nèi)部含有磁性金屬或金屬氧化物(如鐵、鈷、鎳及其氧化物)的超細(xì)粉末而具有磁響應(yīng)性的高分子微球。高分子材料主要有：白蛋白、乳膠、明膠、聚乙二醇、中性葡聚糖等。其中自蛋白具有化學(xué)性能穩(wěn)定、無毒、無抗原性等特性，是一種較理想的微球載體材料。磁性高分子微球具有高分子微球的特性和磁響應(yīng)性，根據(jù)不同的應(yīng)用形式，可分為3種結(jié)構(gòu)形式：(1)核一殼結(jié)構(gòu)，磁性材料為核，高分子材料為殼層；(2)殼一核結(jié)構(gòu)，高分子材料為核，外面由磁性材料包裹；(3)殼一核一殼結(jié)構(gòu)，中間層為磁性材料，內(nèi)外都被高分子材料包裹。第一種結(jié)構(gòu)形式以磁性材料為核，可以在高分子外層連接所需攜帶的藥物、抗體等，是目前研究較多的一種結(jié)構(gòu)。1978年，Widderr 首次采用白蛋白作為載體材料，制備了阿霉素白蛋白磁性微球，并將阿霉素白蛋白磁性微球應(yīng)用于大鼠進(jìn)行毒理性實(shí)驗(yàn)和靶向性研究。研究表明，這種微球無明顯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顯高于非靶部位。2003年，Wilhelm等研究了陰離子納米Fe2O3粒子與細(xì)胞的相互作用，結(jié)果表明，裸露的陰離子磁性粒子被細(xì)胞捕獲的效率是葡聚糖包覆的納米顆粒的3倍。用清蛋白包覆納米粒子不僅大大降低了與原生質(zhì)膜的非特異性吸附及細(xì)胞的攝取，并有利于在納米粒子表面連接抗體。3 問題及展望綜上所述，納米磁性材料作為一種安全、高效、經(jīng)濟(jì)的醫(yī)用材料，已在腫瘤研究中表現(xiàn)出廣闊的發(fā)展空間。但仍有很多問題需要懈決，例如：(1)在人體內(nèi)納米磁性粒子的粒徑分布、分散性和穩(wěn)定性；(2)磁性材料的產(chǎn)熱率和靶向性