纳米磁性材料在医药中的应用
姓名：周逸红 学号：6003109083 班级：水电092 摘要：磁性纳米生物材料因其独特的性能而具有广泛的应用价值, 尤其在肿瘤治疗, 细胞及生物分子的分离纯化, 临床诊断和组织工程领域, 给人类疾病的治疗带来了新的契机和希望。本文从靶向药物载体技术, 肿瘤治疗， 细胞分离技术, 免疫分析, 酶的吸附与固定作用和基因治疗几个方面简要分析磁性纳米材料在生物医学领域的应用及其发展过程中有待解决的问题。
关键词：磁性纳米材料; 生物医学; 纳米生物技术；磁性载体肿瘤应用 引言
纳米科学技术是20 世纪80 年代发展起来的一门多学科交叉融合的技术科学,其最终目标是直接以原子、分子及物质在纳米尺度上表现出来的新颖的物理、化学和生物学特性来制造具有特定功能的产品。
磁性纳米粒子由于具有小尺寸效应、磁导向性能、低毒性、生物相溶性、可注射性等, 越来越受到生物医学工作者的肯定和关注。近十几年来, 科学工作者对磁性纳米粒子进行各种化学的、物理的、生物的表面修饰, 制备出各种各样的不同用途的具生物活性功能基团的纳米磁粒, 极大地拓宽了纳米磁粒在医学上的应用范围。本文拟就纳米磁粒在医学研究领域的主要进展概述如下。
1磁性纳米粒子在肿瘤治疗中的应用 1.1 磁性纳米材料作为载药系统的类型
目前常见的纳米载药系统的类型【1】：1.微乳 2.生物可降解纳米粒3.脂质体4.固体脂质纳米粒5.磁性纳米粒6.基因转导纳米粒。其中磁性纳米粒是一种广泛应用于癌症治疗及诊断的磁性材料，医用磁 性纳米载体主要由铁微粒和其他活性成分构成的纳米微球【2】，其粒子本身具有生物相容性，并可在体内完全代谢。这些纳米微球具有较强的药物承载能力，抗癌 药物以及抗体、活性蛋白和小分子多肽等物质通过一定的物理吸附或化学键与其相连并配合载液形成磁靶向载体系统。
1.2 磁性纳米材料介导靶向化学药物治疗
传统化学治疗的最大弊端就是其相对非特异性，服用的治疗药物广泛分布到全身各个系统结果导致 了显著的副作用：药物不仅攻击肿瘤细胞而且也攻击正常的组织细胞【3-4】。这些副作用导致长时间服用此类药物的困难，但如果这些药物的作用位点能够被定 位，那么此类药物在人体的长期应用将变得可能。 目前认为渗漏、组织结构缺陷和淋巴系统受损是肿瘤组织快速的血管化的主要原因，但这些原因同 样是使肿瘤具有了上皮通透与重吸收特性（EPR effect）【5】，这一特点导致了磁性纳米材料在肿瘤部位的浓集。经过表面修饰使其逃避RES吞噬作用成了研究的重点，研究表明纳米材料粒径小于 100 nm并且表面被亲水性基团修饰是避免被RES清除的有效途径，有实验证明经过PEG、帕洛沙敏、环糊精修饰过的纳米粒能明显单核巨噬细胞系统（MPS）的 吞噬作用，研究表明由于这些表面修饰的存在，改变的纳米载体表面构型和电荷分布，导致调理蛋白不易附着，从而减低了MPS的吞噬作用。而与亲水基团共价交 联两性分子如聚乙酸内酯，聚乳酸等这样可以避免团聚效应与血细胞受体结合【6】。 最近Pankhurst 等【7】首先在老鼠骨肉瘤 (osteosarcoma)部位植入一块永久磁铁 , 然后通过磁性阿霉素脂质体释放细胞毒素药物 ( cytotoxicdrugs) 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。
1.3 肿瘤的热疗
肿瘤热疗是肿瘤治疗技术中的一个非常重要的方法。磁粒用于肿瘤热疗(磁致热疗)治疗癌症是因 为磁粒在磁场的引导下, 可靶向病变部位, 同时在交变磁场的作用下,磁滞后效应(magnetic hysteresiseffects) 而产生热量将富有磁粒的肿瘤部位加热到43～48℃之间, 选择性杀死癌细胞同时又不伤害正常细胞。该方面有所进展的例子是A.Jordan 博士领导的研究团队发现用糖衣包裹氧化铁粒子伪装后, 可以成功逃过人体免疫细胞的攻击而安然进入肿瘤组织内, 加上交换磁场, 在维持治疗部位45～47℃的温度下, 氧化铁粒子便可杀死肿瘤细胞, 临近的健康组织却不受到明显影响。Kouji Tanaka[1]结合细胞免疫技术采用磁性阳离子脂质体对小鼠的瘤灶进行热疗, 能使小鼠75%的瘤块消退。ManfredJohannsen 等[2]把磁流体热疗与放疗结合起来对移植性前列腺癌的哥本哈根Copenhagen 老鼠模型进行实验, 发现在第一个疗程, 热疗温度可达到42.7℃～58.7℃两个疗程后, 与对照组比较, 抑制肿瘤增生87.5%～89.2%。颜士岩等【8】采用Fe2O3 纳米磁流体对荷瘤鼠热疗, 实验显示纳米磁流体【9】热疗对肝癌的体积和质量有明显的抑制作用。
1.4肿瘤的基因治疗
近年来, 肿瘤基因治疗因其具有特异性、安全性、有效性的特点而受到越来越多的关注, 而且许多临床研究取得了满意的效果。建立有效靶向细胞转移目的基因的载体系统是基因治疗研究必不可少的一个重要方面。目前临床试验中所用的载体一般有两 类: 病毒载体和非病毒载体。非病毒载体较病毒载体更为安全而成为较佳的选择。肿瘤基因治疗中用到的非病毒载体主要分为: 脂质体/脂质复合物、阳离子多聚物、磁性纳米粒子等。Norio Morishita[8]报道把经表面修饰的磁性纳米粒与日本血凝病毒壳蛋白( hemagglutinating virus of Japanenvelope, HVJ-E) 结合, 可提高其转染质粒DNA, 蛋白质、核苷酸入细胞的转染效率。向娟娟等[9]探讨了氧化铁纳米颗粒(IONP)作为体外基因载体的可行性及其外加磁场对于其转染效率的影响。IONP 可将外源基因转染至多个细胞系并高效表达。不同细胞系的转染效率和时间各不相同。外加磁场可使转染效率提高5～10 倍。 1.5 肿瘤的化疗
肿瘤化疗也是肿瘤治疗技术中的一个重要方面。但因大数多肿瘤药物具有很大的毒副作用, 且存在明显的疗效一剂量依赖关系。因此, 为提高局部的药物浓度, 减少全身毒性反应, 人们开始考虑磁靶向给药途径。摄载药物的磁纳米载体在外加磁场的作用下定向于特定部位, 再把药物释放出来。这就改变了药物在肿瘤组织与非肿瘤组织的分布, 使体内蓄积毒性降低, 使治疗部位的药物浓度明显提高, 更大的发挥化疗药物杀伤癌细胞的作用。ChristophAlexioud 等【10】通过实验发现米托蒽醌磁性纳米粒子靶向到兔子体内的病变部位后, 所释 放的药物分子浓度远远大于常规治疗方案的药物浓度。龚连生等【11】把磁性阿霉素白蛋白纳米粒注射入移植性肝癌模型的大鼠肝动脉, 并在肝肿瘤区外加磁场,实验结果显示大片肿瘤组织坏死, 说明磁性阿霉素白蛋白纳米粒具有强大的抗肿瘤作用。
2.细胞分离和免疫分析
细胞分离是生物细胞学研究中一种十分重要的技术,高效的细胞分离在临床中是首要的、重要的步 骤。这种细胞分离技术在医疗临床诊断上有广范的应用, 例如治疗癌症需在辐射治疗前将骨髓抽出, 且要将癌细胞从骨髓液中分离出来。传统的细胞分离技术主要采用离心法,利用密度梯度原理进行分离,时间长、效果差。随着合成磁性粒子的发展, 免疫磁性粒子在分离细胞方面已经获得了快速的发展经动物临床试验已获成功。其中最重要的是选择一种生物活性剂或者其他配体活性物质(如抗体、荧光物质、外 源凝结素等) ,根据细胞表面糖链的差异,使其仅对特定细胞有亲和力,从而达到分离、分类以及对其种类、数量分布进行研究的目的。磁性粒子用于细胞分离需要考虑以下几个 因素: 不与非特定细胞结合、具有灵敏的磁响应性、在细胞分离介质中不凝结。
免疫分析在现代生物分析技术中是一种重要的方法,它对蛋白质、抗原、抗体及细胞的定量分析发 挥着巨大的作用。在免疫检测中,经常利用一些具有特殊物理化学性质的标记物如放射性同位素、酶、胶体金和有机荧光染料分子等对抗体(或抗原)进行偶联标 记,在抗体与抗原识别后, 通过对标记物的定性和定量检测而达到对抗原(或抗体) 检测的目的。由于磁性纳米颗粒性能稳定,较易制备, 可与多种分子复合使粒子表面功能化, 如果磁性颗粒表面引接具有生物活性的专一性抗体, 在外加磁场的作用下,利用抗体和细胞的特异性结合,就可以得到免疫磁性颗粒, 利用它们可快速有效地将细胞分离或进行免疫分析,具有特异性高、分离快、重现性好等特点, 同时磁性纳米颗粒具有超顺磁性,为样品的分离、富集和提纯提供了很大方便, 因而磁性纳米颗粒在细胞分离和免疫检测方面受到了广泛关注。
3 磁性纳米颗粒对蛋白酶的吸附及固定化
生物高分子例如酶等都具有很多官能团, 可以通过物理吸附、交联、共价偶合等方式将他们固定在磁性颗粒的表面。用磁性纳米颗粒固定化酶的优点是:易于将酶与底物和产物分离;可提高酶的生物相容性和免疫活性;能提高酶的稳定性,且操作简单、成本较低。
制备吸附蛋白酶的磁性高分子颗粒的过程可以概括为:制备磁流体, 在对磁流体中的磁性纳米颗粒用大分子包覆或联结, 所形成的磁性高分子载体可用作亲和吸附的磁性亲和载体。作为酶的固定化载体,磁性高分子颗粒有利于固定化酶从反应体系中分离和回收, 还可以利用外部磁场控制磁性材料固定化酶的运动和方向, 从而代替传统的机械搅拌方式, 提高固定化酶的催化效率。磁性高分子颗粒作为酶的固定化载体还具有以下优点:固定化酶可重复使用,降低成本;可以提高酶的稳定性,改善酶的生物相容性、免 疫活性、亲疏水性;分离及回收酶的操作简单,适合大规模连续化操作。
4 结束语
Bosher 认为RNAi 将是未来十年生物学研究中最激动人心最有可能产生丰富成果的领域之一。尤其是对细胞中基因功能的分析和基因特异性的治疗方面的突出优势, 在未来的发展中将具有更加广阔的发展前景。由于能够快速而简单地制备某个功能缺失表型, 使得更多的研究人员投身于RNAi 的研究之中。尽管目前对这项功能强大的技术已经有深入的了解, 但是几乎每天都有新的结果不断涌现, 可以毫不夸张地说, RNAi 正在功能基因组学领域掀起一场真正的革命。 磁性纳米材料在生物医学领域已表现出独特的优势,具有潜在的应用前景。随着高分子材料学、电磁学、医学、生物工程学的进一步发展,必将加速推动对磁性纳米材料的基础研究和在生物医学领域应用研究工作, 使之进入一个新的发展阶段。
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