原创 磁性纳米颗粒在生物医学上的应用

磁性纳米颗粒（magnetic nanoparticles, MNP）在生物医学领域有着广泛的应用范围[1,
2]，从磁共振成像的造影剂到用高热疗法来抑制癌细胞（图1）。大多数这些颇有前景的应用需要在MNP和活细胞间有确定可控的交互作用。最近发展了一种新
的直接涂覆的方法，可以来稳定纳米颗粒的功能。更重要的是，这种稳定功能的方法让我们可以根据所预期的应用来对涂覆层进行特殊可调节的处理，从而保证了它
们与细胞间的交互作用具有更好的可控性，这让我们看到了它们在药学上进一步应用的光明前景。





在生物医学上的应用

磁共振成像（MRI）•在疾病诊断领域的一个众所周知应用是使用MNP来作为造影剂用于磁共振成像MRI，该方式可以更好的区分健康的和病态的组
织，并且可以看到人体内各种不同的生物学上的变异。氧化铁磁性纳米颗粒MNP由于其具有低毒性已获得美国食品与药品管理局批准，被用于磁共振成像MRI信
号的增强。

磁性标记•另一种在诊断上的应用是对细胞、DNA和蛋白质等各种生物体来进行磁标记。一种有趣的应用是用来标记干细胞以对人体内移植干细胞的分
布及其变化情况进行无创伤的监测。此外，MNP与传统的标记方法，如酶、荧光染色、化学发光分子、放射性同位元素等相比，这种很有发展潜力的磁标记表现出
很多方面的优势。比如采用磁标记后的癌细胞可以在单一生物芯片表面进行净化、传送和探测，便于在实施芯片上实验室lab-on-a-chip时创建一个简
单、高性价比的癌细胞筛选和显示功能。



可控药物释放•MNP除了小尺寸和对人体的低毒性之外，所具备的另一个优势是可以在外磁场梯度的作用下运动，从而可渗透进人体组织的深处。通过这
种方式，就可以将药品可控地传送至人体的目标区域。实现这种应用的方法是将药物放入不具生物排斥性的MNP载体内，将这种铁磁流体注射到人体的血液中，然
后施加一个外磁场来使药物/载体的联合体能汇集到目标点上。作为一个实例，在癌症治疗中在使用细胞毒素药物时可使用这种方法。

高温疗法•另一种令人感兴趣的疗法是基于MNP能在随时间变化的磁场中被加热的性质。它的这种特性可用来“烧掉”癌细胞（高温疗法），它通常与
化疗配合使用。我们知道，当癌细胞的温度超过41℃时，与常态相比它们对温度更为敏感。这些应用都展现了靶目标治疗方法的美好前景，它使我们可以只破坏所
需要摧毁的目标，而不会对周围健康的组织产生损伤。

细胞隔离•最后，外磁场与MNP间的吸引作用可用来分离很多种类的生物体。比如说分离血液样品中的癌细胞或骨髓中的干细胞来改进诊断以及去除人
体内的毒素。此外，MNP在生物性能激活后可通过endocytotic途径来产生细胞摄取，从而可以来确定特定的细胞区室。一旦产生摄取，则所设定的细
胞体区室可以用磁场来进行隔离，以采用类蛋白体分析方法来进行精确的研究。

挑战

将以上讨论的这些在生物医学应用变为现实还存在两个方面的主要挑战：1）一个良好的用于制造直径小于20nm的单体分散性MNP的化学合成路线。
2）一个进行纳米颗粒表面功能化处理的良好方法[2]。后者决定了MNP在与活体细胞所发生可控交互作用的能力（图2）。这种交互行为的实现主要是将一层
生物配合基涂覆在纳米颗粒的表面，以在细胞表面形成某些特定的受体（即受体－媒介间的交互作用）。然而在某些情况下，细胞表面的化学功能也可能具有“亲和
性”（即非特定交互作用）。一旦与细胞表面碰触，纳米颗粒会滞留在细胞表面，或者会触发一种细胞“摄取”机制，此时纳米颗粒会被细胞膜吞没并进入细胞体内
（图2）。



MNP生产

在生物医学中所应用磁纳米颗粒必须具有均匀的大小并具备良好的单体分散性，这样才能使每个单独的纳米颗粒具有几乎相同的物理、化学性质[2]。大
多数单体分散MNP合成的一般原理是先在较快的时间内形成晶核，然后在已存在的晶核上进行较为缓慢的颗粒生长过程。在这种MNP的合成过程中所遇到的主要
困难是如何保持其在溶液中的稳定性，即不能产生任何的纳米颗粒凝聚现象。像所有的纳米颗粒一样，在MNP中经常可以观测到凝聚现象，这是由于纳米颗粒具有
极大的表面积－体积比以及它们具有很大的表面能。而且MNP在没有进行适当的稳定化处理时，它们之间还会发生磁的相互作用。

为了解决纳米颗粒的凝聚问题，必须产生一个很强的排斥力来中和由于磁引起的或其他与表面相关的吸引力。这种排斥力可以通过静电作用或原子空间位
置间的排斥作用来获得[2]。第一种方法在微粒表面涂覆离子化合物；第二种方法可以形成更为有效的稳定涂覆层，这个涂覆层使用了大分子材料，如高分子聚合
物、或含有碳氢长链的表面活性剂等。

在采用微乳液、共沉淀以及其他以基于水溶性方法的MNP在化学合成中有许多需要注意的问题[1,
3]。这些水溶性方法的缺点是所生成的MNP在尺寸均一性和结晶性方面都比较差，而且经常还可以看到纳米颗粒的凝聚现象。最近，Sun
等公司研发出一种新的、简单的化学合成工序[2-4]，可以合成产生高单体分散性、且具有高度结晶的MNP，其尺寸在3到20纳米之间，并且不会出现任何
纳米颗粒的凝聚迹象。

典型的合成工艺的流程包含有以下工艺：在诸如油酸这样的疏水配合体中采用高温（>220℃）来分解一种含有机铁成分的反应前驱体[2-
3]。上述疏水配合体在纳米颗粒表面形成致密的覆盖层，从而避免了它们之间的凝聚作用。该方法在经其他研究者进一步改进后，已用于包含各种不同材料，如
钴、锰、镍、铂金等MNP的合成[3]。虽然这种热分解方法在产生单体分散性和高结晶度上有着巨大的优势，但缺点也同样十分明显，由于其表面的那层疏水配
合基使得最后生成的纳米颗粒只能溶于无极性的溶剂。因此，要制造出适合于生物医学应用的MNP，疏水配合体涂层需要被既具有疏水性、又具有生物兼容性和功
能性的涂层所取代，只有这样的涂层才能与不同类型的生物体，如细胞、蛋白质、DNA之间产生可控的交互作用。



涂覆MNP

用亲水分子进行配合基的更换可用来替代上述MNP的疏水涂层。配合基交换方法需要向纳米颗粒溶液中添加过量的配合基来替代纳米颗粒表面的原有配合
基。采用这种方法研究小组发现将含有羟酸盐、磷酸盐、以及具有“醇”端的基团的亲水配合基涂覆在铁酸盐MNP表面，会使得纳米微粒变成水溶性。然而，这些
水溶性纳米颗粒的长期稳定性还没有得到进一步的证实，这是由于配合基与MNP间的化学键（非共价键）比较弱。

基于硅烷自组装单分子层技术在生物传感器应用中的经验[5]，IMEC最近设计出一套将硅烷单分子层涂覆在MNP上的流程（通过热分解方法）
[6]。该方法的优点是具有良好的稳定性，具有水溶性和良好分散特性的MNP可以接受多种不同的官能团。这种能力使得调整纳米颗粒的表面功能成为可能，在
各种应用条件下可使之处于最优化状态。

对于硅烷配合基交换的系统性研究总共筛选了九种可商业化的硅烷单分子层，结果显示配合基交换是非常有效的[6]。原有的疏水配合基完全被硅烷自
组装单分子层所替换，形成一个致密有机层，对周围液体中显现出功能端基团end
group。此外，研究还显示这种端基团的出现很大程度上决定了纳米颗粒在水中的分散特性。除了这九种不同的硅烷外，只有氨基、羟基酸和聚乙烯（乙烯基乙
二醇ethylene glycol）功能端基团可以使纳米颗粒在很大的PH范围内具有良好的水溶性（图3）。

在与通常用来稳定MNP性能的其他配合基进行比较后可以看到：它们具有更好的长期稳定性和抗弱酸和碱性环境的能力，之所以有这些特性是由于在纳米颗粒表面的硅烷层具有很强的共价键结构。

上文描述的功能化工艺与Sun公司合成MNP的方法相结合，最后可形成分散性好、水溶性（因而具有生物上的兼容性）的MNP，它可以根据特别的应用需求来方便地调整它的功能特性。



在活体细胞上的应用
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在生物医学上应用如磁共振成像（对比度增强）和癌细胞的高温疗法都需要MNP与人体细胞间的相互作用。由于纳米颗粒与大颗粒相比具有大得多的表面积－单位
体积比，因此纳米颗粒与周围环境有着大得多的接触界面，与周围环境的交互作用在很大程度上取决于纳米颗粒的表面涂覆层。曾经做过一个测试来观察按Sun合
成方法生长的纳米颗粒以及使用IMEC新的涂覆层工艺是否对细胞更具有“亲和力”。该项测试的完成是与比利时在Leuven的U.医院紧密合作下进行的。



采用了三种可以承受不同电荷的硅烷层来作为涂覆层，它们分别是NH2
、COOH和聚乙烯乙二醇（PEG），分别在电正性、负性和中性下进行实验。在这所有这些情况中，在细胞媒质如DMEM-F12中应用时，MNP显示了良
好的可溶性，尤其是在用来维持细胞的健康状态时。还测试了细胞媒质中的胎牛血清（FCS）对细胞交互作用的影响。

对MNP与活体细胞间交互作用的评估是基于采用磁标记和磁隔离的成功几率。成功几率非常之高，对媒质中70％～80％细胞都能够进行磁标记。图
4显示了详细的结果：1）当FCS作为细胞媒质时，只有NH2涂覆的纳米颗粒表现出很强的细胞交互作用。2）对没有FCS的媒质，只有COOH和PEG涂
覆的纳米颗粒可以实现磁标记。为了解释这样的结果，我们首先研究了FCS与纳米颗粒表面结合情况，发现NH2纳米颗粒与血清蛋白之间具有良好的结合性，而
在PEG与COOH纳米颗粒表面会排斥这些血清蛋白。这清楚地表面，细胞并不对NH2纳米颗粒呈现很强的亲和力，除非纳米颗粒是采用FCS
蛋白涂层。与上述情况相反，细胞则显示出对COOH和
PEG具有很强的亲和力。然而，当FCS在溶液中出现时，它会与纳米颗粒竞争并抑制与COOH和PEG纳米颗粒的相互作用。所有这些情况中没有纳米颗粒显
现出对活体细胞具有毒性，所观察到的细胞生存率>70%。



以上提到的这些结果清楚地表明：通过改变纳米颗粒的表面功能，在活体细胞与纳米颗粒间的交互作用就能够容易地加以控制。而且血清蛋白的存在能够触发或抑制非特定的交互作用，具体将取决于纳米颗粒表面的功能性。



结论

将Sun公司的热分解法制作高质量MNP和IMEC硅烷配合基交换涂覆纳米颗粒的工艺相结合被证明是成功的。该方法是一种普遍通用的合成高稳定性
水溶铁酸盐MNP的方法，得到的MNP具有可变的外围配合基和可调整的表面特性。此外，我们显示了在纳米颗粒与活体细胞间的非特定性交互作用确实是由纳米
颗粒表面的功能终端基团所决定。

使用上述实验技术，我们还无法来区分是细胞表面的结合还是细胞的摄取。下一步的研究工作将检查细胞摄取的作用，将涉及到细胞核内类蛋白体，这有
助于对Alzheimer疾病背后的生物化学机理提供更多基础性的了解。另外，在MRI靶向诊断和和高温癌症治疗中我们还将进一步研究把生物配合基用共价
耦联到纳米颗粒表面的方法。由于各种具有不同种类的硅烷表面功能性已进入商业化生产，我们能够容易地筛选、观察我们所能获得的终端官能团在一些特定应用中
的效率，这些应用范围包括了细胞隔离、医学成像、还有高温癌症疗法等。