四氧化三鐵磁性聚合物納米粒子在生物醫學領域的毒性研究進展

王晶 鄒琴 井堯 羅航

摘要：四氧化三鐵納米粒子作用于生物體中時會與動物或人體的細胞直接接觸，其帶給生物體的毒性不容忽視。文章總結了四氧化三鐵納米粒子產生毒性的機理和影響四氧化三鐵納米粒子毒性的因素。

關鍵詞：四氧化三鐵納米粒子；毒性；機理

1 四氧化三鐵基于超順磁性氧化鐵納米顆粒

四氧化三鐵納米粒子（ Magnetic NanoParticles，MNPs）是一種黑色的鐵的氧化物納米粒子（SuperParamagnetic Iron Oxide Nanoparticles，SPION），具有良好的生物相容性，在室溫下表現出超順磁性、高的磁場強度。與非納米粒子相比四氧化三鐵納米粒子擁有更大的比表面積，可以提供更多的表面活性原子從而增加粒子的表面活性，其表面經蛋白質、脂質體或者聚合物改性之后在生物醫學領域可用于診斷和治療，如藥物釋放、磁轉染、熱療、核磁共振成像增強劑、生物傳感器等。

雖然四氧化三鐵納米粒子在生物醫學領域應用廣泛，尤其是當粒子載藥之后用于靶向藥物釋放和熱療給腫瘤患者帶來了福音，但是其帶給身體的其他副作用不容忽視，有必要很好地研究四氧化三鐵納米粒子可能帶給身體的傷害，本文對四氧化三鐵納米粒子的合成方法、產生生物毒性的機理和影響毒性的因素，進行了總結。

2 毒性研究

研究發現，四氧化三鐵納米粒子會使細胞通過4種方式產生氧化應激反應：（1）納米粒子表面與細胞直接接觸；（2）酶的作用使四氧化三鐵納米粒子表面發生降解；（3）通過改變線粒體和其他細胞器的功能；（4）四氧化三鐵納米粒子使細胞發生信號轉導并激活炎性細胞。四氧化三鐵納米粒子使細胞發生氧化應激反應是產生毒性的主要原因。四氧化三鐵納米粒子的毒性強弱受多種因素控制，粒子的每一項物理化學性質（粒子的大小、形狀、表面包裹物的官能團、表面包裹物親水性、粒子表面的電荷）的改變都會導致生物體發生變化進而影響其毒性。

2.1 粒子濃度

粒子的濃度是決定是否對細胞產生毒性的最重要的因素，研究發現粒子濃度對細胞產生的毒性的影響比其他因素如表面包裹材料、表面電荷和粒子的粒徑更強，低濃度不會產生毒性或者產生的毒性很小，而高濃度會對細胞產生很高的毒性甚至致死。

2.2 表面包裹材料和電荷

四氧化三鐵納米粒子表面是否有包裹物和表面所帶電荷都會影響體外細胞毒性和粒子在體內的分布和排泄。當給四氧化三鐵納米粒子做體外細胞毒性檢測時，沒有經過表面處理的四氧化三鐵納米粒子在培養液中其表面可能會吸附OH-1和cl-1而帶負電，電荷產生的電場會吸引抗衡離子，從而易與蛋白質相結合。這種結合既影響細胞培養液中粒子濃度和pH，也會影響粒子的表面性質，從而導致細胞分離而死亡。而當表面包裹一些聚合物或者蛋白質會使粒子表面與培養液中的物質的相接觸的接觸點變少，從而對培養液或者細胞產生較小影響。當裸露的四氧化三鐵納米粒子作用于生物體內時，粒子容易于血漿蛋白相結合并快速被巨噬細胞吞噬。當粒子表面有包裹物時，包裹物所帶官能團在溶液中離子化會使粒子帶電荷，如當官能團是羧基時會使粒子帶負電荷，當官能團是胺基時會使粒子帶正電荷。粒子是否帶電荷以及所帶電荷的種類會對其在體內的分布產生影響。由于細胞膜帶負點荷，當粒子帶正電時會與細胞發生非特異性結合。粒子帶負電時會與組織發生非特異性結合。當粒子不帶電時不易與血漿蛋白結合，但容易發生自身團聚減少粒子的血液循環時間。不管粒子帶正電還是負電荷，增加電荷都會使粒子更易被吞噬，減少粒子的血液循環時間。不同的包裹材料對細胞產生的毒性也不同，有研究表明表面含有羧基比含有胺基的四氧化三鐵納米粒子產生的毒性更強，這可能與粒子表面所帶電荷的種類有關。

2.3 粒徑

用于生物醫學領域的四氧化三鐵納米粒子需要小粒徑。小粒徑的粒子才具有超順磁性，當施加外加磁場時四氧化三鐵磁性粒子擁有磁性，當外加磁場撤離時納米粒子的磁性消失，粒子高度分散，否則納米粒子會團聚，從而被巨噬細胞吞噬影響療效。粒子的粒徑也會影響粒子在體內的分布、代謝和循環時間。人體最小的血管直徑是4 mm，若納米粒子的粒徑超過4 mm粒子會滯留在肺部可引起肺部血栓，若粒徑小于4 mm可被肝臟或者脾臟的內質網皮層細胞吸收（若大于200 nm會被脾臟吸收排除，小于150 nm可被肝臟吸收排除），當處于正常的生理條件時，粒徑大于10 nm不能穿過內皮細胞而當處于炎癥或者腫瘤等病理條件時，可使穿過內皮細胞的直徑達到700 nm。通常粒子的直徑為10-100 nm時，粒子在體內的時間最長，療效最好。增加粒徑會促進細胞產生炎癥反應，Injumpa等發現，當粒徑為20-100 nm時，只會使巨噬細胞產生少量的炎性因子，而當到200 nm時會產生大量的炎性因子。

2.4 形狀

四氧化三鐵納米粒子的形狀對其生物醫學應用也有影響。粒子的形狀會影響粒子向血管內壁著邊，和球形的粒子相比，扁圓形的粒子存在扭轉力會引起粒子翻轉和旋轉，進而向血管內壁橫向漂移。粒子的形狀還會影響粒子與細胞表面的接觸，網狀內皮系統清除粒子也受粒子形狀支配。與球形的粒子相比，扁圓形的粒子不易被巨噬細胞吞噬擁有更長的血液循環時間。納米粒子進入正常或者癌細胞內部也受粒子的形狀控制，對于擁有長縱橫比的粒子來說，長軸平行細胞膜比短軸平行細胞膜內部化速度低。相同粒徑的球形和立方體的四氧化三鐵納米粒子相比，立方體的粒子比球形的粒子有更高的結晶度、更大的單晶、更高的飽和磁化度和T，弛豫。棒狀的比球形的四氧化三鐵納米粒子對小鼠巨噬細胞產生更強的毒性。

2.5 細胞種類

相同粒徑或者濃度的納米粒子對不同細胞產生的毒性不同。Injumpa等發現增加粒徑或者濃度對成纖維細胞或者巨噬細胞的影響不同，成纖維細胞比巨噬細胞更耐毒性。

3 結語

納米粒子的粒徑、形狀、所用包裹材料和所帶電荷會影響其在細胞和體內的分布、排泄和毒性。雖然很多研究團體做了大量的四氧化三鐵納米粒子的毒性研究，但是仍然存在很多的問題，如不同的毒性測試方法測得的毒性不同，不同的研究團體的四氧化三鐵納米粒子毒性研究使用不同的粒子濃度、檢測時間、不同的細胞和培養條件使毒性比較變得困難。毒性研究應當更加標準化，并進行更多包裹物和細胞或者動物的毒性檢測，從而推動四氧化三鐵磁性納米粒子大批量應用于臨床，最終治愈廣大的癌癥患者。