超聲微泡運載基因磁性脂質造影劑聯合磁感應熱療對肝癌HepG2細胞增殖活性的影響

王錦亮 劉 軍 李 金 羅 培 羅 珍 申婷婷 王 源③*

肝癌是常見的消化系統腫瘤，其病死率高居全球第3位[1]。我國是肝癌高發國家，每年的發病及死亡人數占全球肝癌總人數的50%以上，嚴重威脅著我國人民的健康和生命[2]。隨著研究的深入及各項技術的發展，其治療也由傳統的手術治療逐漸發展為多樣化治療，包括放化療、射頻消融、介入、靶向治療等，其中靶向治療具有良好的發展前景[3]。

近年來，隨著靶向超聲造影劑的設計及制備，己得到極大的進步，靶向超聲微泡造影劑在超聲分子顯像及治療中的研究和應用愈來愈受到學者們的廣泛關注。靶向超聲造影劑可以作為治療藥物或基因的載體，通過血液循環特異性地聚集于靶組織，從而達到靶向治療的目的[4-5]。本研究在造影劑中負載磁靶向納米粒子并運載基因，研制出一種新型的超聲微泡運載基因磁性脂質造影劑，既可以在外加磁場的作用下實現基因的靶向高效定位釋放，又可以利用磁性粒子的磁感應升溫特性對腫瘤細胞進行熱療，為今后實現該微泡造影劑用于腫瘤的聯合治療提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 研究資料

從美國ATCC公司購買HepG2細胞，培養后隨機分為3組，A組加入1640培養液，B組加入超聲微泡運載基因磁性脂質造影劑，C組加入超聲微泡運載基因磁性脂質造影劑同時置于MFH板SP-04C高頻加熱器平板線圈上1 h。

1.2 儀器與試劑

(1)儀器。采用Axios-Metals WDXRF型能譜儀(美國ThermoNoran公司)，SHR/DY-2000型機械振蕩儀(重慶影像研究所)，SPG-06A高頻磁感應加熱設備(深圳雙平高頻加熱器廠)，XSP-63B型熒光顯微鏡(北京測維光電儀器廠)，TCS SP8 X型激光共聚焦顯微鏡[徠卡顯微系統(上海)貿易有限公司]，FACSVantage SE型流式細胞儀(美國Becton-Dickson公司)，H43-PMW4015型激光粒度分析儀(英國MALVERN公司)。

(2)試劑。二硬脂酞磷脂酞膽堿(DSPC)、二棕稠酞磷脂酞乙醇胺(DPPE)(美國Sigma公司)；六氟化硫微泡(SF6)氣體(南京特種氣體公司)；人肝癌細胞系HepG2(廣東廣益生物科技有限公司)；FeCl36H2O、FeCl24H2O、氨水、聚乙烯亞胺(PEI)、吐溫80、甘油、丙二醇、pEGFP-C1(4.7 kb)、Fe3O4磁性納米粒子，PLXSN質粒以及Ecoli DH5Q(上海化學試劑有限公司)。

1.3 運載基因磁性脂質超聲微泡的制備

采用化學共沉淀法加入100 ml、5∶3(Fe2+∶Fe3+)比例溶液于燒瓶中，在氮氣保護和磁力攪拌下滴加氨水，溶液中出現黑色沉淀物時停止滴加氨水，加熱30 min使有機溶劑蒸發完全，將葡萄糖和丙二醇按比例配置的水合液加入西林瓶中，超聲分散后使其形成脂質懸液。在此懸液中加入20 ml的PEG4000和0.01 ml的吐溫80，后將15 mlDNA/PEI/Fe3O4和明膠按比例加入到脂質懸液中，用注射器充入定量的SF6氣體置換西林瓶上方的空氣。將西林瓶放入機械振蕩器中振蕩60 s，即得運載基因磁性脂質超聲微泡。

1.4 運載基因磁性脂質超聲微泡外升溫實驗

以PBS溶液配制出Fe3O4濃度分別為1.0 g/L、1.5 g/L、2.0 g/L及2.5 g/L的4種運載基因磁性脂質超聲微泡溶液，各取5 ml入平底試管(20 mm)中，以20 ℃為起始溫度，置于輸出電流30 A、頻率230 kHz的SPG-06A高頻磁感應加熱設備加熱1 h。每5 min測1次溫度，以時間為橫坐標、溫度為縱坐標繪制磁性脂質微泡的升溫曲線[6]。

1.5 檢測方法

超聲微泡運載基因磁性脂質造影劑聯合磁流體熱療對肝癌HepG2細胞增殖活性影響的檢測方法為：①3-(4，5-二甲基噻唑-2)-2，5-二苯基四氮唑溴鹽(MTT)方法測定細胞增殖率；②流式細胞儀的測定。

1.5.1 MTT方法測定細胞增殖率

取對數生長期HepG2細胞并吹打成細胞懸液，細胞濃度調整為4×104/ml，按每孔100 ml接種于96孔板，每組5個接種復孔，接種細胞24 h后，隨機分為3組，給定輸出電流30 A，交變磁場為4 kW，兩板置于飽和濕度培養箱中繼續培養48 h，每孔加入MTT20 pl，以相同條件繼續培養4 h后棄去孔內液體，加入溶液150 μl二甲基亞砜(Dimethyl sulfoxide，DMSO)/孔，搖勻l0 min。酶標儀讀取在493 nm處的光密度(optical density，OD)值，測得細胞增殖率。各組細胞存活率計算為公式1[7]：

1.5.2 流式細胞儀的測定

取對數生長期的肝癌HepG2細胞吹打成細胞懸液，將其濃度調整為3×105/ml后接種于培養瓶。3組共接種3個培養瓶，分別為A組、B組和C組，24 h后A組加入1640培養液，B組加入超聲微泡運載基因磁性脂質造影劑，C組加入超聲微泡運載基因磁性脂質造影劑且置于SP-04C高頻加熱器平板線圈上l h，給定交變磁場4 kW，輸出電流30 h，3瓶細胞置于飽和濕度的培養箱中培養48 h。檢測前將PBS洗滌2次的細胞重懸于0.5 ml碘化丙啶(propidium iodide，PI)染色液(20 mg/ml，0.25 mg/m1 RNase A)中于室溫下避光染色30 min，用目絲網過濾后上機分析。

1.6 統計學方法

采用SPSS 22.0統計學軟件對所有數據進行分析，計數資料采用均值加減標準差和百分比表示，多組間比較采用方差分析，兩兩比較采用卡方檢驗，以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 運載基因磁性脂質超聲微泡表征

白光下觀察超聲微泡大小均一，分布均勻。微泡造影劑粒徑(Diameter)為(512.57士25.18)nm，其表面電位(Zeta-potential)為(-2.54士0.75)mV。激光激發后，周圍呈現綠色熒光，表明靶向載基因微泡成功構建，如圖1所示。

圖1 激光共聚焦顯微鏡下微泡成像特征圖(×400)

2.2 運載基因磁性脂質超聲微泡體外尋靶

400倍光鏡下觀察到運載基因磁性脂質超聲微泡與肝癌HepG2細胞緊密結合，主要分布在細胞周邊及細胞壁游離面上，如圖2所示。

圖2 超聲微泡運載基因磁性脂質造影劑體外尋靶圖(×400)

2.3 運載基因磁性脂質超聲微泡外升溫實驗結果

在磁場強度恒定條件下，運載基因磁性脂質超聲微泡升溫能力與Fe3O4磁性納米粒子濃度呈正相關，即濃度越高，升溫越快，但有共同規律。前30 min升溫快速，30～50 min升溫平緩，50 min后恒定于42～62℃[1](如圖3所示)。

圖3 不同濃度Fe3O4超聲微泡運載基因磁性脂質造影劑感應升溫圖

2.4 肝癌HepG2細胞轉染效率實驗

PEGF-Cl/PEI/Fe3O4磁性脂質微泡轉染肝癌HepG2細胞后，在熒光顯微鏡下裸露DNA直接轉染效果(如圖4A所示)，超聲微泡運載基因磁性脂質造影劑轉染效果(如圖4B)見綠色熒光蛋白的表達，明場圖如圖4C所示。

圖4熒光顯微鏡下肝癌HepG2細胞轉染效率實驗圖(×400)

2.5 增殖活性的影響

超聲微泡運載基因磁性脂質造影劑治療聯合磁流體熱療對肝癌HepG2細胞增殖活性的影響。

2.5.1 MTT實驗結果

A組存活率為100%，B組存活率為73.6%，C組存活率為50.5%，B組和C組對肝癌HepG2細胞增殖均有抑制作用，B組與A組相比，差異有統計學意義(x2=4.015，P=0.0451)，C組與A組相比，差異有統計學意義(x2=16.281，P＜0.001)，C組對肝癌HepG2細胞增殖的抑制作用顯著高于B組，組間相比差異有統計學意義(x2=4.3，P=0.038)，如圖5所示。

圖5運載基因磁性脂質超聲微泡對肝癌HepG2細胞抑制情況柱狀圖

2.5.2 流式細胞儀檢測結果

各組肝癌HepG2細胞經處理48 h后，FCM分析顯示：A、B、C三組中在細胞周期G0期前細胞周期均被不同程度地阻滯在S期，且出現亞二倍體凋亡峰。B組(21.23%)和C組(41.47%)肝癌HepG2細胞凋亡率顯著高于A組(0.31%)，且C組凋亡情況最為顯著，三組組間凋亡情況相比，差異有統計學意義(x2=40.33，P＜0.001)；B組與A組凋亡情況比較，差異有統計學意義(x2=20.318，P＜0.001)，C組與A組凋亡情況比較，差異有統計學意義(x2=40.549，P＜0.001)，B組與C組凋亡情況比較，差異有統計學意義(x2=6.534，P=0.011)，見表1。

表1 運載基因磁性脂質造影劑治療聯合磁流體熱療處理肝癌HepG2細胞的FCM結果(%)

3 結論

隨著超聲微泡的研究進步，越來越多的學者開始關注運用超聲靶向微泡破壞(ultrasound targeted microbubble destruction，UTMD)這一技術[8]。利用超聲輻照破壞微泡時產生的空化效應及聲孔效應使內皮細胞間隙擴大，細胞膜產生可逆性的小孔，有利于胞外的物質進入細胞，在造影劑的表面進行修飾或其內部進行負載，使其成為藥物和基因的靶向載體，制備出兼具靶向診斷和治療的超聲造影劑成為研究熱點，與傳統方法相比，UTMD具有低免疫原性、低毒性、組織特異性及高可重復性等優點[9-10]。超聲微泡用于包裹氣體的殼膜材料主要是多聚物、脂質或白蛋白等體內可生物降解的高分子，可適當配比輔料來對微泡表面進行修飾，或通過調整殼膜材料高分子比例以便于微泡攜帶更多抗體和多肽等配體[11-12]。

超聲微泡介導轉染主要是通過各種方式，將攜帶有基因的微泡注入生物體內，并在靶向組織處以超聲輻照。微泡在超聲作用下會發生周期性振動，并吸收超聲波的能量，在較大能量下崩塌，并引發一系列化學反應，最終使基因成功入胞。超聲微泡運載基因磁性脂質造影劑，使其表面或內部攜載的基因或藥物達到靶向釋放，從而達到治療疾病的目的[13]。多數學者研究發現[3,14]超聲微泡用于體內、體外靶向轉染，并在多種疾病的診斷及治療方面展現出極好的優勢。金佳美等[15]研究表明，超聲作用微泡產生的空化效應，使其攜載的藥物和基因得到高效利用，達到良好的靶向治療效果。Lentacker等[16]制作的攜帶質粒DNA微泡可明顯提高人肝癌細胞轉染效率，明顯抑制肝癌細胞的生長。

基因治療成功的關鍵是基因的有效轉染，安全有效地轉染目的基因進入細胞內，并穩定長期表達是當前研究的主要目的。Suchal等[17]研究發現，超聲聯合微泡造影劑所產生的空化效應可提高目的基因的轉染效率，空化效應是微小氣泡在聲波的作用下會振動，生長并聚集能量，隨著積聚的能量多少不同而發生振蕩、膨脹、坍塌、收縮等變化過程[18]。本實驗研究采用SF6氣體作為基因載體產生空化效應提高基因的轉染效率，其結果顯示，B、C兩組對肝癌細胞HepG2增殖均有抑制作用，但C組對肝癌HepG2細胞增殖抑制作用更為顯著，組間差異有統計學意義。B組和C組肝癌HepG2細胞凋亡率顯著高于A組，且C組肝癌HepG2細胞凋亡情況更為顯著，組間差異有統計學意義。

本研究創新性地將具有高熱穩定性、良好的水溶性和較大的生物相容性的磁性納米粒子引入超聲微泡造影劑，旨在賦予普通微泡磁靶向性的同時，使微泡對腫瘤組織兼具基因治療和磁感應熱療[19]的特性，也證明超聲微泡運載基因磁性脂質造影劑聯合磁感應熱療對肝癌HepG2細胞增殖活性抑制作用更為顯著。本實驗交變磁場中含有磁性納米粒的脂質微泡懸浮液溫度上升后穩定在42～62 ℃之間，該區間溫度對腫瘤熱療具有良好效果。

4 結語

本研究成功制備了可以攜帶目的基因的超聲場及磁場的雙靶向超聲微泡，對腫瘤進行磁感應熱療，提高了轉染效率，有效的抑制肝癌HepG2細胞增殖，為腫瘤靶向治療提供了新思路。