（电机与电器专业论文）磁性药物靶向定位的研究.pdf

s i t e - d i r e c t e dr e s e a r c ho f d r u g i nm a g n e t i c d r u gt a r g e t i n g h u a x u ( b i o m e d i c a le n g i n e e r i n 西 d i r e c t e db yt a os o n g a b s t r a c t m a g n e t i cd r u gt a r g e t i n gw a sa i m e da tc o n c e n t r a t i n gm a g n e t i cd r u g sa ta d e f i n e d t a r g e ts i t e 谢t l lt h ea i do fm a g n e t i cf i e l d a n de n h a n c e dd r u gc o n c e n t r a t i o n i nt h e t a r g e ta n d a tt h es a n r et i m er e d u c e dt h et o x i c i t ya n ds i d ee f f e c t st on o r m a lt i s s u e s t h e a r t i c l ef o c u s e do n s t u d y i n gt h e m a i nf a c t o ro f a f f e c t i n gt h er e t e n t i o no f m a g n e t i cd r u g i nv i t r oa n dt h ev e t o f m a g n e t i cd r u g i nv i v o b y t h ef e r r o f l u i d sa sd r u gc a r r i e r s t h em a g n e tw h i c h g e n e r a t e dt h eh i 曲m a g n e t i c f i e l dg r a d i e n tw a s d e v e l o p e db y t h ef e ae l e c t r o m a g n e t i cc o m p u t i n gs o f t w a r e a ni nv i t r oa n a l o g yo ft h eh u m a n c i r c u l a t o r y w a su s e dt ot e s tt h em a i nf a c t o ro f a f f e c t i n gt h er e t e n t i o no f f e r r o f i u i d t h e r e s u l t ss h o w e dt h er e t e n t i o no ff e r r o f l u i d sw a sr e l a t e dt ot h ef l o wr a t eo f m e d i u m t h e m a g n i t u d eo fm a g n e t i cf i e l da n dm a g n e t i cf i e l dg r a d i e n t t h eh y d r o d y n a m i c so f f e r r o f l u i d sa sd r u gc a r r i e r sw a st h e o r e t i c a l l ys t u d i e db yt h es i m p l i f i e dm o d e lo f f o r c e se x e r t e do nf e r r o f l u i d s f o rt h ee x p e r i m e n t a lm o d e li nv i t r o ，am e t h o df o r c a l c u l a t i n gt h er e t e n t i o no f f e r r o f l u i d so nt h eo u t s i d em a g n e t i cf i e l d sw a ss e tu p t h e r e s u l t ss h o w e dt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sc o i n c i d e dw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t si ng e n e r a l i tw a sa l s of o u n dt h a tt h em a g n e t i cp a r t i c l e sa g g r e g a t e dw h e nh i 曲c o n c e n t r a t i o no f f e r r o f l u i d sw e r e 涸e c t e d ，s ot h er e t e n t i o no ff e r r o f l u i d sc a l ln o tb ec a l c u l a t e db yt h e s i n g l ep a r t i c l e i tg i v e s a p o s s i b l ee x p l a n a t i o n o f a g g r e g a t i o n o f m a g n e t i c n a n o p a r t i c l e sw i t h i nm a g n e t i c f i e l d t h et a r g e to ff e r r o f l u i d sa sd r u gc a r r i e rw a sr e s e a r c h e db yt h em r ii nv i v o t h em a g n e tw a sa t t a c h e dn e a rt h ef i g h tk i d n e yo fr a t s ，t h ef e r r o f l u i d sw e r ei n j e c t e d b yt h ef e m o r a lv e i n , f o rt h es n p e r p a r a r n a g n e t i cc h a r a c t e r i s t i c so ff e r r o f l u i d s ，w e f o u n dt o t a ls i g n a ll o s so fk i d n e yb ym r ia f t e rf o c u s i n gb ym e a l l so ft h em a g n e t i c f i e l d t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ef e r r o f l u i d sc o n c e n t r a t i o ni nt h et a r g e t e dr i g h tk i d n e y w a se n h a n c e db yt h ee x t e r n a lt h em a g n e t i cf i e l d t h e s ep r e v i o u se x p e r i m e n t a lr e s u l t si nv i t r oa n di nv i v ou s i n gm a g n e t i cd r u g t a r g e t i n gw a se n c o u r a g i n ga n ds h o u l db ec o n f i r m e d i nf o r t h e rs t u d i e s t h ep r i n c i p l e - i i o f m a g n e t i cd r u gt a r g e t i n go p e n e d a n i n t e r e s t i n gp e r s p e c t i v e i no n c o l o g y k e y w o r d s ：m a g n e t i cd r u gt a r g e t i n g ，f e r r o f l u i d s ，m r i ，m a g n e t i c f o r c e 引言 引言 近1 0 年来，癌症在许多国家( 包括我国部分大中城市) 已悄然上升为头号 死亡原因，已成为世界上所有国家的一个重要问题，它正在严重地威胁着人们的 健康和生命。据世界卫生组织统计，全世界恶性肿瘤每年发病约7 0 0 万人，死亡 约5 0 0 万人，现患恶性肿瘤者在1 0 0 0 万人以上。我国目前每年患癌症的人数约 为1 6 0 万，每年死于癌症的人多达1 1 0 万。 癌细胞的特征是不受机体整体的制约，“为所欲为”地快速增殖，除侵占正 常细胞所占的空间外，还发生扩散和转移，形成新的病灶。目前治疗癌症的方法 有手术切除治疗、化疗、免疫疗法、放射疗法或者联合疗法。成功的手术治疗是 完全地切除肿瘤，然而考虑到肿瘤部位周围的组织，手术治疗并不总是可行的， 在这种情况下，化疗是必需的。 自上世纪4 0 年代以来，细胞毒性药物已广泛应用于癌症的化疗，但因细胞 毒性药物对癌细胞和正常细胞的非特异性，使它在杀死癌细胞的同时，也杀死了 正常的组织，为提高局部浓度，必须加大用药浓度，但同时也加大了毒副作用， 因此传统的细胞毒性药物的使用方法存在严重的局限性。多年以来，人们试图通 过改变药物在体内的分布来减少使用抗癌药物带来的毒副作用。通过供应肿瘤血 管局部给药来提高肿瘤的药物浓度非常有限，而且并不能避免抗癌药物带来的毒 副作用。其它通过高难度手术的方法( 如隔离灌注) 来实现这个目的，因技术条 件的限制，难以普及。因此，提高局部药物的浓度，减少全身的毒性反应一直是 人们研究的人们课题。 为解决这一难题，有关科学家提出靶向治疗的概念。靶向治疗就是将药物尽 可能的、有选择地运送到靶部位，提高靶部位的药物浓度，减少药物对全身正常 组织毒副作用。磁性药物靶向治疗是靶向治疗的一种，它借助于磁场使具有磁响 应的药物聚集在靶部位，提高靶部位药物的浓度，降低药物对正常组织的毒性和 副作用。 2 0 世纪7 0 年代，磁性药物靶向治疗问世并用于临床。结果表明，采用该技 术治疗胃肠肿瘤、食道癌、肝癌和口腔癌等，都取得了良好的治疗效果，这些成 果引起社会各界的广泛关注。但目前国内外磁性药物靶向治疗的整体发展水平主 要仍然处于基础研究阶段，基础理论及临床应用等方面还有大量的工作尚待进 行，还存在许多不足：( 1 ) 磁性药物靶向治疗在人体内的磁流体动力学、药物的 磁性药物靶向定位的研究 毒性、药物注射的途径、药物的可控释放和生理方面等均需进一步的研究；( 2 ) 制备最优的粒径，微粒的磁化率还需进一步研究。 本文的研究目标是通过对在磁场作用下的药物载体磁流体的靶向性研究，探 索出一套可适用于实体肿瘤靶向治疗的药物定位方法。 本文主要通过作为药物载体的磁流体的体内、外实验来研究在磁性药物靶向 治疗中影响磁性药物在靶部位滞留的主要因素及在动物体内的靶向性。首先通过 有限元( f e a ) 电磁场计算软件计算、优化磁体设计，自制出实验所需的产生高 梯度磁场的磁体。然后通过磁流体的体外磁靶向定位实验研究影响磁性药物滞留 率的主要因素；简化磁粒受力模型，进行磁流体的铁磁流体动力学分析、研究， 探索使磁性颗粒有效滞留在靶部位需要的磁场强度、梯度、磁粒粒径、磁粒的磁 化强度等参数。实验结果表明影响磁流体聚集的主要因素是磁场梯度、磁粒的大 小和磁粒的磁化强度。针对体外实验模型，建立了外磁场作用下铁磁流体在靶部 位的滞留率的理论计算方法，与实验结果基本吻合。实验还发现当铁磁流体浓度 较高时磁颗粒发生团聚，因此不能简单的用单一的磁颗粒来计算滞留情况，由此 解释了磁纳米在磁场作用下的聚集原因。动物实验中利用磁流体是超顺磁材料的 特性，在国内率先使用磁共振成像( m r i ) 技术检测磁流体在外磁场作用下的体 内靶向性。实验表明外磁场作用后，大鼠右肾部位的信号强度大大减小，有很高 的磁流体浓度在右肾部位。 论文分为五章，第一章主要介绍了磁性药物靶向治疗的历史、现状及发展趋 势：第二章分析了目前磁性药物靶向治疗中的各种磁体设计方法，并分析了本实 验的磁体方案：第三章通过体外磁靶向定位实验，研究影响磁性药物滞留的主要 因素并建立了外磁场作用下铁磁流体在靶部位的滞留率的理论计算方法；第四章 通过动物实验，研究磁性药物的体内靶向性；第五章作为本文的总结，提出存在 的问题及对未来的展望。 磁性药物靶向治疗介绍 第一章磁性药物靶向治疗介绍 本章节主要介绍了磁性药物靶向治疗的历史、现状及发展趋势。 1 1 磁性药物靶向治疗 1 1 1 靶向治疗 近年来，由于靶向药物载体研究的飞速发展，在这方面取得了很大成功。 靶向治疗就是将药物尽可能的、有选择地运送到靶部位，以提高靶部位的药物浓 度，减少药物对全身正常组织毒副作用。理想的靶向给药系统应在靶器官或作用 部位释药，而同时全身摄取很少，这既可提高疗效，又可降低抗癌药的毒副作用。 这要求药物能到达靶器官、靶细胞甚至细胞内的结构，并要求药物停留相当的时 间，以便发挥药效。成功的靶向药物释放系统应具备三个要素：定位蓄积、控制 释药、无毒可生物降解。理论上讲，微球或纳米粒的载药量高，用生物相及可生 物降解的材料制备，其降解及释药半衰期可以控制，又适于大规模生产，因此是 最有潜力用作药物的靶向载体。 依据靶向目的不同，采用3 种不同的方法： ( 1 ) 被动靶向( p a s s i v et a r g e t i n g ) ，即自然靶向，微球被正常的生理过程运 送至肝、肺等靶器官； ( 2 ) 主动靶向( a c t i v et a r g e t i n g ) ，表面经修饰的微球能不被单核吞噬系统识 别，或连接有特定的配体，可与靶细胞的受体结合； ( 3 ) 物理靶向( p h y s i c a lt a r g e t i n g ) ，应用温度或磁场等外力将微球或纳米粒 导向特定部位，本文下面提到的磁性药物靶向治疗即属此类。 抗肿瘤药物的载体系统主要有：大分子载体系统、微粒载体系统、磁性药 物载体系统及双重靶向给药系统 1 ： ( 1 ) 大分子载体系统包括生物大分子，合成大分子载体以及抗体。由于肿瘤组 织间质较高，可以阻止大分子的外渗，而大分子载体系统具有较大的血管 通透性及间质中扩散性可以加速其向肿瘤组织的转运。 ( 2 ) 微粒载体系统包括脂质体、毫微粒、微粒、乳剂等各系统，它们在体内主 磁性药物靶向定位的研究 要是作为异物被吞噬细胞吞噬，到达网状内皮系统分布集中的肝、脾、淋 巴等部位。微粒载体系统可分为被动靶向微粒载体系统、主动靶向微粒载 体系统和特殊靶向微粒载体系统。 ( a ) 被动靶向的微粒载体一般利用其流水性及静电作用等理化相互作用 及载体的大小、质量等物理因素实现靶向给药。 ( b ) 主动靶向是利用抗原一抗体结合及配体一受体结合等生物特异性相互 作用来实现药物的靶向传递。 ( c ) 特殊靶向微粒载体系统，如利用卟啉具有光敏化作用，可以在肿瘤 组织中吸收和滞留。 ( 3 ) 磁性药物载体是将药物和适当的磁性材料( 如f 岛矾) 配置在药物载体系统 中，在磁场作用下，将磁性药物聚集在肿瘤靶区，减少药物对正常组织的 伤害。 ( 4 ) 双重靶向给药系统指将空间控制给药与时间控制相结合的药物载体。 然而，目前大多数药物运载系统的主要局限是它们不能穿过肿瘤组织内皮 细胞进入组织间隙内和细胞内，因此其包含的药物就不能在细胞水平和或亚细 胞水平供药。 1 1 2 磁性药物靶向治疗定义 磁性药物靶向治疗m d t ( m a g n e t i c d m g t a r g e t i n g ) 是靶向治疗的一种，目前 主要用在肿瘤的治疗上，如美国f e r x 公司磁靶向载体阿霉素( m t c d o x ) 技术 已通过美国f d a 认证，主要用于肝癌( 肝细胞癌h c c ) 的治疗。m d t 采用磁性 材料( 磁粉、铁磁流体、磁性蛋白微球、磁性脂质体或磁小体等) 作为抗癌药物的 载体，即将磁性材料、抗癌药物包裹于高分子材料( 白蛋白、脂质体等) 中，靶 部位暴露于外磁场中或将微小的永磁块移植到肿瘤部位，注入磁性药物，通过磁 场对磁性药物产生的磁力与其它的力( 血流的线性速率对磁性药物的力、血液流 体内的压力、血液的粘性力等) 之间的竞争，使具有磁响应的药物在靶部位滞留， 缓慢释药，提高靶部位药物的浓度，减少药物对全身正常细胞和组织的毒副作用。 自上世纪七十年代w i d d e rk j 2 提出磁性药物靶向治疗以来，国内外不少 专家从事这方面的工作，许多生物医学研究机构运用磁性白蛋白微球、磁性脂质 体或铁磁流体复合物作为药物运输的载体做实验，发现在足够强的磁场和磁场梯 度下，药物能聚集在所预定的部位，对比使用同样剂量的药物，磁性药物靶向治 疗在靶部位产生的药物浓度比以游离形式给药在靶部产生的药物浓度高许多倍， 磁性药物靶向治疗介绍 且磁性药物靶向治疗的重要特征是具有穿过靶组织内皮细胞的能力，并能将所包 含的药物在细胞和或亚细胞水平释放，从而使抗癌药物更容易到达恶性肿瘤细 胞，更好地发挥抗癌作用。 图1 1 简单描述了磁性药物靶向治疗的原理示意图，图1 2 为磁性药物靶 向治疗的系统示意图，磁性药物在磁场力的作用下，聚集在肿瘤部位。 自2 0 世纪7 0 年代以来，磁性药物靶向治疗问世并用于临床，实验结果表明， 采用该技术治疗胃肠肿瘤、食道癌肝癌和口腔癌等，都取得了良好的治疗效果 3 5 ，这些成果引起社会各界的广泛关注。 1 2 发展历史 图1 1 磁性药物靶向治疗的原理示意图 爱m 8 吣饼撕卅删嗍谢咖n 啊h 啊0 爵斜镬煨 m t o x 细- t h e 舰耐n 鲥d 脚吖a n d m 醴神捌哺c 哪 c c 图1 2f e l l xi n c 磁性药物靶向治疗的系统示意图 1 2 1 磁性药物 磁性药物主要由磁性材料、高分子耦和剂和抗癌药物三部分构成，通过物理 磁性药物靶向定位的研究 或化学的方法将抗癌药物、磁性材料包裹于高分子中。常用的磁性材料有：f e 。0 a 磁粉、纯铁粉、铁磁流体或磁赤铁矿( 如y - f e 。0 3 ) 等；高分子耦合剂有：白蛋白、 乳胶、聚乙二醇( p e g ) 、中性葡聚糖、淀粉、磷脂酰胆碱、乙基纤维素、聚烷基 氰基丙烯酸酯等；抗癌药物有：阿霉素、甲氨碟呤、丝裂霉素、米托葸醌、顺铂 等。磁性药物合成的简易示意图如图1 3 ，图1 4 为磁流体和米托葸醌的合成结 构图。 图1 3 磁性药物合成的示意图 图1 4磁流体和米托葸醌合成结构 磁性药物的载体的发展情况如表1 1 所示，自美国学者w i d d e rk j 报道制备 磁性白蛋白微球以来，d c v i n e n id 、p u l f c rs k 、g a l l o 等人不断改进药物和磁性粒 子的结合，其中有采用氨基乙醇、聚乙二醇( p e g ) 、中性葡聚糖或阳离子氨基 葡聚糖制备磁性粒子一化疗药物复合物的方法，所系带的药物有甲氨碟呤、阿霉 素、丝裂霉素等：l u b b e a s 、a l e x i o u 等人采用铁磁流体作为药物的载体：k u b o 采用磷脂酰胆碱、y a n a s c 采用阳离子脂质体等制备磁性脂质体作为化疗药物的载 磁性药物靶向治疗介绍 表1 1磁性药物载体列表 属性 药物的载体时间作者 生物降解形状 磁性红血球1 9 7 6 z i m m e r m a n n 、p i l w a t 6 】 可泡状 磁性白蛋白微球1 9 7 8 w i d d e rk j 2 】可微粒 磁性乙基纤维素微胶囊1 9 8 0 k a t ot 7 】不可微粒 磁性淀粉微球 1 9 7 9 m o s b a c h 8 】 可微粒 磁性乳胶1 9 8 3 a k i m o t o 、m o r i m o t o 9 】 可 微粒 磁性聚烷基氰基丙烯酸脂纳米粒 1 9 8 3 l b r a h i m 1 0 】 可微粒 1 9 8 6 k i w a d ah i 1 】 1 9 9 3 b a b i n c o v a 1 2 】 1 9 9 4 s h i n k a i 1 3 】 1 9 9 5 v i r o o n c h a t a p a n 1 4 可泡状 磁性脂质体1 9 9 7b a b i n c o v a 、b a b i n e cp 1 5 】 1 9 9 8 y a n a s e 1 6 】 1 9 9 9 b u l t e 1 7 】 2 0 0 0k u b ot 1 8 】 磁性葡聚糖 1 9 9 8 p u l l e r 、g a l l o 19 】 可微粒 1 9 9 6l u b b ea s 2 0 】 铁磁流体 可微粒 2 0 0 0 a l e x i o u 【2 1 】 铁碳复合物 2 0 0 0 r u d g es r 、k u r t zt l 2 2 】 n - i微粒 体；v i r o o n c h a t a p a n 首次提出了热敏磁性脂质体，在外磁场作用下将药物输送到 靶部位，通过高频电磁场和激光脉冲加热使药物从脂质体中释放；2 0 0 0 年f e r x 公司r u d g es r 等人将金属铁和活性碳混合在球磨机中制成磁性微球。 目前制备的药物的载体主要有：磁性蛋白微球、磁性脂质体和铁磁流体，制 备的主要方法： ( 1 ) 热固化法等制各磁性蛋白微球，方法是将人体血清蛋白，阿霉素和具有磁 性的f e 。0 。磁粉相互混合于棉籽油中，经超声乳化，制成混合基质，然后， 将上述混合物置于1 2 0 。c 1 5 0 。c 温度中，经热固化处理，或经化学反应蛋 白质固化处理； ( 2 ) 逆相蒸发法等制备磁性脂质体； ( 3 ) 化学吸收绑定法制备铁磁流体复合物； ( 4 ) 将金属铁和活性碳混合在球磨机中制成磁性微球。 磁性药物靶向定位的研究 磁性药物注射方式通常采用动脉( 导管给药) 、静脉注射、口服和局部给药 ( 如瘤体基底部注射给药) 等。 目前磁性药物靶向治疗中的药物载体多采用磁性脂质体。脂质体技术是被喻 为”生物导弹”的第四代靶向给药技术。脂质体( 1 i p o s o m e ) 也称类n d , 球，是一 种定向药物载体，属于靶向给药系统的一种新剂型，被认为是较理想的载体。脂 质体是磷脂质与水接触后，由于极性基与疏水烃基的作用，排列成封闭式的多双 分子层球形结构，在各层之间有水相，水溶性药物可被包裹在水相中，而脂溶性 药物可包裹在双分子层中。由于它能提高药物的疗效，增加其稳定性，减少毒副 作用，所以成为人们不断研究的焦点。但是，由卵磷脂、胆固醇组成的传统脂质 体( c o n v e n t i o n a ll i p o s o m e s ，c - l i p o s o m e s ) 在体内多被网状内皮系统( r e t i c u l o e n d o t h e l i a ls y s t e m ，r e s ) 吞噬，在血液循环中驻留时间较短，药物的靶向释放较少。 a l z a 公司提高了脂质体技术，并将其名命为s t e a l t h ，是用聚乙二醇一二硬脂酰磷 脂酰乙醇胺( p o l y e t h y l e n e g l y c o l d i s t e a r o y lp h o s p h a t e d y l e t h a n o l a m i n e ，p e g - d s p e ) 对脂质体膜进行改性修饰，研制出一种长循环脂质体，其不但提高了对靶向组织 的选择性，而且能够逃避网状内皮系统的捕获，被称为“隐形脂质体”( s t e a l t h l i p o s o m e s ，s - l i p o s o m e s ) ，常用于分子量小药物、缩氨酸、低( 聚) 核苷酸、抗菌 素、抗肿瘤药、抗炎药等，实验表明注射用药2 4 小时后，5 0 的s t e a l t h 脂 质体滞留在血浆中，仅6 在肝中。因此脂质体区别于其它普通制剂的一个重要 特点是其具有靶向性： ( 1 ) 脂质体属于纳米级药物载体，由于人体病灶部位血管内皮细胞间隙较大， 脂质体药物可透过此间隙到达病灶部位，从而达到定向给药： ( 2 ) 脂质体主要辅料为磷脂，磷脂在血液中消除极为缓慢，因此脂质体药物在 血循环系统保留时间长，使病灶部位得到充分治疗的效果。若将磁粒和阿 霉素共同包裹于隐形脂质体中( s t e a l t hl i p o s o m e s ，s 1 i p o s o m e s ) ，这种改良 的磁性药物可躲避机体免疫系统的识别，在血中存留时间长，增加药物到 达靶肿瘤的几率。 目前的研究表明磁性靶向药物载体的粒径与形状对药物的疗效影响极大。然 而，由于种种技术条件的限制，九十年代前后国内外研制出的许多磁性药物载体 的直径较大，一般在1 0 - - 2 0 0 u m 之间 2 3 2 5 ，它们不能穿过肿瘤组织内皮细胞 进入组织间隙和细胞内，所包含的药物就不能在细胞水平和或亚细胞水平供药； 药物也不能从栓塞的血管外渗，难以在细胞水平上产生有效的化疗。同时，相当 一部分不经过磁场的载体进入邻近健康组织，释放药物，造成健康细胞损伤。显 然，要从根本上解决靶向药物的质量问题，一个非常重要的途径就是从降低靶向 载体的粒径入手。而近十年来，纳米技术特别是纳米材料制备技术的发展，为进 磁性药物靶向治疗介绍 一步提高靶向药物的水平与质量提供了最佳的契机，使得纳米靶向药物成为纳米 制各技术、纳米生物技术研究中的热点课题。而纳米微粒具有以下特点 2 6 ： ( 1 ) 纳米粒子的粒径小，表面能够附着的蛋白质、酶和药物等物质的量多，且 在实际药物制备中越不易于沉淀： ( 2 ) 具有较高的包封率； ( 3 ) 有适宜的制备及提纯方法； ( 4 ) 载体材料可生物降解； ( 5 ) 具有较长的体内循环时间；在一定时间内不会象普通颗粒那样迅速地被吞 噬细胞清除； ( 6 ) 能提高药物的稳定性。 目前，发展纳米靶向药物的途径主要有两条：一是在现有纳米靶向粒子的基 础上，发展新的治疗性药剂；二是在现有治疗性药剂的基础上，选择或者制备适 当的纳米磁性药物载体，配合以合适的高分子耦合剂，形成新的药物系列。无论 哪条途径，纳米粒子的成分、形状、粒度大小在纳米靶向药物的发展历程中起着 至关重要的作用。而控制磁性纳米粒子的质量如粒径、表面特性、磁响应性、表 面功能基和生物相容性等重要参数也成为制备纳米靶向药物的关键 2 7 2 8 。与 一般粒径的药物载体相比，磁性纳米粒子的药物载体具有如下特点： ( 1 ) 生物亲和性强：因为比表面积大，纳米粒子表面具有易于在其表面耦联 特异性的靶向分子，实现基因治疗的特异性；而且，纳米粒子的粒径越 小，表面能够附着的蛋白质、酶和药物等物质的量越多，在实际药物制 各中越不易于沉淀： ( 2 ) 药物循环时间长：在循环系统中的循环时间较普通颗粒明显延长，在一 定时间内不会象普通颗粒那样迅速地被吞噬细胞清除； ( 3 ) 药物控制释放，降低药物降解速率：让核苷酸缓慢释放，延长有效作用 时间，并维持有效的产物浓度，提高转染效率和转染产物的生物利用度； 磁性纳米颗粒能包裹、浓缩、保护核苷酸，使其免遭核酸酶的降解： ( 4 ) 高度靶向，代谢产物少；药物粒子尺寸小，在体内运动阻力小，可以实 现高度靶向，降低药物对健康组织的副作用，无免疫排斥反应等。 综上所述，要使药物最大限度滞留在靶部位，制备的磁性药物应具备以下几 个特征： ( 1 ) 磁性药物具有较好的稳定性，稳定的悬浮于基液中： ( 2 ) 磁性药物的颗粒的形状和尺寸必需能够穿透最小的毛细血管和组织： ( 3 ) 药物的磁化率足够高； ( 4 ) 磁性药物具有较高包封率； 磁性药物靶向定位的研究 ( 5 ) 药物可控释放； ( 6 ) 不被网状内皮系统和其他正常细胞摄取吞噬： ( 7 ) 磁性药物必须是无毒的，具有良好的生物降解性和抗原性。 1 2 2磁性药物的靶向性 1 9 9 9 年b a b i n c o v a 2 9 研究在外磁场作用下磁性脂质体在体内的分布，在靶 部位( 鼠的右肾) 附近安置钐钴永磁磁体，磁感应强度约为0 3 5 t ，”叮c 标记磁 性脂质体，静脉注射药物，实验结果发现在靶部位放射量约为2 5 9 2 5 8 4 ， 而非靶部位左肾的放射含量约为0 9 3 0 0 5 。 1 9 9 9 年g o o d w i n 3 0 通过动物实验研究了磁性药物载体( m t c ) 的靶向性及在 靶部位( 猪肝或肺) 的滞留情况。用”叮c 标记磁性载体，动脉注射，磁感应强 度为0 0 2 5 0 1 t ，磁场作用约为1 5 3 0 分钟，通过x 成像、磁共振成像技术检测 磁粒在体内的分布情况，结果发现在磁场的作用下磁粒在靶部位高密度聚集，而 且磁场移去后磁粒并没有重新分布。 此外，磁性药物具有穿过靶组织内皮细胞的麓力，在细胞和或亚细胞水平 释药。1 9 8 3 年w i d d e rk j 3 1 将动物的靶部位( 尾部) 在磁场( 0 5 5 t ) 下作用 3 0 分钟，然后在1 0 分钟、3 0 分钟、1 小时、2 4 小时、7 2 小时规定时间间隔杀 死动物，通过电镜检测微球在体内的超微分布，结果发现1 0 分钟后微球被内皮 细胞内吞，3 0 分钟后发现微球在血管外、肿瘤细胞的附近或肿瘤细胞上，2 4 小 时后大部分微球被肿瘤细胞吞噬，7 2 小时后仍可看到肿瘤细胞中的微球。2 0 0 0 年，在心血管介入放射学年度科学会议上，g o o d w i n 3 2 提供了1 6 个病人的实验 数据，在夕 磁场下动脉注射g t c d o x ，2 8 天以后，通过磁共振成像技术发现磁粒 在靶部位没有重新分布，实验证明一旦磁粒从血管进入组织间隙，磁粒不会再重 新回到循环系统。 1 2 3 磁场药物靶向治疗的效果 多项实验表明具有磁响应的药物在所需部位滞留后，缓慢释药，有效的扼制 了肿瘤的生长，杀死肿瘤细胞。 8 - 磁性药物靶向治疗介绍 1 2 3 1 动物实验 1 9 8 3 年，w i d d e rk j 3 3 用磁性自蛋白阿霉素微粒治疗y o s h i d a 肉瘤动物。 将动物分成7 组进行实验比较。a ：未治疗组；b ：0 5 m g k g 游离阿霉素动脉给药； c ：5 m g k g 游离阿霉素动脉给药；d ：给予不含药物的磁性白蛋白微粒：e ：给予 o 5 m g k g 阿霉素的磁性白蛋白微粒，体外不加磁场；f ：给予0 5m g k g 阿霉素的 磁性白蛋白微粒，体外加磁场；g ：给予2 5 m g k g 阿霉素的磁性白蛋白微粒，体 外加磁场。结果通过磁性载体给予0 5 m g k g 和5 m g k g 的阿霉素，同时体外加磁 场，3 0 d 后，1 0 0 的动物存活，7 7 动物的肿瘤完全消退，而其它的组的动物， 在观察的3 0 d 内，死亡率达9 0 一1 0 0 ，远处转移的发生率达1 0 0 。实验还发 现通过磁性白蛋白给予0 5 m g k g 或2 5 m g k g 阿霉素，在磁场的存在下，两种剂 量的动物之间无明显差别。 2 0 0 0 年a l e x i o u 2 1 等人采用铁磁流体复合物f f m t x ( f e r r o f l u i d sm i t o x a n - t a o n e - 米托葸醌) 治疗细胞癌，将v x 一2 鳞状癌细胞移植到兔后肢中，动脉注射铁 磁流体复合物，在肿瘤部位外加磁场，磁感应强度为0 5 - 1 5 t 。实验结果：在 外磁场作用下使用2 0 和5 0 的f f m t x 能完全消除肿瘤，没有检测到毒性。 相反，单独使用2 0 或5 0 m t x 用药，没有减小肿瘤的大小，但导致了严重 的副作用；当使用7 5 或1 0 0 的m t x 时，可看到肿瘤的消退，但是引起了严 重的副作用；不加外磁场而使用f f 删，肿瘤也没有减小。通过靶部位的组织 学检测和磁共振成像技术能看到肿瘤内磁粒的聚集，实验数据和结果表明在外磁 场下将f f m t x 导向靶部位的方案是安全的、成功的，磁性药物靶向治疗是治疗 局部恶性肿瘤的一种有效的方法。 2 0 0 1 年k u b ot 3 4 等人采用比较新颖的方法将磁块移植到靶向部位，磁感 应强度为0 4 t ，将o s 5 1 5 骨肉瘤移植到叙利亚鼠的右后肢中，然后在肿瘤血管附 近静脉注射磁性脂质体抗生素，经过药理学和组织学的评估，这种新颖的治疗方 法在药物注射以后能抑制肿瘤的生长，通过肿瘤的组织检查也显示了磁粒聚集在 肿瘤血管中，而且，磁粒一旦聚集在肿瘤血管内，就会停留直至药物降解。其药 效比单独注射a d r ( a d r i a m y c i n ) 和不加磁场注射磁性脂质体抗生素要强得多， 通过药物动力学的研究，这种抗癌药性的增强是由于增加了靶向部位的a d r 的浓 度，同时由于磁粒的聚集导致了肿瘤血管堵塞，引起了肿瘤细胞的营养降低，这 就加强了a d r 的抗癌作用。 磁性药物靶向定位的研究 d c v m e m 、c r a l l o 3 5 等人通过体外实验在外磁场的作用下成功的将磁性微球 用于鼠脑瘤的治疗；h a f e l i 3 6 在外磁场下将携带9 0 y 的磁微球导向鼠的神经细 胞瘤，治疗效果非常有效。 1 2 3 2 临床试验 1 9 9 6 年l f i b b ea s 2 0 等人将磁性药物( 铁磁流体复合物一f f - 酊x ) 应用于 病人的靶向治疗，进行了第阶段的临床试验，其中9 个病人接受两个疗程的治 疗；3 个病人接受1 个疗程的治疗；2 个病人接受3 个疗程，采用静脉注射( 注 射剂量怕m5t o l 0 0 m m 2 ) 。采用高磁能积的稀土永磁块( 主要是钕铁硼) ，磁感 应强度为0 5 t 一0 8 t ，安置在肿瘤表面，磁场作用的时间约6 0 1 2 0 r a i n ，结果显 示：磁性药物靶向治疗在临床得到了很好的应用，病人在治疗过程中很好地耐受， 没有提出不适，心脏血管参数和体温也没有改变；通过磁共振成像技术，药物动 力学及铁磁流体的探测，表明铁磁流体能将药物成功地导向病人的肿瘤部位，而 且磁性药物靶向治疗的方案是安全的。 1 2 4 磁性药物靶向治疗的生理方面 磁性药物靶向治疗是安全、有效的，使用最少量的磁粒将最大量的药物送到 靶部位。但由于动物与动物，人与人、人与动物的差异性，生理学参数会随着不 同动物和病人而变化，因此从生理学的观点看有关磁性药物、磁场和病人的参数 也是很重要的 3 7 ，主要包括 l 、磁性药物、磁场和药物注射的参数： ( 1 ) 磁性药物粒径： ( 2 ) 磁性药物的表面特性； ( 3 ) 磁性材料的含量； ( 4 ) 药物的含量： ( 5 ) 注射途径： ( 6 ) 注射的时间； ( 7 ) 磁场的强度、分布： ( 8 ) 磁场作用的时间。 2 、病人的生理参数： ( 1 ) 大小、体重、体表面积； 磁性药物靶向治疗介绍 ( 2 ) 血液的体积： ( 3 ) 心输出率和全身的血管阻力； ( 4 ) 循环时间； ( 5 ) 肿瘤的体积和重量； ( 6 ) 肿瘤处的血管含量； ( 7 ) 肿瘤的血管流速。 最重要的参数是磁性药物的生物药效率和药物在体内的释放时间。l i j b b ea s 通 过老鼠和1 4 个病人的实验报道了磁性药物靶向治疗的生理学方面结果： ( 1 ) 来自动物的生理学数据用在病人上很复杂，最好的办法是通过病人的实验 来修正； ( 2 ) 磁性药物靶向治疗看来是安全的，但为了使它更有效、不受病人和疾病相 关的问题的限制，必须改进磁性药物靶向治疗方案； ( 3 ) 由于生理学的变量和磁场不可能改变的太多，只能最优化磁粒的制备、磁 粒大小和药物注射的途径。 1 2 5 磁性药物靶向治疗的新进展 1 2 5 1 s t e r e o t a x i sl n c s t e r e o t a x i s 公司主要从事磁定位( m s s m a g n e t i cs t e r c o t a x ss y s t e m s ) 系统， 目前把这项新技术作商业发展。 m s s 是一种治疗脑瘤和些神经问题的新颖治疗方法。先将微小永磁块( 一 般为毫米级) 移植到体内，通过外加电磁场改变永磁块的运动路线，沿着绕过重 要脑组织结构的路线，使永磁块到达脑瘤处，通过高频电磁场加热，高温杀死肿 瘤细胞；或者将微小永磁块附在一条金属引导线的前端，被一根塑料导管包裹着， 外加电磁场控制磁块的移动方向和路线，当磁块沿着预定的路线到达肿瘤区后， 取出引导线，留下导管，便可把灵活的手术工具，按预定路线从导管插进，把肿 瘤组织样本取出，或者将药物沿着导管注入肿瘤区。特别对于医疗器械，如导管 和内窥镜，末端需要弯曲以选择其在体内的路径，减轻手术中病人的痛苦，实验 时，将引导线插入内窥镜或其他医用器械中使用，微型永磁块和金属引导线的顶 端连接以制作磁体引导线，外加电磁系统控制磁体引导线的路线方向。 9 8 年1 2 月，世界上首次利用电脑控制的磁力手术 3 8 ，在美国密苏里州的 圣路易斯市的一家医院进行，成功地从病人的脑部肿瘤抽取了生检细胞组织样 磁性药物靶向定位的研究 本，这种方法把对病人的伤害大大减少，而且可以进一步发展，用于其他治疗方 面，例如：把电极植入那些行动有问题的病人的脑部、修补动脉瘤和其他不正常 血管、把治疗或化疗药物输送到脑部、心脏电生理学和清除阻塞动脉的血块等。 磁眭弓1 导线见周1 5 。引导磁块的外加电磁场系统见图1 6 ，是s t e r e o t a x i s 公司 目前的主要产品“t e l s t a r ”，采用三组线圈组成的超导磁体。目前正在发展新一 代产品( 见图1 7 ) 采用永磁磁体代替以前的超导磁体 3 9 ，永磁磁体的位置可 以移动以改变作用在磁块上的磁力，来调整磁块的移动路线。 囤1 5 磁体引导线 磁性药物靶向治疗介绍 图l _ 6 陵即帅b i x 虹s t e l 叽a r m u | d * p u r l ) o s c a r d i 神m 碍n e t | cn a v i g a t i o ns 弹孵m 1 2 5 2f e r xi n c 图1 7s t e r e o t a x l s 公司正在发展的第七代m s s f c r x 公司的磁性药物靶向治疗技术主要用在肝癌( 肝细胞癌h c c ) 的治 疗，方法是在靶部位外加磁场，通过导管插入术将高导磁率的铁碳复合物( 约 l u m ) 送到靶部位，在磁场力的作用下，磁性药物从毛细血管壁溢出，进入定位 的患病组织，如图i 8 所示。 磁性药物靶向定位的研究 图1 8 左边是永磁磁体装置，右边是磁靶向治疗的示意图 2 0 0 2 年美国f e r x 公司磁靶向载体一阿霉素( m t c d o x ) 技术已通过美国f d a 认 证，主要用于肝癌的治疗，在2 0 0 2 年1 1 月“分子靶向和癌症治疗”的年会上， f e r x 公司报道了磁靶向治疗肝细胞癌的i i i 临床试验结果 4 0 ，来自2 0 个病 灶( 1 7 病人) ( 载负阿霉素 0 4 m g c m 2 ) 数据结果显示：1 个完全好转，2 个部 分好转，7 个轻微好转，5 个没有变化，5 个继续增大，半数存活时间是1 1 5 月。 对3 2 个病人加大药物剂量进行研究，检测药物的安全性、最大耐受剂量、药代 动力学特征，通过动脉导管注射，外加磁感应强度为0 5 t ，肿瘤的大小范围 2 - 2 2 2 c m 2 ，2 8 天后，通过实验前后的c t 检测肿瘤的变化情况，实验结果：磁共 振成像显示药物成功地聚集在肿瘤区，药物的最大耐受剂量被定义为6 0 m g 阿霉 素和6 0 0 m g 磁载体( 靶部位) ，药物动力学测量显示阿霉素在全身循环量很少， 大多数共同的副作用是胃肠痛和腹痛( 6 4 ) ，试验过程中未发现明显的毒副作用， 初步的临床试验获得了喜人的成绩：一方面显示在药物剂量运用方面尚有待改 善，另一方面预示了这项新技术在治疗肝癌上的巨大潜力。 1 2 5 3 磁小体 1 9 7 5 年b l a k e m o r 4 1 偶尔发现一类奇特的微生物一趋磁细菌( m a g n e t o t a - c t i cb a c t e r i u m ) ，趋磁细菌是一类对磁场具有趋向性反应的细菌总称，趋磁细菌 能吸收外界环境中的铁元素，并在体内合成具有磁性的铁化合物颗粒，即磁小体 ( m a g e t o s o m e ) 。磁小体在细菌体内一般按磁力线方向排列成链状( 见图1 9 磁性药物靶向治疗介绍 4 2 ) ，具有极性，从而使细菌对磁场反应敏感，表现出相应的趋磁运动。 图1 9 趋磁细菌中磁小体的结构形状 图1 1 0 趋磁细菌中磁铁矿生物矿化的结构模型 - 1 5 - 磁性药物靶向定位的研究 图1 1 0 显示了趋磁细菌中磁铁矿生物矿化的结构模型。 由于磁小体颗粒小而且均匀，颗粒外有层生物膜包裹，不聚集，也不产生细 胞毒性，且具有较好的剩磁和矫顽力，非常适宜作为磁性药物的载体，为磁性药 物靶向治疗提供新的思路。若将磁小体和药物混合制成磁性药物，具有较好的导 磁率、生物适应性等。另外，利用某些靶部位细胞的吞噬作用将趋