磁性微球靶向给药系统研究

1磁性微球靶向给药系统研究赵立春（广西中医学院附属瑞康医院，南宁530011）摘要：磁性微球作为一种新型的生物分离和靶向药物的载体,属当前的学科前沿领域。本文总结评述了磁性微球制备，阐述了磁性微球靶向给药的原理,提出了当前需要解决的问题。关键词：磁性微球；制备；靶向给药磁性微球的研究始于20世纪70年代末,Ugel-stad成功地在重力条件下制备了尺度均一的单分散的聚苯乙烯微球。由于磁性微球的超顺磁性,这给目标生物产品的分离带来了革命性的发展;而且由于其在磁场环境中可以快速富集,因此为实现靶向给药提供了可能。如抗肿瘤药物磁性微球是近年来研究的一种新的靶向给药系统。该技术将抗癌药物包覆或修饰于具有生物可降解性的磁性微粒上,并通过一个外加磁场将药物定位于病变部位,使化疗或放射性治疗制剂集中于靶(如肿瘤)部位附近,而对周围其它正常组织无毒副作用[1]。目前,磁性微球作为一种新型的生物分离技术和靶向药物的载体,受到人们的广泛关注和研究，属当前的学科前沿领域[2,3]。作者简介：赵立春，（1980-）男，助理研究员，研究方向：植物化学与新药开发。E-mail:[e-mail];phone:[phone]一、磁性微球的组成载药磁性微球一般由磁性微粒、骨架材料（高分子材料）、所载药物三部分组成。1、磁性材料通常所用的磁性物质有纯铁粉、羰基铁、磁铁矿、正铁酸盐等，作为磁性药物微球其所需要的磁性氧化铁粒度越小越好。其粒径一般在10～100nm，磁性微粒的直径过大,容易导致微管栓塞,不易排出体外,过小则不易被截留〔4,5〕。而超顺磁性的粒子具有粒径小、毒性低、在磁场中有较好响应等特点。这种特性使得载药的磁性微粒在体内不聚集,不堵塞血管,能够均匀分布并扩散到靶区,产生治疗作用。我国学者王平康[6]等对作磁性微球的磁性物质做了较详细的研究，对纯铁粉、羰基铁、磁铁矿、正铁酸盐、铁蛋白、CO-MnP、r-Fe2O3等20多种材料分别进行了筛选，最佳选用以氧化铁为基材的掺有Ⅳ族元素的化合物，而且发现此种铁粒子具有粒径小、灵敏度高、毒性低、磁场动作距离大、原料易得等优点。2、骨架材料（高分子材料）骨架材料既要求具有一定的机械强度和生物降解速度,还要求具有最大的生物相容性和最小的免疫原性，具有一定的通透性以便药物的释放，同时要对人体无毒，能被体内逐步降解清除。所用的高分子材料包括壳聚糖、葡聚糖、淀粉、明胶、蛋白质等生物大分子和聚乳酸、聚乙烯醇、聚乙二醇等有机合成大分子。炭由于对药物具有较好的吸附性能也被用于和铁元素制备成磁性复合体〔7〕。3、药物磁性药物微球所包裹的药物应具有一定的水溶性，不与磁3性材料起化学反应且临床上经常使用。目前在磁性微粒上进行化学修饰或包埋的抗肿瘤药物有盐酸阿霉素、丝裂霉素、放线菌素、氟尿嘧啶、平阳霉素、氨甲喋呤等。这些药物均有一定的水溶性,不与磁性微粒起化学反应。经修饰、吸附或包覆的药物在外加磁场作用下集中于病变部位,并通过扩散和渗透作用使药物得以缓释。抗肿瘤药物应选择临床上常用的、价格适中的抗肿瘤药物。二、磁性微球的制备磁性微球一般由具有超顺磁性无机纳米磁性材料(Fe、Co、Ni及其氧化物等)和高分子两部分组成。超顺磁性是指当磁性粒子的粒径小于某一临界尺寸(如Fe3O430nm)后,在有外加磁场存在时,表现出较强的磁性;但当外磁场撤消时,无剩磁,不再表现出磁性。由于其在磁场环境可以快速富集,这一性质为实现靶向给药提供了可能。磁性微球通常具有核壳结构,即无机磁性材料为内核,高分子材料为外壳,或者是高分子作为核,磁性材料作为壳层,除此之外也可做成夹心结构,即外层、内层为高分子材料,中间层为磁性材料。磁性微球的制备方法很多，这里主要介绍包埋法、单体共聚法、化学转化法、硅烷化法。1、包埋法包埋法是将磁性粒子分散于生物大分子溶液中,采用交联、雾化、絮凝、沉积、蒸发等手段通过范德华力、氢键、磁颗粒表面的金属离子与高分子链的螫合作用或共价键,使水溶性高分子链缠绕在磁性颗粒表面,形成聚合物微球。包埋法一般用于制备磁性生物高分子微球,是常用的制备方法之一。该方法操作简单,制备的颗粒生物相容性好,表面本身含有各种活性功能基团,可直接偶联所需配基。4但所得颗粒形状不规则,颗粒大小不易控制,粒径分布宽,壳层中常混有乳化剂等杂质,使其在免疫测定、细胞分离等领域中的应用受到很大的限制。2、单体共聚法单体共聚法采用两种或两种以上单体(其中一种为功能单体)在一定条件下聚合,生成表面带功能基团的磁性微球,主要包括乳液(无皂乳液)聚合[8～10]、悬浮聚合[11～14]、分散聚合[15～19]和种子聚合[20]。目前,部分已商品化的磁性高分子微球都是通过将磁流体分散于苯乙烯单体或苯乙烯与其它功能单体中共聚制得。单体共聚生成的磁性微球性能较好,但功能单体的含量受到限制(通常小于10%),大部分功能基团被包覆在微球内部,部分方法反应条件苛刻,合成工艺也有待改进。3、化学转化法化学转化法是指将一定浓度的金属离子渗透和交换到大孔树脂中,然后利用化学反应使金属离子转化为磁性金属氧化物,使之均匀分布在聚合物的孔结构中,渗透和转化步骤可反复进行。化学转化法制备的磁性微球,磁性分布均匀,磁含量容易控制,但对树脂的要求比较严格。4、硅烷化法当前所采用的硅烷化方法是直接在含羟基的磁性粒子(Fe3O4)表面用带功能基团的硅偶联剂进行硅烷化处理制备带功能基团的磁性微球[21,22],该方法制备过程简单,表面的功能基团含量高;但由于磁性粒子(Fe3O4)本身的粒径太小(8nm左右),制备的磁性纳米微球容易发生团聚,常常形成200～400nm的簇,且颗粒的大小不容易调节,使颗粒的应用范围受到限制。5三、磁性微球在靶向治疗中的应用最早将磁性微粒用于医学应用的是Gilchrist,1957他将裸露的Fe2O3〔23〕注射入癌症病人的淋巴结中,然后在外部通过一个交流磁场诱导加热,3min内,温度升高了14℃。肿瘤病变部位的局部高温,一方面能增加肿瘤抗原的表达,另一方面可起到直接杀死癌细胞的作用。1996年德国的Lubbe等首次将磁性靶向治疗用于临床试验,用表面负载有阿霉素的磁性微粒对14位实体瘤患者进行治疗〔24,25〕,药物在几小时之内都得到了释放,并取得了较好的疗效。最近,美国的FeRx公司也开始将阿霉素掺入铁炭混合的微粒中并对肝癌和肺癌患者进行治疗。在一定磁场强度下,这种铁炭混合的微粒具有比Fe3O4更好的磁响应性,目前已通过对肝动脉内微粒的剂量试验并确定了方法的安全性、耐药性、药物动力学及最大药物剂量等因素,考察了外加磁场的定位效果,完成了Ⅰ、Ⅱ期临床试验。近几年来,我国在磁性药物载体方面也开展了一些研究工作,如天津大学生物工程研究中心对载药磁性毫微粒的制备及其体内靶向定位试验做了较为系统的工作〔26〕。第四军医大学的胡小光等〔27〕用平阳霉素磁性微粒对人粘液表皮样癌裸鼠进行了治疗研究。最近两年,又有研究者对磁性药物载体在SD大鼠脑部的定位分布做了较为系统的研究〔28,29〕。四、磁性微球的实验研究1、磁性微球的理化性能研究1981年Widder等对自制的阿霉素白蛋白磁性微球做了全面的离6体研究。应用扫描电镜测量了磁性微球的大小（平均直径约1.5微米），接着对115℃，135℃两种不同固化温度下制做的磁性微球对阿霉素的离体释放量作了对比，结果是固化温度越高，磁性阿霉素微球的药物缓释作用越好，也就是单位时间内释放的阿霉素越少。成党效等对自制的阿霉素白蛋白磁性微球应用1640培养液进行不同时间段的药物释放量测定，发现磁性微球具有药物缓释性，而且与外磁场强度有关，外磁场越强，缓释性越好。2、性微球靶向给药系统的给药方式药物制剂的给药途径与方法对药物效果至关重要。根据临床不同需要所选择的不同给药方式,决定了外磁场的类型、外形设计及磁场强度、梯度的大小等。通常采用动脉导管给药、静脉注射给药、口服给药或局部给药。其中口服给药由于受胃肠上皮细胞和肝脏中各酶系的降解和代谢两种首过效应的影响,许多药物很大一部分被代谢;静脉注射由于药物均匀分散于全身循环系统中,分布于靶组织的量甚少。要提高靶区的药浓度就必须普遍提高系统的药物浓度,而增加剂量往往也增加了药物的不良反应和毒副作用,因此必须改变给药途径。3、磁靶向性的影响因素影响磁性靶向性的因素主要有磁靶向本身的性质,如磁靶向给药系统的粒径大小、磁铁粉含量、药物含量、稳定性及释药速率等；磁场性质,如磁场强度、磁场梯度和磁场时间、外磁场的类型等；肿瘤部位的性质,如血管分布、通透性、肿瘤部位离磁场的距离、肿瘤部7位离给药部位的距离等。4、在动物体内的靶向性研究20世纪70年代末,Widder和Senyei提出将化疗药物负载于生物相容性磁性微粒上并用于体内治疗的概念。所建立的模型是在白蛋白包覆的磁性微球上固定化疗试剂盐酸阿霉素(Doxorubicin),并将其用于治疗大鼠尾部的肿瘤,所用的磁性微粒为Fe3O4。他们将鼠尾从尾尖起划分为T1、T2、T3、T44个部分,外加磁场定位于T3区域,从尾动脉注入磁性阿霉素微粒并在外磁场作用30min后处死大鼠后测定靶区及其它器官的药物含量。结果发现,50%的磁性微粒聚集在靶区T3内。将该区中阿霉素的含量与阿霉素溶液静脉给药相比,结果表明,若达到靶区的同样浓度,那么所需阿霉素的量将是磁粒所载药量的100倍。此Goodwin〔30〕等人以猪为模型,使用铁炭复合物即MTCs(MagneticTargetCarriers)负载放射性物质,通过动脉注入,对其在病变部位(包括肝或肺叶)的定位和选择性滞留的位点做了详细的研究。Yanase等[31]制备了带正电荷的MLP,用于产生细胞内高热的介质。皮下注入雌性大鼠两股骨T9神经胶质瘤细胞建立肿瘤模型,仅左侧肿瘤给予MLP,然后分为4组,1组(Ⅰ组)不辐射,另外3组(Ⅱ～Ⅳ组)每次辐射30min,分别辐射1～3次,中间间隙为24h、磁场强度118kHz,384Oe。第Ⅱ组87.5%的大鼠肿瘤完全消失,组治愈率分别为20%、60%。注入MLP后,组中的大鼠由于未经辐射,MLP仅集中在注射点周围,而经1～3次辐射的Ⅱ～Ⅳ组中的大鼠,MLP在整个瘤区的8分布逐渐增加,这也是Ⅱ～Ⅳ组大鼠治愈率逐渐增高的主要原因。五、问题与展望磁性微球靶向给药是近年来国内外大力研究的一种新的靶向给药系统。但目前还处于动物实验阶段。尽管有人在动物体内证明超顺磁铁氧体是无毒的，但此种铁磁性粒子对人体的急慢性毒理实验及代谢情况却尚未见报导。另外磁性微球在人体内的药代动力学及外磁场的立体定位均需要进一步的研究。但磁性微粒对一些离表皮较近的实体瘤如乳腺癌膀胱癌、食管癌、皮肤癌,甚至肝癌、肺癌等均显示出了临床治疗的优越性,特别是应用外加磁场提高了药物在病灶部位的浓度,这不但增强了疗效,而且还大大减轻了药物的毒副作用。日本已将磁性微球靶向给药用于肾癌、膀胱癌等临床治疗。我国临床用于治疗肝癌、直肠癌、食管癌和口腔癌等。预计在不久的将来,随着电磁学、医学、生物学、药学、免疫学等学科的发展,磁性微球靶向给药系统将在临床上得到更广泛的应用，作为生物医学材料研究领域的一个热门课题,必将得到进一步更深入的发展。参考文献[1]CordulaG,，JoachimT.Synthesisandcharacterizationofmodulardesignedmagneticparticles.In:Proceed-ings,InternationalSymposiumonMagneticCarriersBiologicalandClinicalApplications[M].WuhanChina,1999.25-41.[2]丁小斌,孙宗华,万国祥.化学通报,1997,(1):1～5.[3]UHafeli,WSchutt,JTelleretal.ScientificandClinicalApplicationsofMagneticCarriers.NewYork:PlenumPress,1997:269～285.[4]P