磁性納米材料可以實現磁靶向、磁共振成像、磁加熱等功能，被廣泛應用於生物醫學領域中，本文匯總了近一個月來與磁性納米材料應用於生物醫學相關的研究成果。
1. ACS Nano：兩個磁鐵的故事：構建新型的磁靶向系統
磁靶向策略是利用外部磁場對磁性納米顆粒(MNPs)進行遠程調控的方法，目的是增強MNPs在體內的積累和滲透，其在過去幾十年的藥物遞送系統中也受到越來越多的關注。然而，這種方法還沒有成功的實現轉化臨床，主要是由於其效率較低和MNPs的分布不夠可控。目前標準的磁靶向策略往往是使用單一的磁鐵，而所受磁靶向控制的MNPs往往僅局限於感興趣區（ROIs）的表面。
南方醫科大學沈折玉教授和美國NIH陳小元教授合作對Andrew Tsourkas等人的工作進行了介紹展望。他們利用兩個磁鐵來在磁靶向的磁鐵之間引入恆定的磁場梯度，從而有效地解決了這一難題。這種雙磁鐵裝置也使得MNPs在實體腫瘤模型中的積累和滲透大大增強，因此這一研究也為設計更為高效的磁靶向系統提供了新的思路和方法。
Zijian Zhou, Zheyu Shen, Xiaoyuan Chen. et al. Tale of Two Magnets: An Advanced Magnetic Targeting System. ACS Nano. 2019
DOI: 10.1021/acsnano.9b06842
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b06842
2. ACS Nano：相反極化的外磁鐵促進磁性納米載體在實體腫瘤中的積聚和滲透
實體腫瘤的藥物輸送受到流體靜力和物理屏障的阻礙，這些障礙限制了納米載體對腫瘤組織的滲透。當利用EPR效應來被動靶向納米載體時，腫瘤中增加的間質流體壓力和緻密的細胞外基質限制了納米載體在血管周圍的分布。以前的策略已經表明，磁傳導增強了納米顆粒在實體腫瘤中的積聚和滲透。然而，由於磁場隨著距離磁鐵的距離迅速衰減，這些方法僅限於在淺表腫瘤中使用。
為了克服這個問題，美國賓夕法尼亞大學David Issadore、Andrew Tsourkas等人開發了一種由兩個相反極化的磁鐵組成的系統，使磁性納米載體能夠穿透到更深的腫瘤中。使用這種方法，證明了與EPR相比，磁性納米顆粒在實體腫瘤中的滲透性增加了5倍，在腫瘤中的積累增加了3倍。
Jessica F. Liu, Ziyang Lan, Carolina Ferrari, et al. Use of Oppositely Polarized External Magnets To Improve the Accumulation and Penetration of Magnetic Nanocarriers into Solid Tumors, ACS Nano, 2019.
https://doi.org/10.1021/acsnano.9b05660
3. Adv Sci：核殼異質結構的磁性-等離子體納米組件，用於複雜基質中超靈敏度生物分析
多功能納米顆粒是一種新興的複合納米顆粒，由多種組分組成，由於其在成像、傳感、治療、催化、分離等方面的應用，近年來受到廣泛關注，具有磁性和等離子體雙組分的納米材料具有內在的光學和磁性，可支持多種功能，包括生物標記、生物成像、生物分析，理想的磁等離子體納米結構應具有強的磁響應和優良的等離子體信號。
在此，美國國立衛生研究院陳小元、南昌大學熊勇華及黃小林等人報導了一種簡單的自組裝策略，用於將油酸包裹的氧化鐵納米粒子(OC-IONPs)與油胺包裹的金納米粒子(OA-AuNPs)共組裝形成膠體磁性等離子體納米組件(MPNAs)。最終得到的MPNAs具有典型的核殼異質結構，其中包括聚集的OA-AuNPs作為等離核，周圍環繞著OC-IONPs組裝的磁性外殼。
由於OA-AuNPs的高負載量和OC-IONPs的合理空間分布，所合成的MPNAs同時表現出高度保留的磁性和等離激元活性。利用MPNAs固有的雙重功能將其作為磁分離器和等離子體信號換能器，經識別分子表面功能化後，組裝的MPNAs可以在側流免疫分析平台上同時實現磁分離和光學檢測。
綜上所述，核殼異質結構的MPNAs可以作為一個納米分析平台，利用磁性從複雜的生物樣品中分離和濃縮目標化合物，同時利用等離子體特性進行光學傳感。
Liangwen Hao, Yuankui Leng, Lifeng Zeng, et al. Core–Shell‐Heterostructured Magnetic–Plasmonic Nanoassemblies with Highly Retained Magnetic–Plasmonic Activities for Ultrasensitive Bioanalysis in Complex Matrix. Adv. Sci., 2019.
https://doi.org/10.1002/advs.201902433
4. Small：通過線粒體靶向磁性納米旋轉體遠程控制機械力用於有效癌症治療
在細胞中，機械力在影響細胞行為方面起著關鍵作用，包括粘附、分化、遷移和死亡。在此，上海同濟大學醫學院Cheng Yu、Liu Zhongmin，美國西北大學Maciej S. Lesniak等人設計了一種20 nm大小的線粒體靶向的鋅摻雜氧化鐵納米立方體，將其作為納米旋轉體，在15 Hz、40mT的旋轉磁場下施加機械力，以對抗癌症。
此納米旋轉體可以有效地靶向癌細胞的線粒體。通過RMF，納米立方體與外場對齊，並產生局部機械力來損害癌細胞。體外和體內研究表明，應用RMF後，納米旋轉體可以破壞腫瘤細胞，降低腦瘤生長速度。此納米平台提供了一種有效的磁機械方法，以時空方式治療深層腫瘤。
Mengwei Chen, Jiaojiao Wu, Peng Ning, et al. Remote Control of Mechanical Forces via Mitochondrial‐Targeted Magnetic Nanospinners for Efficient Cancer Treatment. Small, 2019.
https://doi.org/10.1002/smll.201905424
5. AM：遠程磁性納米粒子操作使心臟組織的動態圖案化成為可能
在生物醫學和再生醫學中，軟材料中操縱細胞組織的能力具有重要的潛力;然而，它通常需要複雜的製造過程。近日，倫敦帝國理工學院Molly M.Stevens的研究小組開發了一個簡單、經濟的方法，使細胞定向控制在三維膠原水凝膠中，進而實現動態地創建各種定製的心臟組織的微觀結構。
該方法是通過將氧化鐵納米顆粒加入人心肌細胞中，並施加一個短期的外磁場，使細胞沿著施加的磁場定向，從而在沒有任何機械支撐的情況下形成不同的形狀來實現的。這些模式構建物是可行的和功能性的，可以通過T2¶-加權磁共振成像檢測到，並且在大鼠心臟移植後不會引起正常心臟功能的改變。這一策略為用不同的細胞類型構建治療和生物工程應用的自定義、宏觀、三維組織奠定了基礎，並為研究組織行為提供了強大的模型。
Limor Zwi‐Dantsis, Brian Wang, Camille Marijon, et al. Remote Magnetic Nanoparticle Manipulation Enables the Dynamic Patterning of Cardiac Tissues. Advanced Materials, 2019.
DOI: 10.1002/adma.201904598
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201904598
6. ACS Nano：磁性納米粒子激活樹突狀細胞，通過MRI成像使抗腫瘤反應早期預測成為可能
癌症疫苗可在一部分患者中啟動抗腫瘤反應，但是缺乏有臨床意義的生物標誌物來預測治療反應，從而限制了其發展。在此，美國佛羅里達大學Duane A. Mitchell、Jon Dobson及Elias J. Sayour等人設計了多功能RNA負載的磁性脂質體，以啟動有效的抗腫瘤免疫，並作為治療反應的早期生物標誌物。
這些顆粒能比電穿孔更有效地激活樹突狀細胞(DCs)，從而在治療模型中更好地抑制腫瘤生長。氧化鐵的加入增強了DC的轉染，並能通過磁共振成像(MRI)跟蹤DC的遷移。
實驗結果表明，淋巴結內T2*加權的MRI強度與DC轉運密切相關，是抗腫瘤反應的早期預測指標。在臨床前腫瘤模型中，接種疫苗2天後MRI預測的確定的「響應器」在治療2 - 5周後腫瘤明顯變小，壽命比MRI預測的「非響應器」長73%。綜上所述，此研究提供了一種簡單的、可擴展的納米顆粒製劑，可產生強大的抗腫瘤免疫反應，並可通過MRI預測個體治療結果。
Adam J. Grippin, Brandon Wummer, Tyler Wildes, et al. Dendritic Cell-Activating Magnetic Nanoparticles Enable Early Prediction of Antitumor Response with Magnetic Resonance Imaging. ACS Nano, 2019.
https://doi.org/10.1021/acsnano.9b05037
7. Biomaterials：具有高磁加熱效率和快速體內清除能力的CFNPs
為了獲得具有高磁加熱效率和快速體內清除的磁性納米顆粒，本研究利用改進的線性響應理論模型，從理論上模擬了鈷鐵氧體納米顆粒的比吸收率（SAR）值與粒徑的關係。考慮到立方體更接近製備的CFNPs的實際形狀，以立方體代替球體作為CFNPs的形狀，得到了與實驗結果一致的準確SAR曲線。在模擬指導下，西安交通大學吳道澄等人預測並製備了尺寸為10–13 nm的水溶性立方CFNPs，其超薄表面塗層厚度小於1 nm。
實驗證明，這些CFNPs具有較高的磁加熱效率和快速的體內清除率，當製備的CFNPs尺寸為11.8 nm時，具有12.11 nHm2/kg的高固有損耗功率。在使用CFNPs磁加熱下，大部分細胞在30 min死亡。在體內研究中，這些CFNPs可以在弱交變磁場（27 kA/m，115 kHz）下120s內將腫瘤區域加熱到45 ℃（ΔT > 9 ℃）。值得注意的是，CFNPs在體內具有顯著的腫瘤抑制率，2周內可從體內清除64%以上，表明其具有快速的體內清除能力。這一結果接近於磁共振成像造影劑Feridex的清除水平。
綜上所述，通過此方法研製的CFNPs具有較高的磁加熱效率和快速的體內清除率，具有巨大的臨床應用潛力。
Lingze Zhang, Zeying Liu, Yiming Liu, et al. Ultrathin surface coated water-soluble cobalt ferrite nanoparticles with high magnetic heating efficiency and rapid in vivo clearance. Biomaterials, 2019.
https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2019.119655
納米生物醫學最前沿
NanoLabs 微信公眾號
你值得擁有