診療一體化超順磁性氧化鐵納米顆粒用于胰腺癌靶向成像與治療的研究進展

余日勝 楊曉艷

胰腺癌是一種高度惡性疾病，是癌癥相關死亡的第四大原因，其5年生存率低于10%，因此迫切需要開發(fā)更有效的治療方法來治療這種致命疾病[1-3]。由于胰腺癌臨床癥狀不明顯、不特異，多數(shù)患者在診斷時已為晚期甚至轉移，導致本病預后極差[4]，因此早期發(fā)現(xiàn)和治療對改善預后至關重要。然而，目前的臨床檢測方法包括腫瘤標志物、影像學檢查等很難早期發(fā)現(xiàn)胰腺癌。化療仍是晚期胰腺癌的主要治療方法，但腫瘤的血管系統(tǒng)和間質屏障通透性較差，導致藥物難以有效滲透進入腫瘤[5]。鑒于目前胰腺癌診斷和治療的局限性，需要制定新的診斷和治療策略，以改善患者的預后和生存期。

納米技術為改善目前診斷和治療胰腺癌的方法提供了新思路[5]。由于納米顆粒能夠克服腫瘤間質屏障，通過與靶向物質如抗體、多肽和小分子結合，從而靶向腫瘤組織，因此在胰腺癌的診治中具有很好的應用潛力。各種納米顆粒被開發(fā)用于藥物傳遞，如聚合物納米顆粒、介孔二氧化硅納米顆粒、金納米顆粒和磁性納米顆粒[6]，磁性納米顆粒中超順磁性氧化鐵納米顆粒（SPIONs）是最具潛力的一種，它不僅可以作為藥物載體，還可以作為MRI檢查的對比劑，同時對胰腺癌進行成像和治療，實現(xiàn)胰腺癌的診療一體化。診療一體化是精準醫(yī)療中一個相對較新的概念，這種策略是通過只使用一種整合性的藥物，將診斷和治療結合在一起，其中治療部分用于治療病變，而診斷部分用于增強腫瘤組織的對比度，使整個治療過程實時可視化，并評估治療反應[7-8]。本文就SPIONs的理化性質、生物學功能以及用于胰腺癌靶向成像、治療和診療一體化的最新研究進展作一述評，并討論SPIONs在胰腺癌靶向成像和治療中的機遇和挑戰(zhàn)。

1 胰腺癌的診斷與治療

大約90%的胰腺惡性腫瘤是胰腺導管腺癌，通常稱之為胰腺癌[9]。胰腺癌是一種高度惡性腫瘤，5年生存率低于10%[3]。胰腺癌預后不良的主要原因是腫瘤的侵襲性、隱匿性和早期難診斷性。研究表明，與胰腺癌相關的危險因素有吸煙、肥胖[10]、酒精[11]、血型[12]、腸道菌群[13]、家族史[14]、糖尿病[15]、慢性胰腺炎[16]等。胰腺癌盡管預后較差，但發(fā)病率較低[17]，因此不建議對無癥狀人群進行篩查，但建議對高危人群進行篩查[18]。目前對疑似胰腺癌和高危篩查的影像學診斷方式包括CT、磁共振胰膽管造影和內(nèi)鏡超聲[19]。然而，這些診斷方法對直徑＜2 cm的胰腺病變診斷仍然非常困難[20]。因此，有必要開發(fā)新的診斷模型，以期更靈敏、準確地檢測和診斷胰腺癌。

手術治療是唯一可能治愈腫瘤尚處于可切除階段的方式。然而，只有少數(shù)胰腺癌患者可以手術切除，大多數(shù)患者在診斷時已處于局部晚期或轉移。新輔助化療在胰腺癌的治療中發(fā)揮著重要作用。對于可切除的腫瘤，標準的治療方法是手術加新輔助化療（吉西他濱加卡培他濱）[21]。在局部晚期階段和轉移期，吉西他濱聯(lián)合白蛋白紫杉醇或亞葉酸鈣+氟尿嘧啶+伊立替康+奧沙利鉑的組合方案（FOLFIRINOX）是狀態(tài)良好患者的標準治療方案[22]。雖然近年來這些治療在一定程度上改善了預后，但總體預后仍不理想。胰腺癌治療效果不佳的部分原因可以歸結于其特殊的組織病理學特征，包括間質纖維化、固體應力、間質流體壓力和血管充血，這在很大程度上影響治療藥物向腫瘤細胞的輸送。因此，開發(fā)一種有效的藥物遞送途徑來克服胰腺癌的間質屏障，對提高藥物的治療效果具有重要意義。納米顆粒的藥物遞送系統(tǒng)具有改善胰腺癌治療療效的潛力，因其尺寸效應和生物相容性有助于有效藥物遞送[23-24]。

2 SPIONs的理化性質

SPIONs是由氧化鐵（通常稱為磁鐵礦Fe3O4或磁赤鐵礦γ-Fe2O3）小晶體形成的粒子，這些納米顆?？梢酝ㄟ^表面改性獲得在水介質中的膠體穩(wěn)定性。SPIONs的小尺寸（通常在20～150 nm）和對磁場的敏感性使其具有獨特的性能[25]。SPIONs是經(jīng)批準用于臨床MRI檢查的對比劑，該粒子表現(xiàn)出在外加磁場中排列的磁矩，從而產(chǎn)生微觀場梯度，使相鄰的質子磁矩產(chǎn)生相位偏移并縮短橫向弛豫時間[26]。用于生物醫(yī)學的納米顆粒需要具有生物相容性，以在體內(nèi)環(huán)境中保持穩(wěn)定、安全、無毒。納米顆粒除需具有生物相容性外，還應能夠進行表面改性，增加與活性物質的結合能力，并具有較高的載藥能力。SPIONs能夠滿足上述要求，可以改善疏水藥物的藥代動力學，從而增加其溶解度，提供活性藥物的高載藥量和控釋[23]。因此SPIONs可以同時作為藥物載體和MRI檢查對比劑，實現(xiàn)對疾病的成像和診療一體化[27]。

納米顆粒在腫瘤部位的積累主要通過被動靶向和主動靶向兩種方式進行。前者是指增強的滲透與保留效應，后者是通過在納米粒子表面修飾各種活性靶向物質來實現(xiàn)對腫瘤組織的靶向。胰腺癌被動靶向治療的效果往往不佳，因其為乏血供腫瘤。因此，通過對SPIONs進行靶向性修飾，主動靶向腫瘤組織，以期更有效地實現(xiàn)特異性的藥物遞送和腫瘤成像。

除了成像和藥物載體，SPIONs還有許多其他的應用。SPIONs的聚合物涂層修飾可以使其負載其他治療劑，以實現(xiàn)光熱治療、光動力治療或磁熱治療[28]。近期研究表明，SPIONs還可以通過誘導腫瘤組織中促炎巨噬細胞極化來抑制腫瘤生長[29]。SPIONs不僅具有優(yōu)異的磁性和生物相容性，而且其合成和表面改性技術也為在生物醫(yī)學領域的應用奠定了基礎，因此具有多種生物功能的SPIONs在疾病治療方面有巨大潛力。

3 基于SPIONs的胰腺癌靶向成像研究

大多數(shù)胰腺癌患者在早期沒有臨床癥狀，由于癥狀的隱匿性、非特異性，在晚期甚至轉移后才確診，因此胰腺癌的早期發(fā)現(xiàn)至關重要。MRI檢查對胰腺癌的診斷具有重要價值，并可用于胰腺腫瘤的無創(chuàng)評估。MRI對比劑主要分為兩類:基于釓的T1WI對比劑和基于SPIONs的T2WI對比劑[30]。釓基對比劑是常用的MRI對比劑，但使用情況受到其腎臟相關不良反應的限制。與釓基對比劑相比，SPIONs具有磁信號強度高、毒副反應小等優(yōu)點，通過縮短T2弛豫時間，可以降低組織在T2WI圖像上的信號[31]。

腫瘤組織在發(fā)生、發(fā)展的過程中會產(chǎn)生不同于正常組織的生物標志物，其特異性靶向可以通過使用特定的生物標志物來實現(xiàn)，因此腫瘤相關生物標志物與對比劑結合實現(xiàn)腫瘤組織的靶向檢測是近年來的研究熱點，許多研究成功開發(fā)了特異性生物標志物修飾的SPIONs用于胰腺癌的靶向早期檢測。

尿激酶型纖溶酶原激活物（urokinase-type plasminogen activator,uPA）是一種絲氨酸蛋白酶，通過與其受體（uPAR）的相互作用調(diào)節(jié)基質降解、細胞侵襲和血管生成。uPAR在80%以上的胰腺癌組織中過表達，但在健康胰腺組織中不表達。氨基末端片段（aminoterminal fragment，ATF）可與uPA競爭，與uPAR在腫瘤表面結合。2009年，Yang等[32]利用重組ATF肽與磁性氧化鐵納米顆粒結合，開發(fā)出用于腫瘤成像上的uPAR靶向納米顆粒，結果表明uPAR靶向納米顆?？梢赃x擇性地聚集在腫瘤組織中，實現(xiàn)胰腺癌的特異性分子成像。

趨化因子受體4（chemokine receptor 4,CXCR4）在胰腺癌的生長過程中發(fā)揮重要作用。2012年，He等[33]設計了一種用于胰腺癌細胞系MRI分子成像的CXCR4-USPIO探針，結果表明CXCR4-USPIO納米顆粒的T2增強率和ΔR2值可以半定量地評估細胞中CXCR4表達水平。

半乳糖凝集素-1（galectin-1，Gal-1）在胰腺癌細胞中表達上調(diào)，但在鄰近的正常組織或炎癥性胰腺組織中未見表達。2015年，Rosenberger等[34]設計了一種Gal-1靶向磁性納米顆粒，并包被重組人血清白蛋白，MRI檢查顯示小鼠腫瘤的靶向成像特性得到改善。

間皮素（mesothelin，MSLN）在多種腫瘤中過表達，如間皮瘤、卵巢癌和胰腺癌，在胰腺癌組織中選擇性表達，而在良性胰腺腫瘤、急性或慢性胰腺炎以及正常胰腺組織中不表達。2016年，Liu等[35]成功開發(fā)了一種靶向MSLN的氧化鐵納米顆粒，用于胰腺癌體外和體內(nèi)的分子成像。

黏蛋白1（mucin 1，MUC1）是一種在胰腺癌細胞中異常表達的糖蛋白。2019年，Zou等[36]合成了抗MUC1抗體修飾的SPIONs，并研究了納米顆粒在體外和體內(nèi)的成像特性，結果表明MUC1-SPIONs是一種有前景的納米級MRI對比劑，可用于胰腺癌的早期和靶向檢測。

烯醇化酶1（enolase 1，ENO1）是一種糖酵解酶，位于胰腺癌細胞膜上的ENO1可能有利于SPIONs的分子成像。2020年，Wang等[37]用ENO1抗體構建了ENO1靶向的Dex-g-PCL/SPIO納米顆粒。ENO1靶向SPIONs的成功構建有助于胰腺癌的早期準確檢測，為該病治療奠定了一定的理論基礎。

除了使用SPIONs進行MRI外，其他成像模式也可以組合成一個納米平臺來實現(xiàn)多模態(tài)成像。2018年，Chen等[38]將SPIONs與plectin-1抗體、Cy7結合，創(chuàng)造出多功能靶向納米顆粒。結果表明，plectin-1靶向的熒光和MRI雙功能納米顆粒可以檢測胰腺癌，并且它有較大潛力用于各種成像設備的胰腺癌檢測。

上述研究表明，胰腺癌早期發(fā)現(xiàn)的關鍵之一在于找到有價值和特異性的生物標志物。因此，未來的研究應側重于尋找更有效的靶點，實現(xiàn)對胰腺癌的早期敏感成像和檢測。

4 基于SPIONs的胰腺癌治療研究

雖然化療仍是晚期胰腺癌治療的主要方法，但由于血供不足，腫瘤基質異常致密，限制了藥物的有效作用[39]。因此，迫切需要一種新的遞藥系統(tǒng)，克服腫瘤致密的基質，有效地將藥物輸送到腫瘤組織中，使藥物發(fā)揮作用。許多研究都集中在基于SPIONs的藥物遞送系統(tǒng)的開發(fā)上，該系統(tǒng)通過納米顆粒的特殊性質靶向治療胰腺癌[40]。

CD44在許多類型的癌細胞表面過表達，包括胰腺癌細胞。已有許多研究利用透明質酸靶向CD44，但初步結果并不理想。2016年，Aires等[41]利用磁性納米顆粒與抗CD44抗體偶聯(lián)，特異性靶向CD44陽性的胰腺癌細胞，納米顆粒上裝載了吉西他濱以抑制腫瘤細胞的生長。結果表明，這種新型多功能納米顆?？梢蕴岣唧w外化療的療效。

CD47在胰腺癌細胞中高表達，但在正常胰腺組織中不表達。2017年，Trabulo等[42]設計了一種結合抗CD47抗體和化療藥物吉西他濱的磁性納米顆粒，用于體外治療胰腺癌。結果表明，該多功能納米顆粒通過特異性靶向和傳遞藥物可有效抑制腫瘤細胞。

腫瘤間質的調(diào)節(jié)被認為是提高化療療效的一種有前途的治療策略。胰腺星狀細胞（PSCs）是腫瘤相關成纖維細胞（cancer associated fibroblasts,CAFs）的主要來源，而CAFs在胰腺癌間質的發(fā)生、發(fā)展中發(fā)揮重要作用?；诖耍?018年，Mardhian等[43]利用relaxin-SPIONs靶向PSCs改善胰腺癌基質紊亂，提高了化療藥物的療效。

胰腺癌腫瘤基質是引起化學耐藥的重要原因，因此通過納米粒子克服基質屏障的策略可以使化療藥物發(fā)揮更有效的作用。2019年，Khan等[44]開發(fā)了裝載姜黃素的SPIONs，以克服耐藥性并提高吉西他濱的治療潛力。結果表明，該平臺可能是克服化學耐藥性和抑制腫瘤生長的有效策略。

2020年，Albukhaty等[45]開發(fā)了一種基于SPIONs的藥物釋放系統(tǒng)，使用葡聚糖包被的超順磁性納米顆粒與葉酸偶聯(lián)，并攜帶抗癌藥物長春堿來治療胰腺癌。結果表明，該平臺對PANC-1胰腺癌細胞的腫瘤生長具有強烈的抑制作用。

除了提供化療藥物外，SPIONs還可用于siRNA的靶向遞送，實現(xiàn)胰腺癌的基因靶向治療。2016年，Mahajan等[46]設計了SPIONs與siRNA結合，直接針對Polo樣激酶-1（PLK1）。結果表明，特異性沉默PLK1抑制了腫瘤生長。除了靶向給藥外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)聚乙烯亞胺包被的SPIONs具有直接的抗腫瘤作用[47]。此外，處于磁場中的磁性納米顆粒還可以實現(xiàn)磁流體熱療，達到對腫瘤細胞的殺傷作用[48]。最新研究顯示，基于SPIONs的平臺能夠成功聯(lián)合光熱治療與免疫療法治療胰腺癌[49]。因此，基于SPIONs的腫瘤治療不僅可以遞送化療藥物，還可以實現(xiàn)靶向基因治療、免疫治療等新的治療策略。此外，SPIONs還具有直接的抗腫瘤作用。綜上所述，基于SPIONs的治療策略在胰腺癌治療中具有良好的應用前景和臨床轉化潛力。

5 基于SPIONs的胰腺癌診療一體化研究

近年來，納米顆粒將治療和診斷功能整合到一個“all-in-one”的多功能生物醫(yī)學平臺上，實現(xiàn)癌癥的診療一體化，在實時跟蹤癌癥治療過程中的治療效果方面顯示出較好的優(yōu)勢[50]。由于SPIONs固有的成像特性和載藥能力，特別適用于癌癥診療一體化。因此，許多研究致力于將治療藥物裝載在SPIONs上，以實現(xiàn)診療一體化。

2013年，Lee等[51]利用ATF共軛氧化鐵納米顆粒（IONP）靶向胰腺腫瘤細胞表面表達的uPAR。攜帶吉西他濱的ATF-IONP可以釋放藥物治療胰腺癌，并實現(xiàn)MRI。2016年，Huang等[52]報道了一種新的靶向給藥納米平臺，該平臺基于酪蛋白包被的磁性氧化鐵納米顆粒，聯(lián)合ATF和抗腫瘤藥物順鉑治療胰腺癌。結果表明，該平臺對uPAR過表達的胰腺癌細胞表現(xiàn)出特異靶向性。因此，該平臺證明了MRI引導和ATF靶向胰腺癌的治療效果。在另一項研究中，研究人員專注于腹腔注射uPAR靶向的納米顆粒治療胰腺癌，結果表明腹腔注射腫瘤部位納米顆粒積累較靜脈注射高[53]。

中性粒細胞明膠酶相關脂質運載蛋白（neutrophil gelatinase-associated lipocalin,NGAL）已被報道在包括胰腺癌在內(nèi)的許多人類癌癥中過表達。2014年，Chen等[54]生產(chǎn)了一種NGAL靶向的納米復合物，包括二氧化硅、金、氧化鐵和熒光劑。該納米復合物有效地將近紅外成像、MRI和光熱治療功能結合在一個平臺中。

胰島素樣生長因子1受體（insulin-like growth factor 1 receptor,IGF1R）在許多胰腺癌細胞中過表達，但在正常胰腺細胞中不存在。胰島素樣生長因子1（IGF1）可與該受體高親和力結合。2015年，Zhou等[55]利用SPIONs結合攜帶阿霉素的IGF1靶向胰腺癌。這種多功能納米顆?？梢栽谛∈竽Ｐ椭幸种埔认侔?，同時通過MRI檢查觀察治療過程。結果表明，靶向IGF1R的載藥納米顆?？梢宰鳛橐环N新穎有效的給藥平臺，實現(xiàn)對胰腺癌的可視化治療。

2021年，Ren等[56]成功開發(fā)了負載大黃素（emodin,EMO）、Cy7功能化、PEG涂層的Fe3O4，體內(nèi)分析表明，F(xiàn)e3O4-PEG-Cy7-EMO能夠在胰腺腫瘤異種移植小鼠中實現(xiàn)熒光/磁共振雙模式成像和靶向治療。除了攜帶藥物實現(xiàn)靶向治療外，SPIONs還可以用于多模態(tài)成像聯(lián)合熱療。2017年，Jaidev等[57]設計了一種熒光標記的SPIONs與人類表皮生長因子受體2（human epidermal growth factor receptor 2,HER-2）抗體共軛，然后將吉西他濱裝入納米顆粒，多功能納米顆粒具有熒光成像、MRI、化療和磁熱治療的能力。結果表明，這種多重治療和診斷納米顆粒是一個很有前途的平臺，同時實現(xiàn)胰腺癌的檢測與治療。

6 小結

胰腺癌仍然是一種難以發(fā)現(xiàn)和治療的致命疾病，盡管在過去的幾十年里，許多研究致力于改善這一困境，但并沒有看到實質性的進展。這些事實表明，在診斷和治療胰腺癌方面還有很長的路要走。

盡管SPIONs已在臨床前研究中得到了廣泛的應用，但由于其依賴于靶向物質和復雜的組合過程，將這些納米顆粒轉化為臨床應用仍具有挑戰(zhàn)性。SPIONs發(fā)揮作用的關鍵在于特定的靶向物質引導納米粒子到達靶部位。這些靶向物質必須具有足夠的特異性和高親和力，才能在不影響正常細胞的情況下與腫瘤細胞精確結合。因此，進一步尋找胰腺癌的特異性靶點具有重要意義。目前的基因組分析和蛋白質深度測序的方法將有助于開發(fā)新的胰腺癌生物標志物[58-60]。

除了尋找特定的生物標志物，未來的研究應該更多地致力于開發(fā)新的治療策略，例如將這些新的治療方法與納米技術相結合。目前研究的新治療策略包括靶向特異性信號通路[61]、調(diào)節(jié)間質屏障[62]、免疫治療[63]、干細胞治療[64]、微生物組治療[65]和代謝治療[66]，這些治療能有效改善胰腺癌患者預后。未來研究應該開發(fā)適當?shù)募夹g，將這些治療藥物與SPIONs結合起來，充分利用其優(yōu)異的藥物遞送性能和固有的成像性能，實現(xiàn)更精準有效的胰腺癌診療一體化策略。

SPIONs是實現(xiàn)多功能化的良好平臺，通過該平臺，可以實現(xiàn)多模態(tài)成像和多模態(tài)治療。未來的研究應充分利用納米顆粒的優(yōu)異性能，在納米平臺上結合新的成像模式和治療策略，從而發(fā)揮更有效的抗腫瘤功能，未來還需要開展更多的臨床前研究，為這些新型多功能納米顆粒的臨床應用積累經(jīng)驗。