诊疗一体化超顺磁性氧化铁纳米颗粒用于胰腺癌靶向成像与治疗的研究进展

余日胜 杨晓艳

胰腺癌是一种高度恶性疾病，是癌症相关死亡的第四大原因，其5年生存率低于10%，因此迫切需要开发更有效的治疗方法来治疗这种致命疾病[1-3]。由于胰腺癌临床症状不明显、不特异，多数患者在诊断时已为晚期甚至转移，导致本病预后极差[4]，因此早期发现和治疗对改善预后至关重要。然而，目前的临床检测方法包括肿瘤标志物、影像学检查等很难早期发现胰腺癌。化疗仍是晚期胰腺癌的主要治疗方法，但肿瘤的血管系统和间质屏障通透性较差，导致药物难以有效渗透进入肿瘤[5]。鉴于目前胰腺癌诊断和治疗的局限性，需要制定新的诊断和治疗策略，以改善患者的预后和生存期。

纳米技术为改善目前诊断和治疗胰腺癌的方法提供了新思路[5]。由于纳米颗粒能够克服肿瘤间质屏障，通过与靶向物质如抗体、多肽和小分子结合，从而靶向肿瘤组织，因此在胰腺癌的诊治中具有很好的应用潜力。各种纳米颗粒被开发用于药物传递，如聚合物纳米颗粒、介孔二氧化硅纳米颗粒、金纳米颗粒和磁性纳米颗粒[6]，磁性纳米颗粒中超顺磁性氧化铁纳米颗粒（SPIONs）是最具潜力的一种，它不仅可以作为药物载体，还可以作为MRI检查的对比剂，同时对胰腺癌进行成像和治疗，实现胰腺癌的诊疗一体化。诊疗一体化是精准医疗中一个相对较新的概念，这种策略是通过只使用一种整合性的药物，将诊断和治疗结合在一起，其中治疗部分用于治疗病变，而诊断部分用于增强肿瘤组织的对比度，使整个治疗过程实时可视化，并评估治疗反应[7-8]。本文就SPIONs的理化性质、生物学功能以及用于胰腺癌靶向成像、治疗和诊疗一体化的最新研究进展作一述评，并讨论SPIONs在胰腺癌靶向成像和治疗中的机遇和挑战。

1 胰腺癌的诊断与治疗

大约90%的胰腺恶性肿瘤是胰腺导管腺癌，通常称之为胰腺癌[9]。胰腺癌是一种高度恶性肿瘤，5年生存率低于10%[3]。胰腺癌预后不良的主要原因是肿瘤的侵袭性、隐匿性和早期难诊断性。研究表明，与胰腺癌相关的危险因素有吸烟、肥胖[10]、酒精[11]、血型[12]、肠道菌群[13]、家族史[14]、糖尿病[15]、慢性胰腺炎[16]等。胰腺癌尽管预后较差，但发病率较低[17]，因此不建议对无症状人群进行筛查，但建议对高危人群进行筛查[18]。目前对疑似胰腺癌和高危筛查的影像学诊断方式包括CT、磁共振胰胆管造影和内镜超声[19]。然而，这些诊断方法对直径＜2 cm的胰腺病变诊断仍然非常困难[20]。因此，有必要开发新的诊断模型，以期更灵敏、准确地检测和诊断胰腺癌。

手术治疗是唯一可能治愈肿瘤尚处于可切除阶段的方式。然而，只有少数胰腺癌患者可以手术切除，大多数患者在诊断时已处于局部晚期或转移。新辅助化疗在胰腺癌的治疗中发挥着重要作用。对于可切除的肿瘤，标准的治疗方法是手术加新辅助化疗（吉西他滨加卡培他滨）[21]。在局部晚期阶段和转移期，吉西他滨联合白蛋白紫杉醇或亚叶酸钙+氟尿嘧啶+伊立替康+奥沙利铂的组合方案（FOLFIRINOX）是状态良好患者的标准治疗方案[22]。虽然近年来这些治疗在一定程度上改善了预后，但总体预后仍不理想。胰腺癌治疗效果不佳的部分原因可以归结于其特殊的组织病理学特征，包括间质纤维化、固体应力、间质流体压力和血管充血，这在很大程度上影响治疗药物向肿瘤细胞的输送。因此，开发一种有效的药物递送途径来克服胰腺癌的间质屏障，对提高药物的治疗效果具有重要意义。纳米颗粒的药物递送系统具有改善胰腺癌治疗疗效的潜力，因其尺寸效应和生物相容性有助于有效药物递送[23-24]。

2 SPIONs的理化性质

SPIONs是由氧化铁（通常称为磁铁矿Fe3O4或磁赤铁矿γ-Fe2O3）小晶体形成的粒子，这些纳米颗粒可以通过表面改性获得在水介质中的胶体稳定性。SPIONs的小尺寸（通常在20～150 nm）和对磁场的敏感性使其具有独特的性能[25]。SPIONs是经批准用于临床MRI检查的对比剂，该粒子表现出在外加磁场中排列的磁矩，从而产生微观场梯度，使相邻的质子磁矩产生相位偏移并缩短横向弛豫时间[26]。用于生物医学的纳米颗粒需要具有生物相容性，以在体内环境中保持稳定、安全、无毒。纳米颗粒除需具有生物相容性外，还应能够进行表面改性，增加与活性物质的结合能力，并具有较高的载药能力。SPIONs能够满足上述要求，可以改善疏水药物的药代动力学，从而增加其溶解度，提供活性药物的高载药量和控释[23]。因此SPIONs可以同时作为药物载体和MRI检查对比剂，实现对疾病的成像和诊疗一体化[27]。

纳米颗粒在肿瘤部位的积累主要通过被动靶向和主动靶向两种方式进行。前者是指增强的渗透与保留效应，后者是通过在纳米粒子表面修饰各种活性靶向物质来实现对肿瘤组织的靶向。胰腺癌被动靶向治疗的效果往往不佳，因其为乏血供肿瘤。因此，通过对SPIONs进行靶向性修饰，主动靶向肿瘤组织，以期更有效地实现特异性的药物递送和肿瘤成像。

除了成像和药物载体，SPIONs还有许多其他的应用。SPIONs的聚合物涂层修饰可以使其负载其他治疗剂，以实现光热治疗、光动力治疗或磁热治疗[28]。近期研究表明，SPIONs还可以通过诱导肿瘤组织中促炎巨噬细胞极化来抑制肿瘤生长[29]。SPIONs不仅具有优异的磁性和生物相容性，而且其合成和表面改性技术也为在生物医学领域的应用奠定了基础，因此具有多种生物功能的SPIONs在疾病治疗方面有巨大潜力。

3 基于SPIONs的胰腺癌靶向成像研究

大多数胰腺癌患者在早期没有临床症状，由于症状的隐匿性、非特异性，在晚期甚至转移后才确诊，因此胰腺癌的早期发现至关重要。MRI检查对胰腺癌的诊断具有重要价值，并可用于胰腺肿瘤的无创评估。MRI对比剂主要分为两类:基于钆的T1WI对比剂和基于SPIONs的T2WI对比剂[30]。钆基对比剂是常用的MRI对比剂，但使用情况受到其肾脏相关不良反应的限制。与钆基对比剂相比，SPIONs具有磁信号强度高、毒副反应小等优点，通过缩短T2弛豫时间，可以降低组织在T2WI图像上的信号[31]。

肿瘤组织在发生、发展的过程中会产生不同于正常组织的生物标志物，其特异性靶向可以通过使用特定的生物标志物来实现，因此肿瘤相关生物标志物与对比剂结合实现肿瘤组织的靶向检测是近年来的研究热点，许多研究成功开发了特异性生物标志物修饰的SPIONs用于胰腺癌的靶向早期检测。

尿激酶型纤溶酶原激活物（urokinase-type plasminogen activator,uPA）是一种丝氨酸蛋白酶，通过与其受体（uPAR）的相互作用调节基质降解、细胞侵袭和血管生成。uPAR在80%以上的胰腺癌组织中过表达，但在健康胰腺组织中不表达。氨基末端片段（aminoterminal fragment，ATF）可与uPA竞争，与uPAR在肿瘤表面结合。2009年，Yang等[32]利用重组ATF肽与磁性氧化铁纳米颗粒结合，开发出用于肿瘤成像上的uPAR靶向纳米颗粒，结果表明uPAR靶向纳米颗粒可以选择性地聚集在肿瘤组织中，实现胰腺癌的特异性分子成像。

趋化因子受体4（chemokine receptor 4,CXCR4）在胰腺癌的生长过程中发挥重要作用。2012年，He等[33]设计了一种用于胰腺癌细胞系MRI分子成像的CXCR4-USPIO探针，结果表明CXCR4-USPIO纳米颗粒的T2增强率和ΔR2值可以半定量地评估细胞中CXCR4表达水平。

半乳糖凝集素-1（galectin-1，Gal-1）在胰腺癌细胞中表达上调，但在邻近的正常组织或炎症性胰腺组织中未见表达。2015年，Rosenberger等[34]设计了一种Gal-1靶向磁性纳米颗粒，并包被重组人血清白蛋白，MRI检查显示小鼠肿瘤的靶向成像特性得到改善。

间皮素（mesothelin，MSLN）在多种肿瘤中过表达，如间皮瘤、卵巢癌和胰腺癌，在胰腺癌组织中选择性表达，而在良性胰腺肿瘤、急性或慢性胰腺炎以及正常胰腺组织中不表达。2016年，Liu等[35]成功开发了一种靶向MSLN的氧化铁纳米颗粒，用于胰腺癌体外和体内的分子成像。

黏蛋白1（mucin 1，MUC1）是一种在胰腺癌细胞中异常表达的糖蛋白。2019年，Zou等[36]合成了抗MUC1抗体修饰的SPIONs，并研究了纳米颗粒在体外和体内的成像特性，结果表明MUC1-SPIONs是一种有前景的纳米级MRI对比剂，可用于胰腺癌的早期和靶向检测。

烯醇化酶1（enolase 1，ENO1）是一种糖酵解酶，位于胰腺癌细胞膜上的ENO1可能有利于SPIONs的分子成像。2020年，Wang等[37]用ENO1抗体构建了ENO1靶向的Dex-g-PCL/SPIO纳米颗粒。ENO1靶向SPIONs的成功构建有助于胰腺癌的早期准确检测，为该病治疗奠定了一定的理论基础。

除了使用SPIONs进行MRI外，其他成像模式也可以组合成一个纳米平台来实现多模态成像。2018年，Chen等[38]将SPIONs与plectin-1抗体、Cy7结合，创造出多功能靶向纳米颗粒。结果表明，plectin-1靶向的荧光和MRI双功能纳米颗粒可以检测胰腺癌，并且它有较大潜力用于各种成像设备的胰腺癌检测。

上述研究表明，胰腺癌早期发现的关键之一在于找到有价值和特异性的生物标志物。因此，未来的研究应侧重于寻找更有效的靶点，实现对胰腺癌的早期敏感成像和检测。

4 基于SPIONs的胰腺癌治疗研究

虽然化疗仍是晚期胰腺癌治疗的主要方法，但由于血供不足，肿瘤基质异常致密，限制了药物的有效作用[39]。因此，迫切需要一种新的递药系统，克服肿瘤致密的基质，有效地将药物输送到肿瘤组织中，使药物发挥作用。许多研究都集中在基于SPIONs的药物递送系统的开发上，该系统通过纳米颗粒的特殊性质靶向治疗胰腺癌[40]。

CD44在许多类型的癌细胞表面过表达，包括胰腺癌细胞。已有许多研究利用透明质酸靶向CD44，但初步结果并不理想。2016年，Aires等[41]利用磁性纳米颗粒与抗CD44抗体偶联，特异性靶向CD44阳性的胰腺癌细胞，纳米颗粒上装载了吉西他滨以抑制肿瘤细胞的生长。结果表明，这种新型多功能纳米颗粒可以提高体外化疗的疗效。

CD47在胰腺癌细胞中高表达，但在正常胰腺组织中不表达。2017年，Trabulo等[42]设计了一种结合抗CD47抗体和化疗药物吉西他滨的磁性纳米颗粒，用于体外治疗胰腺癌。结果表明，该多功能纳米颗粒通过特异性靶向和传递药物可有效抑制肿瘤细胞。

肿瘤间质的调节被认为是提高化疗疗效的一种有前途的治疗策略。胰腺星状细胞（PSCs）是肿瘤相关成纤维细胞（cancer associated fibroblasts,CAFs）的主要来源，而CAFs在胰腺癌间质的发生、发展中发挥重要作用。基于此，2018年，Mardhian等[43]利用relaxin-SPIONs靶向PSCs改善胰腺癌基质紊乱，提高了化疗药物的疗效。

胰腺癌肿瘤基质是引起化学耐药的重要原因，因此通过纳米粒子克服基质屏障的策略可以使化疗药物发挥更有效的作用。2019年，Khan等[44]开发了装载姜黄素的SPIONs，以克服耐药性并提高吉西他滨的治疗潜力。结果表明，该平台可能是克服化学耐药性和抑制肿瘤生长的有效策略。

2020年，Albukhaty等[45]开发了一种基于SPIONs的药物释放系统，使用葡聚糖包被的超顺磁性纳米颗粒与叶酸偶联，并携带抗癌药物长春碱来治疗胰腺癌。结果表明，该平台对PANC-1胰腺癌细胞的肿瘤生长具有强烈的抑制作用。

除了提供化疗药物外，SPIONs还可用于siRNA的靶向递送，实现胰腺癌的基因靶向治疗。2016年，Mahajan等[46]设计了SPIONs与siRNA结合，直接针对Polo样激酶-1（PLK1）。结果表明，特异性沉默PLK1抑制了肿瘤生长。除了靶向给药外，已经发现聚乙烯亚胺包被的SPIONs具有直接的抗肿瘤作用[47]。此外，处于磁场中的磁性纳米颗粒还可以实现磁流体热疗，达到对肿瘤细胞的杀伤作用[48]。最新研究显示，基于SPIONs的平台能够成功联合光热治疗与免疫疗法治疗胰腺癌[49]。因此，基于SPIONs的肿瘤治疗不仅可以递送化疗药物，还可以实现靶向基因治疗、免疫治疗等新的治疗策略。此外，SPIONs还具有直接的抗肿瘤作用。综上所述，基于SPIONs的治疗策略在胰腺癌治疗中具有良好的应用前景和临床转化潜力。

5 基于SPIONs的胰腺癌诊疗一体化研究

近年来，纳米颗粒将治疗和诊断功能整合到一个“all-in-one”的多功能生物医学平台上，实现癌症的诊疗一体化，在实时跟踪癌症治疗过程中的治疗效果方面显示出较好的优势[50]。由于SPIONs固有的成像特性和载药能力，特别适用于癌症诊疗一体化。因此，许多研究致力于将治疗药物装载在SPIONs上，以实现诊疗一体化。

2013年，Lee等[51]利用ATF共轭氧化铁纳米颗粒（IONP）靶向胰腺肿瘤细胞表面表达的uPAR。携带吉西他滨的ATF-IONP可以释放药物治疗胰腺癌，并实现MRI。2016年，Huang等[52]报道了一种新的靶向给药纳米平台，该平台基于酪蛋白包被的磁性氧化铁纳米颗粒，联合ATF和抗肿瘤药物顺铂治疗胰腺癌。结果表明，该平台对uPAR过表达的胰腺癌细胞表现出特异靶向性。因此，该平台证明了MRI引导和ATF靶向胰腺癌的治疗效果。在另一项研究中，研究人员专注于腹腔注射uPAR靶向的纳米颗粒治疗胰腺癌，结果表明腹腔注射肿瘤部位纳米颗粒积累较静脉注射高[53]。

中性粒细胞明胶酶相关脂质运载蛋白（neutrophil gelatinase-associated lipocalin,NGAL）已被报道在包括胰腺癌在内的许多人类癌症中过表达。2014年，Chen等[54]生产了一种NGAL靶向的纳米复合物，包括二氧化硅、金、氧化铁和荧光剂。该纳米复合物有效地将近红外成像、MRI和光热治疗功能结合在一个平台中。

胰岛素样生长因子1受体（insulin-like growth factor 1 receptor,IGF1R）在许多胰腺癌细胞中过表达，但在正常胰腺细胞中不存在。胰岛素样生长因子1（IGF1）可与该受体高亲和力结合。2015年，Zhou等[55]利用SPIONs结合携带阿霉素的IGF1靶向胰腺癌。这种多功能纳米颗粒可以在小鼠模型中抑制胰腺癌，同时通过MRI检查观察治疗过程。结果表明，靶向IGF1R的载药纳米颗粒可以作为一种新颖有效的给药平台，实现对胰腺癌的可视化治疗。

2021年，Ren等[56]成功开发了负载大黄素（emodin,EMO）、Cy7功能化、PEG涂层的Fe3O4，体内分析表明，Fe3O4-PEG-Cy7-EMO能够在胰腺肿瘤异种移植小鼠中实现荧光/磁共振双模式成像和靶向治疗。除了携带药物实现靶向治疗外，SPIONs还可以用于多模态成像联合热疗。2017年，Jaidev等[57]设计了一种荧光标记的SPIONs与人类表皮生长因子受体2（human epidermal growth factor receptor 2,HER-2）抗体共轭，然后将吉西他滨装入纳米颗粒，多功能纳米颗粒具有荧光成像、MRI、化疗和磁热治疗的能力。结果表明，这种多重治疗和诊断纳米颗粒是一个很有前途的平台，同时实现胰腺癌的检测与治疗。

6 小结

胰腺癌仍然是一种难以发现和治疗的致命疾病，尽管在过去的几十年里，许多研究致力于改善这一困境，但并没有看到实质性的进展。这些事实表明，在诊断和治疗胰腺癌方面还有很长的路要走。

尽管SPIONs已在临床前研究中得到了广泛的应用，但由于其依赖于靶向物质和复杂的组合过程，将这些纳米颗粒转化为临床应用仍具有挑战性。SPIONs发挥作用的关键在于特定的靶向物质引导纳米粒子到达靶部位。这些靶向物质必须具有足够的特异性和高亲和力，才能在不影响正常细胞的情况下与肿瘤细胞精确结合。因此，进一步寻找胰腺癌的特异性靶点具有重要意义。目前的基因组分析和蛋白质深度测序的方法将有助于开发新的胰腺癌生物标志物[58-60]。

除了寻找特定的生物标志物，未来的研究应该更多地致力于开发新的治疗策略，例如将这些新的治疗方法与纳米技术相结合。目前研究的新治疗策略包括靶向特异性信号通路[61]、调节间质屏障[62]、免疫治疗[63]、干细胞治疗[64]、微生物组治疗[65]和代谢治疗[66]，这些治疗能有效改善胰腺癌患者预后。未来研究应该开发适当的技术，将这些治疗药物与SPIONs结合起来，充分利用其优异的药物递送性能和固有的成像性能，实现更精准有效的胰腺癌诊疗一体化策略。

SPIONs是实现多功能化的良好平台，通过该平台，可以实现多模态成像和多模态治疗。未来的研究应充分利用纳米颗粒的优异性能，在纳米平台上结合新的成像模式和治疗策略，从而发挥更有效的抗肿瘤功能，未来还需要开展更多的临床前研究，为这些新型多功能纳米颗粒的临床应用积累经验。