普魯士藍（PB）是一種由Fe2+和Fe3+形成的混合價態六氰合鐵酸鹽，被美國食品藥品監督管理局（FDA）批準作為口服藥物治療鉈和銫中毒，長期研究表明PB具有較良好的生物安全性。近幾年，PB納米材料在醫學領域研究中備受關注，在腫瘤成像和治療方面均顯示出巨大潛力。與現有納米材料相比，可靠的安全性使PB納米材料具有更好的應用前景。本文綜述了近幾年PB納米材料在腫瘤成像與治療中的功能研究進展。
引用本文： 金星, 曲海晶, 朱朝健, 井立佳, 于濤. 納米普魯士藍在腫瘤成像與治療中的功能開發. 生物醫學工程學雜志, 2016, 33(6): 1209-1213. doi: 10.7507/1001-5515.20160191 復制
引言
普魯士藍(Prussian blue，PB)是一種由Fe2+和Fe3+形成的混合價態六氰合鐵酸鹽[1]。在臨床醫學中，PB可作為常規染料用于檢測鐵血黃素含量，對一些腎臟疾病具有準確的診斷作用[2]。另外，在醫學上PB可用作解毒劑，治療金屬鉈和銫中毒[3-4]。長期臨床研究證明PB具有較高的生物安全性。近幾年，由于具備獨特的理化特性，PB在癌癥醫學領域研究中逐漸嶄露頭角[5-6]。研究發現，PB納米材料由于具備順磁性和近紅外光聲轉換特性，可作為造影劑提高腫瘤成像的準確度[7-8]。PB納米材料具有高效的光熱轉換特性，在體內外對癌細胞顯示出極高的光熱殺傷效果，可作為一種新型的近紅外光熱治療轉換劑用于腫瘤的光熱治療。PB納米材料的結構可塑性可使其攜帶抗癌藥物，集合自身的光熱性質可實現高效的腫瘤協同治療[9]。本文綜述了近些年PB納米材料在腫瘤成像與治療中的應用及研究現狀。
1 PB納米粒子的制備方法
PB是一種由Fe2+和Fe3+以氰根為橋連形成的化學結構。PB納米粒子的制備方法簡單，僅僅通過在酸性條件下混合相應反應試劑即可。表 1為歸納的PB納米粒子的制備試劑、制備方法及其形貌特點。
表1
PB納米粒子合成條件與形貌特征
Table1.
Synthetic conditions and morphological features of PB nano-particles
通過比較可知，反應溫度一般對PB納米粒子的制備無影響，而表面修飾劑的引入則有益于PB納米粒子規則形貌的形成。通過改變表面修飾劑的用量可使PB納米粒子的粒徑比較容易控制，并呈現良好的均一性，有利于進一步的體內研究。
2 PB納米粒子在腫瘤成像中的功能研究
當今醫學成像技術的飛速發展對腫瘤診斷產生了重要的推動作用。借助特定的分子影像技術人們可以將完整個體或特定組織器官的結構以數字圖像的形式進行展示，有助于找出可疑病灶。造影劑是為增強影像觀察效果而服用到體內的醫用制劑，它可將癌變組織和正常組織區域進行精確分辨，提高成像的靈敏度。
2.1 PB納米粒子在腫瘤核磁成像中的功能研究
在PB納米粒子結構中，Fe2+和C原子相連，為低自旋。Fe3+和 N 原子相連，為高自旋，在每個Fe2+-C≡N-Fe3+結構單元中共有5個未配對電子，使其能夠顯著增強核磁共振T1加權成像的對比度，這一特性首次被Shokouhimehr等[10]發現(見表 2)。Cheng等[7]采用聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)作為表面修飾劑對PB納米粒子進行修飾，并研究了PB納米粒子在荷瘤鼠體內的核磁成像對比效果。結果顯示，在尾靜脈注射PB納米粒子12 h后，納米粒子可在腫瘤部位高效富集，T1信號與注射前相比增強近一倍，腫瘤部位的T1加權成像更加清晰，可辨認度高。為進一步提升PB納米粒子的弛豫效率，Zhu等[14]制備了摻雜錳離子的PB納米粒子，結果顯示摻雜錳離子的PB納米粒子用于腫瘤成像時具有更短的縱向弛豫時間，與普通PB納米粒子相比，成像性能顯著提升。但到目前為止，PB納米材料的弛豫效率與臨床使用的釓造影劑仍存在差距，因此提高PB納米粒子的弛豫性能是今后一項具有意義的研究工作。
表2
PB納米粒子弛豫效率
Table2.
Relaxation rates of PB nano-particles
2.2 PB納米粒子在腫瘤光聲成像中的功能研究
光聲成像是一種較為新穎的無創醫學成像手段，可將光學成像和聲學成像的各自優勢有機結合，能夠實現分辨率和對比度更高的生物組織成像[24-25]。Liang等[8]研究發現PB納米粒子在765 nm近紅外脈沖激光照射下可產生較強的光聲信號，能夠穿透4.3 cm的雞肉組織有效成像。將PB納米粒子通過靜脈注入小鼠體內可顯著增強小鼠腦組織血管的光聲圖像對比度，有力證明了PB納米粒子在非侵入性光聲成像中的應用價值。隨后，Cheng等[7]和Jing等[26]在各自的研究中分別使用PB納米粒子和含有PB組分的復合納米粒子對荷瘤裸鼠體內腫瘤進行了光聲診斷成像。研究發現上述兩種納米粒子均可通過被動靶向作用在腫瘤組織富集，腫瘤組織中的光聲信號可隨時間逐漸增強，與注射前的腫瘤光聲圖像相比，注射納米粒子后腫瘤圖像的輪廓顯著增強，可有效區分腫瘤組織和正常組織。這些結果更好地展示了PB納米粒子作為活體光聲成像造影劑應用于腫瘤診斷的潛力。
3 PB納米粒子在腫瘤治療中的功能研究
3.1 PB納米粒子在腫瘤近紅外光熱治療中的功能研究
近紅外光熱治療是借助特殊性能納米顆粒將近紅外光能轉化為熱能從而殺傷癌細胞的一種治療手段[27-30]。由于人體組織對近紅外光的吸收系數較低，近紅外光熱治療有著較為理想的穿透深度。此外近紅外光對人體近乎沒有損害，而且近紅外光源價格相對較低又便于操作。因此，近紅外光熱治療可作為更加安全高效的新一代癌癥治療方法。
如表 3所示，Fu等[15]率先發現了PB納米粒子具有高效的光熱轉換特性，在體外對Hela細胞顯示出極高的光熱殺傷效果，這一結果表明PB納米粒子可作為一種新型高效的近紅外光吸收劑用于腫瘤的光熱治療[31]。Hoffman等[11]利用神經母細胞瘤荷瘤鼠研究了PB納米粒子在小鼠體內的治療效果。在尾靜脈注射PB納米粒子并進行激光照射治療后發現腫瘤的生長速率與單獨激光照射和對照組相比明顯降低。腫瘤組織病理切片經蘇木精-伊紅(hematoxylin-eosin，H＆E)染色后可觀察到明顯的壞死現象，充分驗證了PB納米粒子的體內光熱治療效果。Cheng等[7]將PEG修飾的PB納米材料經尾靜脈注射到腫瘤小鼠中，結果顯示通過表面PEG修飾，PB納米粒子在生理環境下顯示出良好的膠體穩定性并能夠維持較長的血液循環周期。經尾靜脈注射后，PEG化的PB納米粒子可通過實體瘤的高通透性和滯留(enhanced permeability and retention，EPR)效應在荷瘤裸鼠腫瘤部位聚集，能夠被腫瘤細胞高效攝取，在較低功率的近紅外激光作用下便可實現對腫瘤的高效光熱治療。在為期12天的腫瘤生長檢測過程中，與對照組相比，治療組腫瘤體積明顯減小，并且腫瘤鼠的存活率可達到100%。
表3
PB納米粒子光熱治療研究
Table3.
Research on photo-thermal therapy using PB nano-particles
3.2 基于PB納米粒子的腫瘤協同治療功能研究
為更好地發揮光熱治療在腫瘤治療中的優勢，研究者不斷嘗試將光熱治療與其他癌癥治療手段相結合用來提高腫瘤的治療效率。其中化學藥物治療是最為常見的搭配。近年來PB納米粒子被廣泛用于與抗癌藥物聯合的腫瘤治療研究中(如表 4所示)。
表4
基于PB納米粒子的協同治療研究
Table4.
Chemo-thermo synergistic therapy using PB nano-particles
Li等[32]采用具有人血清白蛋白涂層的PB納米粒子包載阿霉素，該復合納米粒子具有較好的近紅外光熱性能，體外熒光成像表明該復合納米粒子能夠被Hela細胞高效攝取，在近紅外光的照射下，納米粒子裝載的藥物能夠加速釋放，結合載體的光熱效應能顯著地降低Hela細胞的存活率。Xue等[16]制備了明膠蛋白-阿霉素聚合物包裹的PB納米粒子，此納米粒子在明膠酶存在時阿霉素的釋放率能夠顯著增加，在近紅外光照射下，能夠大大降低Hela細胞的存活率。Cai等[20]和Jing等[21]在各自的研究中分別制備了具有介孔結構的PB納米粒子，分別對抗癌藥物阿霉素和10-羥基喜樹堿進行裝載，研究發現具有介孔結構的PB納米粒子對抗癌藥物具有較高的裝載效率和體內遞送效率，協同治療效果明顯。
在上述列舉的研究中，體外細胞治療均顯示在近紅外激光照射下PB納米載體產生的熱量能增強腫瘤細胞膜的通透性并降低腫瘤細胞對藥物的耐受性，提高藥物分子進入細胞的效率，使藥物更易發揮抗腫瘤活性，高效殺死腫瘤細胞。但目前為止，如何實現PB納米粒子在體內以腫瘤為靶點的高效遞送，減輕攜帶藥物產生的副作用仍是一項重要的研究工作。
4 展望
PB納米材料是一種頗具發展潛力和廣闊應用前景的生物醫學材料，隨著一系列特殊性能的發現，其在醫學領域的研究和應用日益增加。目前，以PB納米材料為對象的醫學研究，尤其是在腫瘤成像和治療方面的研究已火熱開展。隨著后續臨床研究的進行，還需進一步明確PB納米材料的藥理、毒理作用以及體內代謝機制，這有助于PB納米材料的正確合理使用，是PB納米材料在藥物轉化過程中不可缺少的重要條件。
引言
普魯士藍(Prussian blue，PB)是一種由Fe2+和Fe3+形成的混合價態六氰合鐵酸鹽[1]。在臨床醫學中，PB可作為常規染料用于檢測鐵血黃素含量，對一些腎臟疾病具有準確的診斷作用[2]。另外，在醫學上PB可用作解毒劑，治療金屬鉈和銫中毒[3-4]。長期臨床研究證明PB具有較高的生物安全性。近幾年，由于具備獨特的理化特性，PB在癌癥醫學領域研究中逐漸嶄露頭角[5-6]。研究發現，PB納米材料由于具備順磁性和近紅外光聲轉換特性，可作為造影劑提高腫瘤成像的準確度[7-8]。PB納米材料具有高效的光熱轉換特性，在體內外對癌細胞顯示出極高的光熱殺傷效果，可作為一種新型的近紅外光熱治療轉換劑用于腫瘤的光熱治療。PB納米材料的結構可塑性可使其攜帶抗癌藥物，集合自身的光熱性質可實現高效的腫瘤協同治療[9]。本文綜述了近些年PB納米材料在腫瘤成像與治療中的應用及研究現狀。
1 PB納米粒子的制備方法
PB是一種由Fe2+和Fe3+以氰根為橋連形成的化學結構。PB納米粒子的制備方法簡單，僅僅通過在酸性條件下混合相應反應試劑即可。表 1為歸納的PB納米粒子的制備試劑、制備方法及其形貌特點。
表1
PB納米粒子合成條件與形貌特征
Table1.
Synthetic conditions and morphological features of PB nano-particles
通過比較可知，反應溫度一般對PB納米粒子的制備無影響，而表面修飾劑的引入則有益于PB納米粒子規則形貌的形成。通過改變表面修飾劑的用量可使PB納米粒子的粒徑比較容易控制，并呈現良好的均一性，有利于進一步的體內研究。
2 PB納米粒子在腫瘤成像中的功能研究
當今醫學成像技術的飛速發展對腫瘤診斷產生了重要的推動作用。借助特定的分子影像技術人們可以將完整個體或特定組織器官的結構以數字圖像的形式進行展示，有助于找出可疑病灶。造影劑是為增強影像觀察效果而服用到體內的醫用制劑，它可將癌變組織和正常組織區域進行精確分辨，提高成像的靈敏度。
2.1 PB納米粒子在腫瘤核磁成像中的功能研究
在PB納米粒子結構中，Fe2+和C原子相連，為低自旋。Fe3+和 N 原子相連，為高自旋，在每個Fe2+-C≡N-Fe3+結構單元中共有5個未配對電子，使其能夠顯著增強核磁共振T1加權成像的對比度，這一特性首次被Shokouhimehr等[10]發現(見表 2)。Cheng等[7]采用聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)作為表面修飾劑對PB納米粒子進行修飾，并研究了PB納米粒子在荷瘤鼠體內的核磁成像對比效果。結果顯示，在尾靜脈注射PB納米粒子12 h后，納米粒子可在腫瘤部位高效富集，T1信號與注射前相比增強近一倍，腫瘤部位的T1加權成像更加清晰，可辨認度高。為進一步提升PB納米粒子的弛豫效率，Zhu等[14]制備了摻雜錳離子的PB納米粒子，結果顯示摻雜錳離子的PB納米粒子用于腫瘤成像時具有更短的縱向弛豫時間，與普通PB納米粒子相比，成像性能顯著提升。但到目前為止，PB納米材料的弛豫效率與臨床使用的釓造影劑仍存在差距，因此提高PB納米粒子的弛豫性能是今后一項具有意義的研究工作。
表2
PB納米粒子弛豫效率
Table2.
Relaxation rates of PB nano-particles
2.2 PB納米粒子在腫瘤光聲成像中的功能研究
光聲成像是一種較為新穎的無創醫學成像手段，可將光學成像和聲學成像的各自優勢有機結合，能夠實現分辨率和對比度更高的生物組織成像[24-25]。Liang等[8]研究發現PB納米粒子在765 nm近紅外脈沖激光照射下可產生較強的光聲信號，能夠穿透4.3 cm的雞肉組織有效成像。將PB納米粒子通過靜脈注入小鼠體內可顯著增強小鼠腦組織血管的光聲圖像對比度，有力證明了PB納米粒子在非侵入性光聲成像中的應用價值。隨后，Cheng等[7]和Jing等[26]在各自的研究中分別使用PB納米粒子和含有PB組分的復合納米粒子對荷瘤裸鼠體內腫瘤進行了光聲診斷成像。研究發現上述兩種納米粒子均可通過被動靶向作用在腫瘤組織富集，腫瘤組織中的光聲信號可隨時間逐漸增強，與注射前的腫瘤光聲圖像相比，注射納米粒子后腫瘤圖像的輪廓顯著增強，可有效區分腫瘤組織和正常組織。這些結果更好地展示了PB納米粒子作為活體光聲成像造影劑應用于腫瘤診斷的潛力。
3 PB納米粒子在腫瘤治療中的功能研究
3.1 PB納米粒子在腫瘤近紅外光熱治療中的功能研究
近紅外光熱治療是借助特殊性能納米顆粒將近紅外光能轉化為熱能從而殺傷癌細胞的一種治療手段[27-30]。由于人體組織對近紅外光的吸收系數較低，近紅外光熱治療有著較為理想的穿透深度。此外近紅外光對人體近乎沒有損害，而且近紅外光源價格相對較低又便于操作。因此，近紅外光熱治療可作為更加安全高效的新一代癌癥治療方法。
如表 3所示，Fu等[15]率先發現了PB納米粒子具有高效的光熱轉換特性，在體外對Hela細胞顯示出極高的光熱殺傷效果，這一結果表明PB納米粒子可作為一種新型高效的近紅外光吸收劑用于腫瘤的光熱治療[31]。Hoffman等[11]利用神經母細胞瘤荷瘤鼠研究了PB納米粒子在小鼠體內的治療效果。在尾靜脈注射PB納米粒子并進行激光照射治療后發現腫瘤的生長速率與單獨激光照射和對照組相比明顯降低。腫瘤組織病理切片經蘇木精-伊紅(hematoxylin-eosin，H＆E)染色后可觀察到明顯的壞死現象，充分驗證了PB納米粒子的體內光熱治療效果。Cheng等[7]將PEG修飾的PB納米材料經尾靜脈注射到腫瘤小鼠中，結果顯示通過表面PEG修飾，PB納米粒子在生理環境下顯示出良好的膠體穩定性并能夠維持較長的血液循環周期。經尾靜脈注射后，PEG化的PB納米粒子可通過實體瘤的高通透性和滯留(enhanced permeability and retention，EPR)效應在荷瘤裸鼠腫瘤部位聚集，能夠被腫瘤細胞高效攝取，在較低功率的近紅外激光作用下便可實現對腫瘤的高效光熱治療。在為期12天的腫瘤生長檢測過程中，與對照組相比，治療組腫瘤體積明顯減小，并且腫瘤鼠的存活率可達到100%。
表3
PB納米粒子光熱治療研究
Table3.
Research on photo-thermal therapy using PB nano-particles
3.2 基于PB納米粒子的腫瘤協同治療功能研究
為更好地發揮光熱治療在腫瘤治療中的優勢，研究者不斷嘗試將光熱治療與其他癌癥治療手段相結合用來提高腫瘤的治療效率。其中化學藥物治療是最為常見的搭配。近年來PB納米粒子被廣泛用于與抗癌藥物聯合的腫瘤治療研究中(如表 4所示)。
表4
基于PB納米粒子的協同治療研究
Table4.
Chemo-thermo synergistic therapy using PB nano-particles
Li等[32]采用具有人血清白蛋白涂層的PB納米粒子包載阿霉素，該復合納米粒子具有較好的近紅外光熱性能，體外熒光成像表明該復合納米粒子能夠被Hela細胞高效攝取，在近紅外光的照射下，納米粒子裝載的藥物能夠加速釋放，結合載體的光熱效應能顯著地降低Hela細胞的存活率。Xue等[16]制備了明膠蛋白-阿霉素聚合物包裹的PB納米粒子，此納米粒子在明膠酶存在時阿霉素的釋放率能夠顯著增加，在近紅外光照射下，能夠大大降低Hela細胞的存活率。Cai等[20]和Jing等[21]在各自的研究中分別制備了具有介孔結構的PB納米粒子，分別對抗癌藥物阿霉素和10-羥基喜樹堿進行裝載，研究發現具有介孔結構的PB納米粒子對抗癌藥物具有較高的裝載效率和體內遞送效率，協同治療效果明顯。
在上述列舉的研究中，體外細胞治療均顯示在近紅外激光照射下PB納米載體產生的熱量能增強腫瘤細胞膜的通透性并降低腫瘤細胞對藥物的耐受性，提高藥物分子進入細胞的效率，使藥物更易發揮抗腫瘤活性，高效殺死腫瘤細胞。但目前為止，如何實現PB納米粒子在體內以腫瘤為靶點的高效遞送，減輕攜帶藥物產生的副作用仍是一項重要的研究工作。
4 展望
PB納米材料是一種頗具發展潛力和廣闊應用前景的生物醫學材料，隨著一系列特殊性能的發現，其在醫學領域的研究和應用日益增加。目前，以PB納米材料為對象的醫學研究，尤其是在腫瘤成像和治療方面的研究已火熱開展。隨著后續臨床研究的進行，還需進一步明確PB納米材料的藥理、毒理作用以及體內代謝機制，這有助于PB納米材料的正確合理使用，是PB納米材料在藥物轉化過程中不可缺少的重要條件。
