铁氧体磁性纳米材料（MFNPs）在生物医学领域具有较大应用潜力，如磁共振成像、靶向递药、磁热治疗、基因递送等。MFNPs能够在磁场作用下发生迁移运动，并靶向定位到目标细胞或组织。但是要将MFNPs应用到生物体内，需进一步在MFNPs表面进行修饰。本文对MFNPs常见的修饰方法进行了综述，并总结了它在生物成像、医学检测以及生物治疗等医学领域中的应用，进一步展望了MFNPs的未来应用方向。
引用本文： 张琳雪, 努尔尼沙·阿里甫, 兰中文, 余忠, 李启帆, 蒋晓娜, 邬传健, 孙科. 多功能铁氧体磁性纳米颗粒表面修饰及生物医学中的研究进展. 生物医学工程学杂志, 2023, 40(2): 378-383. doi: 10.7507/1001-5515.202209056 复制
0 引言
随着纳米技术的迅速发展，铁氧体磁性纳米颗粒（magnetic ferrite nanoparticles，MFNPs），包括钴铁氧体（cobalt ferrite，CoFe2O4）、锰铁氧体（manganese ferrite，MnFe2O4）、锌铁氧体（zinc ferrite，ZnFe2O4）、锰锌铁氧体（manganese zinc ferrite，Mn-ZnFe2O4）等，由于制备方法（溶剂热法、高温热解法、气相沉积等）简单、稳定性强和独特的磁学性能得到了广泛的研究[1-2]。经过表面修饰的MFNPs具有生物相容性好、功能性强等优点[3-4]，在磁共振造影剂、光热疗、磁热疗、基因递送、磁力辅助药物输送、细胞和组织靶向等生物医学领域方面得到广泛使用[5-6]。尤其在肿瘤治疗和生物成像方面，MFNPs有着非常广泛的应用前景，具有磁性的MFNPs能够提高药物的靶向性，降低药物对正常细胞的损伤[7-8]。因此，改善MFNPs磁性能和提高其生物相容性能够推进MFNPs在生物医学方面的应用[9]。
本文分析讨论了对不同类型MFNPs的表面修饰，进一步探讨了MFNPs作为药物载体在生物成像［如磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）、红外荧光成像］、肿瘤治疗［如光热治疗（photothermal therapy，PTT）、光动力治疗（photodynamic therapy，PDT）、磁热治疗（magnetic heat treatment，MHT）］及其在非肿瘤领域［如阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）、基因递送（gene delivery，GD）］的发展及应用，总结了MFNPs在生物医学领域目前面临的挑战和未来的发展趋势。
1 铁氧体磁性纳米颗粒的表面修饰
为了使磁性可调控的MFNPs在生物领域得到更好的应用，需要进一步提高其生物相容性。对于MFNPs的表面修饰通常包括：① 有机物修饰MFNPs；② 无机物修饰MFNPs。将无机小分子或有机物修饰在MFNPs表面，增加其亲水性和生物相容性，在一定程度上防止出现MFNPs团簇现象，克服MFNPs在生物医学领域应用的限制。将石墨烯与MFNPs相结合，是解决MFNPs团簇的一个有效方案。Shadie团队[10]利用无机材料氧化石墨烯（graphene oxide，GO）对CoFe2O4纳米粒子表面进行修饰来治疗乳腺癌。具有铁磁性的CoFe2O4纳米粒子的直径约为5 nm，在GO纳米片上分布均匀，没有出现团簇现象，对后续治疗乳腺癌的效果较为理想。Stefanie等[11]利用有机材料1-甲基-3-（十二烷基膦酸）咪唑溴化铵对Fe3O4和CoFe2O4纳米粒子表面进行修饰，提高了Fe3O4和CoFe2O4纳米颗粒的生物相容性和长期稳定性。
进一步来说，对Fe3O4和CoFe2O4纳米颗粒进行修饰后，能够起到靶向肿瘤的作用。Wang等[12]利用有机材料聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）修饰Mn-ZnFe2O4，用来提高整个材料的生物相容性，并在此基础上进一步连接透明质酸（hyaluronic acid，HA），增强对肿瘤细胞的靶向性。HA修饰的Mn-ZnFe2O4磁性纳米颗粒（MZF-HA）可通过HA与CD44（HA受体）受体-配体结合的活性靶向机制富集在高表达CD44的人肺腺癌细胞系A549中。表1[13-19]总结了关于MFNPs的表面修饰、主要作用及其相关用途。
表1
MFNPs表面修饰类型、作用及用途
Table1.
Types, function and use of MFNPs surface modification
实际上，MFNPs颗粒在接触到生物体液时，其表面会迅速吸附蛋白质分子（蛋白冠）。所以，它们在生物体内的状态是含有蛋白冠的MFNPs颗粒，蛋白冠的存在将影响MFNPs颗粒和生物体之间的相互作用。因此，可以利用MFNPs颗粒的表面修饰来改变蛋白冠表面电荷及疏水/亲水性[20]。另外，外界环境条件如温度、pH值等也会影响到蛋白冠。
2 MFNPs表面修饰后在肿瘤诊断方面的研究
2.1 磁共振成像
MRI是一种无损伤非侵入性的医学影像诊断技术，能够有效检测组织的早期异常及病变。MRI主要检测组织中氢元素的周围环境得到相关的生理生化信息[21]，要达到识别病变组织的要求，需要图像中的不同组织对比度较为强烈。为实现这一目标，临床上使用MRI造影剂来提高信号对比度，同时提高诊断的准确性和特异性。MFNPs造影剂就具有对比度强、定位准确等优点。Ali等[22]研究了具有良好生物相容性和治疗诊断特性的氧化石墨烯-锌铁氧体杂化纳米复合材料负载阿霉素（GO-ZnFe2O4/DOX）功能性生物材料，成功应用于MRI成像辅助下的宫颈癌治疗。
MRI具有无创伤、成像效果好等优点，在癌症诊断中发挥着重要作用。Xie等[23]研究了具有磁性的Mn-ZnFe2O4材料（尺寸约为14 nm），通过与荧光量子点的复合实现了磁共振成像与荧光成像双功能。在Mn-ZnFe2O4材料（MNCs）表面修饰生物相容性能优异的聚乙二醇（DSPE-PEG2000）形成MNCs@PEG纳米系统，接着用精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸环三肽（tripeptide Arg-Gly-Asp，RGD）修饰，构成MNCs@RGD纳米载体。对比于MNCs@PEG，MNCs@RGD纳米载体能主动靶向到目标细胞及组织上，并且能延长在肿瘤中的聚集时间。
2.2 多模态成像
然而，单独的MRI在应用中也存在一些局限性，如精确定量相对困难、灵敏度相对较低等。为了解决以上问题，有较多的研究工作通过设计多模态纳米探针与其他成像方式［如计算机断层扫描（computed tomography，CT）和正电子发射计算机断层扫描（positron emission tomography，PET）］的集成和优势互补，增强其定量能力及诊断的灵敏度，从而进一步分析肿瘤的性质。Pellico等[24]制备了掺杂68Ga的超小MFNPs纳米系统，进一步用葡聚糖修饰掺杂68Ga的超小MFNPs纳米系统并且外接了RGB多肽，实现靶向肿瘤的多模态PET/MR成像。该纳米系统在肿瘤部位迅速积累，具有较好的安全性、稳定性和高效性，可对肿瘤进行精准探测。
3 MFNPs表面修饰后在肿瘤治疗方面的应用
3.1 光致效应治疗肿瘤
在治疗肿瘤的手段中，利用光致效应治疗肿瘤成为相对有效的方法。光致效应治疗方法包括PDT和PTT[25]。用于光致效应治疗肿瘤的激光一般选择近红外光，因它具有更长波长的光子，可减少治疗过程中的散射，有助于更深地渗透到生物组织中[26]。PDT是利用光敏剂（photosensitizer，PS）吸收特定波长激光的能量，将能量传递给周围的氧分子，产生高细胞毒性的活性氧（reactive oxygen species，ROS），使癌细胞凋亡[27]。Kuo等[28]通过简单的一步水热反应制备了亚甲基蓝固定化铜铁氧体纳米颗粒（MB-CuFe NPs），以期达到更好的光治疗效果。CuFe NPs作为Fenton催化剂将过氧化氢（H2O2）转化为ROS，并且MB光敏剂吸附在CuFe NPs表面，促进药物进入细胞，当用660 nm的激光照射时，产生了明显的单线态氧，提高了PDT治疗癌细胞的效果。MB-CuFe NPs在治疗癌症方面具有广阔的发展前景。
Maqusood等[29]采用热共沉淀法制备了铜铁氧体纳米颗粒，研究了在人乳腺癌（MCF-7）细胞中的反应情况。通过荧光法检测细胞内的二氯荧光黄素（dichlorofluorescein，DCF）来判定细胞内ROS的产生，实验发现与对照组相比，铜铁氧体纳米颗粒处理过的MCF-7细胞出现高强度的绿色荧光（DCF染料），ROS随着铜铁氧体纳米颗粒浓度的增加而增加，而细胞里的谷胱甘肽（glutathione，GSH）随之减少。铜铁氧体纳米颗粒可诱导MCF-7细胞活性降低和细胞膜损伤，并且在细胞中产生ROS和消耗GSH。
PTT是在激光照射的基础上，将光热剂（photothermal agents，PTAs）注入人体，靶向聚集在肿瘤细胞周围，将光能转化为热能杀死癌细胞[30-31]。Zhou等[32]报道了PTT与免疫治疗相结合能够使肿瘤消融并诱导宿主发生免疫反应。该研究工作利用聚乙二醇包覆MnFe2O4纳米颗粒结合卵白蛋白（ovalbumin，OVA）负载R837，得到R837-OVA-PEG-MnFe2O4纳米颗粒，用PTT协同免疫治疗乳腺癌。激光照射下的R837-OVA-PEG-MnFe2O4 NPs能够有效抑制肿瘤生长，防止癌细胞转移，延长生存时间，提高生存率。该工作为PTT联合免疫疗法治疗乳腺癌和其他转移性癌症提供了一种新的策略。
3.2 磁热治疗
MHT是磁性材料在交变磁场中产生磁损耗，导致材料产热并使周围的温度升高，达到杀死肿瘤细胞的效果[33-34]。MHT在治疗肿瘤和其他疾病方面都有着巨大的应用前景。在外加交变磁场下，磁性MFNPs材料靶向定位到肿瘤细胞及组织中进行产热，继而杀死癌细胞、消除肿瘤组织。Zhang等[35]对聚丙烯酸包覆氧化铁纳米环（iron oxide nanorings，FVIOs）进行了制备和研究。将含有FVIOs样品的细胞放入磁热装置中，在外加交变磁场中进行磁热处理，研究不均匀磁场下FVIOs纳米颗粒对癌细胞的杀伤情况。将含有FVIOs纳米颗粒的MCF-7癌细胞置于培养皿中，放置在铜线圈内的不同位置。使用热红外成像仪检测MHT处理后铜线圈不同位置（铜线圈顶部、中间和边缘）的温度增量，结果发现铜线圈中间的温度明显高于铜线圈顶部和边缘的温度。接着直观地对MHT处理后的细胞存活率做了统计，结果发现铜线圈顶部、中间和边缘处的细胞存活率分别为92%、68%和92%。铜线圈中间位点的细胞死亡最为明显，可能是由于中间位点的培养基温度最高所导致的。MHT处理过程中，在线圈的不同点温度不均匀，因此在采用MHT方法时应该高度关注这一点。在MHT处理10 min后，AO/EB染色的细胞荧光图像显示在线圈中间位点处的细胞显示出较强的红色荧光，其致死率也最高。
虽然MHT无创且对深部肿瘤具有良好的组织穿透性，但由于静脉注射磁性纳米颗粒的磁热效率有限，且在肿瘤内积累不足，致使MHT治疗效率较低。Pan等[36]利用MHT方法治疗原位肝癌。制备了核壳结构的Zn-CoFe2O4@Zn-MnFe2O4超顺磁性纳米粒子（ZCMF），由于其核壳之间的交换耦合磁性及Zn2+的掺杂，ZCMF具有良好的高可控磁热性能。基于ZCMF的MHT治疗方法几乎能够完全抑制肝癌细胞增殖和肿瘤生长。这项工作证明了MHT在治疗肝癌中的巨大潜力，而且进一步揭示了MHT在肝癌治疗中的潜在免疫激活机制。
3.3 药物传递
利用生物相容性磁性纳米颗粒作为靶向药物载体构建较为稳定的给药系统，通过静脉注射进入生物体内，并在外磁场作用下将给药系统定点集中在肿瘤细胞周围释放[37-39]。很多传统药物缺乏对目标位置的靶向性，而且如果选用的药物治疗效果不明显，需要加大治疗剂量，同时也会伤害到正常的细胞和组织，对人体产生较大的毒副作用。为了减小毒副作用，降低用药量的同时提高靶向性，Xu等[40]利用量子点、超顺磁性MFNPs、西伦肽构建了具有良好稳定性的药物传递脂质体QSC-Lip纳米系统，可在外磁场下磁靶向胶质瘤，指导胶质瘤的手术切除。将QSC溶液和QSC-Lip溶液分别通过静脉注射到两组小鼠体内，对小鼠术前、术后拍摄明场视野图像及荧光图像进行分析。通过小鼠术前两组明场图像观察到脑内有明显的胶质瘤斑块，但与正常脑实质边界模糊。分析荧光图像相关数据，QSC组中没有发现荧光聚集在胶质瘤内部，仅有微小的荧光点分散在大块脑组织中；而QSC-Lip组大鼠肿瘤区荧光较强。QSC-Lip纳米系统能够与胶质瘤特异性结合，靶向传递药物从而有效抑制肿瘤。
4 MFNPs表面修饰后在非肿瘤领域的应用
4.1 基因递送
MFNPs表面修饰后能够作为载体来实现基因递送，而基因治疗离不开基因递送载体，因为单个基因注射入体内后，会被体液物质和酶迅速降解和破坏，带负电荷的大分子核酸由于静电斥力的作用难以接近和穿过带相同电荷的细胞膜[41]。基因递送系统能够阻止核酸的酶降解，促进基因的细胞内化和靶向释放，提高治疗效果。通常利用有机配体（如聚乙二醇、氨基硅烷、壳聚糖或聚氨基胺等）修饰MFNPs进行基因递送[42]。Stephen等[43]利用壳聚糖、聚乙二醇共聚物和苯邻二酚修饰Fe3O4构建Fe3O4-PEI-PEG基因载体系统，用于增强编码质粒DNA红色荧光蛋白的转染。结果表明负载DNA的Fe3O4-PEI-PEG在体外具有显著的转染效果。因此，Fe3O4-PEI-PEG基因载体与DNA结合可用于靶向基因传递系统中。
4.2 阿尔茨海默病
AD是一种不可逆转的脑部疾病，是由大脑神经细胞组织中淀粉样β蛋白的积累引起的。由于蛋白质的积累，大脑中神经细胞之间的连接被破坏，导致神经细胞功能紊乱或死亡。AD可导致记忆丧失、认知障碍、焦虑、困惑、情绪波动、说话困难等症状，对患者的生活及健康造成严重的影响[44]。治疗AD的药物（多奈哌齐、利瓦斯蒂明、美金刚等）可以改善症状，但不能阻止、减缓或预防该病的发展。因此，对于AD的早期诊断及有效治疗显得尤为迫切。Cesur等[45]通过T型结装置用爆破微气泡制备了聚乙烯醇（PVA）、PVA/铋铁氧体（BiFeO3）和PVA/BiFeO3/盐酸多奈哌齐（donepezil hydrochloride，DO）单分散聚合物纳米颗粒。研究表明，PVA/BiFeO3/DO纳米系统能够控制生物活性物质在大脑中的有效分布和可控释放，同时装载治疗药物。在BiFeO3存在的情况下，可通过改变电流和电压来影响DO的释放，实现对AD治疗药物的释放及调控。
5 总结与展望
综上所述，MFNPs在生物医学领域已经广泛应用，本文汇总了有关MFNPs的表面修饰方法，并且结合其磁性和结构设计，讨论了MFNPs的使用情况。目前MFNPs广泛用于MRI成像，能准确指导术前诊断及术后恢复评估。MFNPs在外加磁场下可以靶向定位肿瘤组织并产生杀死癌细胞的治疗效果。将高温、免疫反应、靶向递药等结合起来治疗肿瘤或其他疾病是目前治疗领域的新趋势，表面修饰MFNPs纳米平台是未来临床应用的新方向。
重要声明
利益冲突声明：本文全体作者均声明不存在利益冲突。
作者贡献声明：张琳雪撰写论文初稿，余忠、李启帆、蒋晓娜、邬传健修改论文，努尔尼沙·阿力甫、兰中文、孙科指导、修改和审校论文。
0 引言
随着纳米技术的迅速发展，铁氧体磁性纳米颗粒（magnetic ferrite nanoparticles，MFNPs），包括钴铁氧体（cobalt ferrite，CoFe2O4）、锰铁氧体（manganese ferrite，MnFe2O4）、锌铁氧体（zinc ferrite，ZnFe2O4）、锰锌铁氧体（manganese zinc ferrite，Mn-ZnFe2O4）等，由于制备方法（溶剂热法、高温热解法、气相沉积等）简单、稳定性强和独特的磁学性能得到了广泛的研究[1-2]。经过表面修饰的MFNPs具有生物相容性好、功能性强等优点[3-4]，在磁共振造影剂、光热疗、磁热疗、基因递送、磁力辅助药物输送、细胞和组织靶向等生物医学领域方面得到广泛使用[5-6]。尤其在肿瘤治疗和生物成像方面，MFNPs有着非常广泛的应用前景，具有磁性的MFNPs能够提高药物的靶向性，降低药物对正常细胞的损伤[7-8]。因此，改善MFNPs磁性能和提高其生物相容性能够推进MFNPs在生物医学方面的应用[9]。
本文分析讨论了对不同类型MFNPs的表面修饰，进一步探讨了MFNPs作为药物载体在生物成像［如磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）、红外荧光成像］、肿瘤治疗［如光热治疗（photothermal therapy，PTT）、光动力治疗（photodynamic therapy，PDT）、磁热治疗（magnetic heat treatment，MHT）］及其在非肿瘤领域［如阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）、基因递送（gene delivery，GD）］的发展及应用，总结了MFNPs在生物医学领域目前面临的挑战和未来的发展趋势。
1 铁氧体磁性纳米颗粒的表面修饰
为了使磁性可调控的MFNPs在生物领域得到更好的应用，需要进一步提高其生物相容性。对于MFNPs的表面修饰通常包括：① 有机物修饰MFNPs；② 无机物修饰MFNPs。将无机小分子或有机物修饰在MFNPs表面，增加其亲水性和生物相容性，在一定程度上防止出现MFNPs团簇现象，克服MFNPs在生物医学领域应用的限制。将石墨烯与MFNPs相结合，是解决MFNPs团簇的一个有效方案。Shadie团队[10]利用无机材料氧化石墨烯（graphene oxide，GO）对CoFe2O4纳米粒子表面进行修饰来治疗乳腺癌。具有铁磁性的CoFe2O4纳米粒子的直径约为5 nm，在GO纳米片上分布均匀，没有出现团簇现象，对后续治疗乳腺癌的效果较为理想。Stefanie等[11]利用有机材料1-甲基-3-（十二烷基膦酸）咪唑溴化铵对Fe3O4和CoFe2O4纳米粒子表面进行修饰，提高了Fe3O4和CoFe2O4纳米颗粒的生物相容性和长期稳定性。
进一步来说，对Fe3O4和CoFe2O4纳米颗粒进行修饰后，能够起到靶向肿瘤的作用。Wang等[12]利用有机材料聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）修饰Mn-ZnFe2O4，用来提高整个材料的生物相容性，并在此基础上进一步连接透明质酸（hyaluronic acid，HA），增强对肿瘤细胞的靶向性。HA修饰的Mn-ZnFe2O4磁性纳米颗粒（MZF-HA）可通过HA与CD44（HA受体）受体-配体结合的活性靶向机制富集在高表达CD44的人肺腺癌细胞系A549中。表1[13-19]总结了关于MFNPs的表面修饰、主要作用及其相关用途。
表1
MFNPs表面修饰类型、作用及用途
Table1.
Types, function and use of MFNPs surface modification
实际上，MFNPs颗粒在接触到生物体液时，其表面会迅速吸附蛋白质分子（蛋白冠）。所以，它们在生物体内的状态是含有蛋白冠的MFNPs颗粒，蛋白冠的存在将影响MFNPs颗粒和生物体之间的相互作用。因此，可以利用MFNPs颗粒的表面修饰来改变蛋白冠表面电荷及疏水/亲水性[20]。另外，外界环境条件如温度、pH值等也会影响到蛋白冠。
2 MFNPs表面修饰后在肿瘤诊断方面的研究
2.1 磁共振成像
MRI是一种无损伤非侵入性的医学影像诊断技术，能够有效检测组织的早期异常及病变。MRI主要检测组织中氢元素的周围环境得到相关的生理生化信息[21]，要达到识别病变组织的要求，需要图像中的不同组织对比度较为强烈。为实现这一目标，临床上使用MRI造影剂来提高信号对比度，同时提高诊断的准确性和特异性。MFNPs造影剂就具有对比度强、定位准确等优点。Ali等[22]研究了具有良好生物相容性和治疗诊断特性的氧化石墨烯-锌铁氧体杂化纳米复合材料负载阿霉素（GO-ZnFe2O4/DOX）功能性生物材料，成功应用于MRI成像辅助下的宫颈癌治疗。
MRI具有无创伤、成像效果好等优点，在癌症诊断中发挥着重要作用。Xie等[23]研究了具有磁性的Mn-ZnFe2O4材料（尺寸约为14 nm），通过与荧光量子点的复合实现了磁共振成像与荧光成像双功能。在Mn-ZnFe2O4材料（MNCs）表面修饰生物相容性能优异的聚乙二醇（DSPE-PEG2000）形成MNCs@PEG纳米系统，接着用精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸环三肽（tripeptide Arg-Gly-Asp，RGD）修饰，构成MNCs@RGD纳米载体。对比于MNCs@PEG，MNCs@RGD纳米载体能主动靶向到目标细胞及组织上，并且能延长在肿瘤中的聚集时间。
2.2 多模态成像
然而，单独的MRI在应用中也存在一些局限性，如精确定量相对困难、灵敏度相对较低等。为了解决以上问题，有较多的研究工作通过设计多模态纳米探针与其他成像方式［如计算机断层扫描（computed tomography，CT）和正电子发射计算机断层扫描（positron emission tomography，PET）］的集成和优势互补，增强其定量能力及诊断的灵敏度，从而进一步分析肿瘤的性质。Pellico等[24]制备了掺杂68Ga的超小MFNPs纳米系统，进一步用葡聚糖修饰掺杂68Ga的超小MFNPs纳米系统并且外接了RGB多肽，实现靶向肿瘤的多模态PET/MR成像。该纳米系统在肿瘤部位迅速积累，具有较好的安全性、稳定性和高效性，可对肿瘤进行精准探测。
3 MFNPs表面修饰后在肿瘤治疗方面的应用
3.1 光致效应治疗肿瘤
在治疗肿瘤的手段中，利用光致效应治疗肿瘤成为相对有效的方法。光致效应治疗方法包括PDT和PTT[25]。用于光致效应治疗肿瘤的激光一般选择近红外光，因它具有更长波长的光子，可减少治疗过程中的散射，有助于更深地渗透到生物组织中[26]。PDT是利用光敏剂（photosensitizer，PS）吸收特定波长激光的能量，将能量传递给周围的氧分子，产生高细胞毒性的活性氧（reactive oxygen species，ROS），使癌细胞凋亡[27]。Kuo等[28]通过简单的一步水热反应制备了亚甲基蓝固定化铜铁氧体纳米颗粒（MB-CuFe NPs），以期达到更好的光治疗效果。CuFe NPs作为Fenton催化剂将过氧化氢（H2O2）转化为ROS，并且MB光敏剂吸附在CuFe NPs表面，促进药物进入细胞，当用660 nm的激光照射时，产生了明显的单线态氧，提高了PDT治疗癌细胞的效果。MB-CuFe NPs在治疗癌症方面具有广阔的发展前景。
Maqusood等[29]采用热共沉淀法制备了铜铁氧体纳米颗粒，研究了在人乳腺癌（MCF-7）细胞中的反应情况。通过荧光法检测细胞内的二氯荧光黄素（dichlorofluorescein，DCF）来判定细胞内ROS的产生，实验发现与对照组相比，铜铁氧体纳米颗粒处理过的MCF-7细胞出现高强度的绿色荧光（DCF染料），ROS随着铜铁氧体纳米颗粒浓度的增加而增加，而细胞里的谷胱甘肽（glutathione，GSH）随之减少。铜铁氧体纳米颗粒可诱导MCF-7细胞活性降低和细胞膜损伤，并且在细胞中产生ROS和消耗GSH。
PTT是在激光照射的基础上，将光热剂（photothermal agents，PTAs）注入人体，靶向聚集在肿瘤细胞周围，将光能转化为热能杀死癌细胞[30-31]。Zhou等[32]报道了PTT与免疫治疗相结合能够使肿瘤消融并诱导宿主发生免疫反应。该研究工作利用聚乙二醇包覆MnFe2O4纳米颗粒结合卵白蛋白（ovalbumin，OVA）负载R837，得到R837-OVA-PEG-MnFe2O4纳米颗粒，用PTT协同免疫治疗乳腺癌。激光照射下的R837-OVA-PEG-MnFe2O4 NPs能够有效抑制肿瘤生长，防止癌细胞转移，延长生存时间，提高生存率。该工作为PTT联合免疫疗法治疗乳腺癌和其他转移性癌症提供了一种新的策略。
3.2 磁热治疗
MHT是磁性材料在交变磁场中产生磁损耗，导致材料产热并使周围的温度升高，达到杀死肿瘤细胞的效果[33-34]。MHT在治疗肿瘤和其他疾病方面都有着巨大的应用前景。在外加交变磁场下，磁性MFNPs材料靶向定位到肿瘤细胞及组织中进行产热，继而杀死癌细胞、消除肿瘤组织。Zhang等[35]对聚丙烯酸包覆氧化铁纳米环（iron oxide nanorings，FVIOs）进行了制备和研究。将含有FVIOs样品的细胞放入磁热装置中，在外加交变磁场中进行磁热处理，研究不均匀磁场下FVIOs纳米颗粒对癌细胞的杀伤情况。将含有FVIOs纳米颗粒的MCF-7癌细胞置于培养皿中，放置在铜线圈内的不同位置。使用热红外成像仪检测MHT处理后铜线圈不同位置（铜线圈顶部、中间和边缘）的温度增量，结果发现铜线圈中间的温度明显高于铜线圈顶部和边缘的温度。接着直观地对MHT处理后的细胞存活率做了统计，结果发现铜线圈顶部、中间和边缘处的细胞存活率分别为92%、68%和92%。铜线圈中间位点的细胞死亡最为明显，可能是由于中间位点的培养基温度最高所导致的。MHT处理过程中，在线圈的不同点温度不均匀，因此在采用MHT方法时应该高度关注这一点。在MHT处理10 min后，AO/EB染色的细胞荧光图像显示在线圈中间位点处的细胞显示出较强的红色荧光，其致死率也最高。
虽然MHT无创且对深部肿瘤具有良好的组织穿透性，但由于静脉注射磁性纳米颗粒的磁热效率有限，且在肿瘤内积累不足，致使MHT治疗效率较低。Pan等[36]利用MHT方法治疗原位肝癌。制备了核壳结构的Zn-CoFe2O4@Zn-MnFe2O4超顺磁性纳米粒子（ZCMF），由于其核壳之间的交换耦合磁性及Zn2+的掺杂，ZCMF具有良好的高可控磁热性能。基于ZCMF的MHT治疗方法几乎能够完全抑制肝癌细胞增殖和肿瘤生长。这项工作证明了MHT在治疗肝癌中的巨大潜力，而且进一步揭示了MHT在肝癌治疗中的潜在免疫激活机制。
3.3 药物传递
利用生物相容性磁性纳米颗粒作为靶向药物载体构建较为稳定的给药系统，通过静脉注射进入生物体内，并在外磁场作用下将给药系统定点集中在肿瘤细胞周围释放[37-39]。很多传统药物缺乏对目标位置的靶向性，而且如果选用的药物治疗效果不明显，需要加大治疗剂量，同时也会伤害到正常的细胞和组织，对人体产生较大的毒副作用。为了减小毒副作用，降低用药量的同时提高靶向性，Xu等[40]利用量子点、超顺磁性MFNPs、西伦肽构建了具有良好稳定性的药物传递脂质体QSC-Lip纳米系统，可在外磁场下磁靶向胶质瘤，指导胶质瘤的手术切除。将QSC溶液和QSC-Lip溶液分别通过静脉注射到两组小鼠体内，对小鼠术前、术后拍摄明场视野图像及荧光图像进行分析。通过小鼠术前两组明场图像观察到脑内有明显的胶质瘤斑块，但与正常脑实质边界模糊。分析荧光图像相关数据，QSC组中没有发现荧光聚集在胶质瘤内部，仅有微小的荧光点分散在大块脑组织中；而QSC-Lip组大鼠肿瘤区荧光较强。QSC-Lip纳米系统能够与胶质瘤特异性结合，靶向传递药物从而有效抑制肿瘤。
4 MFNPs表面修饰后在非肿瘤领域的应用
4.1 基因递送
MFNPs表面修饰后能够作为载体来实现基因递送，而基因治疗离不开基因递送载体，因为单个基因注射入体内后，会被体液物质和酶迅速降解和破坏，带负电荷的大分子核酸由于静电斥力的作用难以接近和穿过带相同电荷的细胞膜[41]。基因递送系统能够阻止核酸的酶降解，促进基因的细胞内化和靶向释放，提高治疗效果。通常利用有机配体（如聚乙二醇、氨基硅烷、壳聚糖或聚氨基胺等）修饰MFNPs进行基因递送[42]。Stephen等[43]利用壳聚糖、聚乙二醇共聚物和苯邻二酚修饰Fe3O4构建Fe3O4-PEI-PEG基因载体系统，用于增强编码质粒DNA红色荧光蛋白的转染。结果表明负载DNA的Fe3O4-PEI-PEG在体外具有显著的转染效果。因此，Fe3O4-PEI-PEG基因载体与DNA结合可用于靶向基因传递系统中。
4.2 阿尔茨海默病
AD是一种不可逆转的脑部疾病，是由大脑神经细胞组织中淀粉样β蛋白的积累引起的。由于蛋白质的积累，大脑中神经细胞之间的连接被破坏，导致神经细胞功能紊乱或死亡。AD可导致记忆丧失、认知障碍、焦虑、困惑、情绪波动、说话困难等症状，对患者的生活及健康造成严重的影响[44]。治疗AD的药物（多奈哌齐、利瓦斯蒂明、美金刚等）可以改善症状，但不能阻止、减缓或预防该病的发展。因此，对于AD的早期诊断及有效治疗显得尤为迫切。Cesur等[45]通过T型结装置用爆破微气泡制备了聚乙烯醇（PVA）、PVA/铋铁氧体（BiFeO3）和PVA/BiFeO3/盐酸多奈哌齐（donepezil hydrochloride，DO）单分散聚合物纳米颗粒。研究表明，PVA/BiFeO3/DO纳米系统能够控制生物活性物质在大脑中的有效分布和可控释放，同时装载治疗药物。在BiFeO3存在的情况下，可通过改变电流和电压来影响DO的释放，实现对AD治疗药物的释放及调控。
5 总结与展望
综上所述，MFNPs在生物医学领域已经广泛应用，本文汇总了有关MFNPs的表面修饰方法，并且结合其磁性和结构设计，讨论了MFNPs的使用情况。目前MFNPs广泛用于MRI成像，能准确指导术前诊断及术后恢复评估。MFNPs在外加磁场下可以靶向定位肿瘤组织并产生杀死癌细胞的治疗效果。将高温、免疫反应、靶向递药等结合起来治疗肿瘤或其他疾病是目前治疗领域的新趋势，表面修饰MFNPs纳米平台是未来临床应用的新方向。
重要声明
利益冲突声明：本文全体作者均声明不存在利益冲突。
作者贡献声明：张琳雪撰写论文初稿，余忠、李启帆、蒋晓娜、邬传健修改论文，努尔尼沙·阿力甫、兰中文、孙科指导、修改和审校论文。
