1　磁性铁氧化物颗粒产热的物理学机制

磁性铁氧化物颗粒在交变磁场中吸收外界磁能转化为自身的热能. 磁热疗就是将产生的热能传递至周围的病灶组织产生热损伤，从而达到治疗效果. 目前认为，磁性材料在交变场中的产热机制主要有涡流(eddy current)、磁滞(hysteresis)和弛豫(relaxation). 由于纳米尺寸磁性材料在交变磁场下的涡流效应很小，产热通常可以忽略，因此这里主要讨论磁性纳米颗粒的磁滞与弛豫产热机制. 磁滞产热是指磁性物质磁矩的变化总是滞后于外界磁场方向的变化，磁场对其做功，因而一部分磁能以热能的形式储存在颗粒中（图1a）. 弛豫产热主要是由于磁性物质的内耗，具体又可分为尼尔弛豫(Néel relaxation)和布朗弛豫(Brownian relaxation)两种. 如图1b所示，尼尔弛豫是指当外界磁场方向改变时，磁颗粒内部的磁矩方向发生改变，偏转至外界磁场方向；而布朗弛豫（图1c）是指磁颗粒在布朗运动下整个颗粒发生旋转，带动磁矩偏转至外界磁场方向.

图1 磁性材料产热机制模式图

Fig. 1 The schematic diagram of magnetocaloric mechanism

注：(a) 磁滞产热； (b) 尼尔弛豫产热； (c) 布朗弛豫（修改自[8]）.

磁性颗粒产热的理论模型建立，一直是磁热疗研究的重点. 超顺磁磁性材料目前使用较多的模型是由Rosensweig^[9]于2002年总结提出，本文主要基于该计算模型介绍.

超顺磁颗粒在交变磁场中的功耗P(volumetric power dissipation)：P=πμ0χ''H2f. 其中，μ₀为真空磁导率，χ"为颗粒的虚部磁化率，H为外磁场强度，f为磁场频率. 由此可见，磁性颗粒的产热性能，除了与外磁场的频率和场强相关，还与其虚部磁化率有关. 而虚部磁化率χ''=χ0ωτ1+(ωτ)2. 其中，χ₀ 为平衡磁化率，ω为磁场角动量(ω=2πf)，τ为弛豫时间. 因此，磁性材料的功耗实际与材料的平衡磁化率和弛豫时间有关.

在实际应用过程中，为方便计算比较不同磁性纳米材料产热效率的高低，引入了SAR(specific absorption rate)的概念（其等效概念为SLP，specific loss power），定义为单位质量磁性材料在单位时间内的产热功率，表达式为SAR=CVm×ΔTΔt，单位为W/g. 其中C为溶液的比热容，V为溶液体积，m为Fe 质量或磁性材料质量.

2　磁性纳米颗粒磁热效率的影响因素

除施加磁场的条件外，对于磁滞产热的磁性材料，其产热效率与磁滞回线的面积即磁能面积成正比；而弛豫产热磁性材料则主要取决于其虚部磁化率的大小和弛豫时间.

2.1　磁性来源

磁铁矿(Fe₃O₄)具有反尖晶石结构，属等轴晶系. 在晶体中，Fe²⁺占据了一半的八面体B位，而Fe³⁺一半占据八面体B位，另一半占据四面体A位(图2). 因此，磁铁矿的化学形式又可表示为Fe³⁺(Fe²⁺Fe³⁺)O₄. 而Fe²⁺之所以会优先进入八面体位，则是由晶体场能量最低原理决定的. Fe²⁺在四面体位的晶体场稳定化能（crystal field stabilization energy，CFSE）约为7.5 kcal/mol，而在八面体位CFSE约为11.4 kcal/mol，是四面体位的1.5倍. 因此，Fe²⁺会优先进入到八面体位，使得整体的静电能更低从而更加稳定^[10].

图2 磁铁矿尖晶石结构模式图

Fig. 2 The crystal structure of magnetite

注：(a) 磁铁矿结构模式图； (b) 四面体位及八面体位（修改自[11]）.

磁性的本质在于原子或离子内部的电子运动，轨道运动产生轨道磁矩，自旋运动产生自旋磁矩. 过渡族元素离子的磁矩主要来自于未配对电子的自旋所产生的自旋磁矩. 过渡元素失去电子以后，d轨道的未配对电子直接暴露在离子最外围，受周围电子影响，其轨道运动受到抑制，不能快速顺应磁场的变化，因此轨道磁矩表现微弱，而未配对电子的自旋运动则不受或很少受到周围电子的影响，能很好地顺应磁场的变化，因此自旋磁矩相对较强. 磁铁矿的磁性主要来自于八面体位Fe²⁺未配对电子自旋所产生的自旋磁矩. 这是由于八面体位中的Fe³⁺与四面体中的Fe³⁺未配对电子数相同，而自旋方向相反，因而产生的自旋磁矩相互抵消，净磁矩为零.

磁赤铁矿(γ-Fe₂O₃)的晶格与磁铁矿相似，属尖晶石结构. 可由磁铁矿八面体位的Fe²⁺氧化为Fe³⁺生成，这导致其晶格中有1/3（3Fe²⁺→2Fe³⁺）的原Fe²⁺八面体位形成空位. 因此，磁赤铁矿的磁性来源比较复杂，但是可以相应地简化理解为八面体位取代Fe²⁺的Fe³⁺电子自旋所产生的自旋磁矩.

铁氧化物掺杂衍生物的磁性来源，主要取决于元素的掺杂位置. 在元素掺杂形成M_XFe_3-XO₄（M表示掺杂元素，x表示该元素的掺杂比例）的过程中，二价过渡元素主要进入到八面体位取代Fe²⁺位置，但有的也可以进入到四面体位^[10,12,13]. 当过渡元素进入八面体位后，其磁性机制与磁铁矿相似，主要来自于过渡元素的未配对电子自旋磁矩和未被取代的Fe²⁺的自旋磁矩. 而当元素掺杂到四面体位时，由于未配对电子数的不同，与八面体位Fe³⁺自旋磁矩不能相互抵消，主要取决于净磁矩.

2.2　磁性纳米铁氧化物种类对产热效率的影响

Yoon等^[14]采用高温热分解[Fe(CO)₅]获得单质纳米Fe核，继而添加铁的油酸复合物合成外部Fe₃O₄壳结构，合成的Fe@Fe₃O₄核壳纳米颗粒粒径约为16 nm，其中Fe₃O₄壳约为3 nm，Fe核约为13 nm. 与同粒径Fe₃O₄相比，其饱和磁化强度由 95 emu/g 提高至142 emu/g.

Zhou等^[15]制备出偶联RGDyK抗体PEG包被的11.5 nm Fe@Fe₃O₄(RGD-PEG-Fe@Fe₃O₄),其饱和磁化强度约为100 emu/g^[16]. 体外升温实验中，1 ml浓度为1 mg[Fe]/ml样品在598.0 kHz、 24 kA/m磁场条件下，15 min内约从24.5℃升温至38℃，升温(ΔT)达到13.5℃，其产热效率(SLP)约为172.5 W/g[Fe].

Garaio等^[17]利用共沉淀的方法合成Fe₃O₄后，在低pH条件下使用硝酸铁(iron nitrate)氧化生成γ-Fe₂O₃，粒径约为12 nm. 体外测试1.5 ml浓度为33 g/L γ-Fe₂O₃在不同磁场频率及强度下的升温效果，其SLP最高可达629 W/g(12 s)，使用的外加磁场条件为24 kA/m、958 kHz. 值得注意的是，他们通过测定不同磁场频率下磁性材料的磁滞回线，并基于磁滞回线面积估算产热效率(SLP)，发现其计算结果与实际磁场条件下测定的产热效率非常接近，差异小于6%.

Sabale等^[18]利用共沉淀的方法，按照M∶Fe=1∶2的化学剂量比在二甘醇溶液中210℃回流3 h后洗涤干燥，获得粒径小于10 nm的样品. 磁学结果表明，合成的颗粒为铁磁性，存在一定的矫顽力. 其中4 nm CoFe₂O₃、8.35 nm ZnFe₂O₃ 的矫顽力分别为12.38 mT、6.73 mT. 而7.0 nm MnFe₂O₃、7.0 nm NiFe₂O₃ 矫顽力则分别为4.45 mT、2.00 mT. 在体外溶液的磁热测试中，20 g/L 样品浓度，在276 kHz、33.5 kA/m 的磁场条件下，1 200 s 时，温度变化CoFe₂O₃约为21℃、ZnFe₂O₃约为26℃、MnFe₂O₃约为1℃、NiFe₂O₃约为6℃，对应的产热效率(SLP)为28.5 W/g(CoFe₂O₃)、12.5 W/g(ZnFe₂O₃)（Mn、Ni未给出）.

2.3　铁氧化颗粒尺寸对产热效率的影响

对于超顺磁磁性纳米颗粒来说，尺寸效应往往较其他效应更加可控. 另外，对于给定的磁场条件下，磁颗粒通常会存在一个磁热效率最高的尺寸. 磁铁矿磁热效率最高的粒径大约在6.5 nm左右，磁赤铁矿γ-Fe₂O₃在10.5 nm附近，而钴铁氧体则在4 nm左右(图3a)^[9]. 值得注意的是，磁铁矿的产热速率从5 nm处的约25 K/s快速增加至7 nm处的约700 K/s，磁赤铁矿等也存在类似的现象. 理想条件下，磁铁矿、磁赤铁矿的加热速度或加热效率足够满足热疗所需，然而实际上却很少有文献报道如此高的产热效率，这可能是因为理想模型中尺寸分布标准差σ=0，而目前磁性材料的合成，通常都存在一定的尺寸分布，这就可能会降低整体的产热效率. 对于磁铁矿来说，当粒径分布从σ=0增加至σ=0.05时，加热速率从最高700 K/s左右迅速降至400 K/s左右，而当σ=0.25时，加热速率只有 100 K/s左右（图3b)^[9]. 因此，在探讨尺寸效应的同时，应综合考虑粒径的分布.

图3 磁性材料尺寸及尺寸分布对产热速度的影响.

Fig. 3 The simulation of size’s and size distribution’s effect on heating rate

注：（a）3种磁性材料不同粒径(R₀)与加热速度关系：1，CoFe₂O₃；2，Fe₃O₄；3，γ-Fe₂O₃.（b）磁铁矿不同粒径分布下尺寸与加热速度. （修改自[9]）.

DeLa Presa等^[19]采用共沉淀方法合成γ-Fe₂O₃，粒径在 6.3~12.7 nm，σ约为0.2，磁学结果显示磁性颗粒250 K下矫顽力均小于1 mT，近乎超顺磁. 随后，DeLa Presa等测试了50 g[Fe]/L 不同粒径的磁性材料在7.5 kA/m、522.7 kHz 的磁场条件下水溶液升温情况，最终升温delta T及产热效率SLP分别为12.7 nm(60℃、55 W/g)、10.6 nm(57.5℃、42 W/g)、8.3 nm(10℃、10 W/g)、 6.3 nm(5℃、4 W/g)，结果表明，在标准差相近的情况下，产热效率(SLP)在一定范围内随着尺寸的增大而快速升高.

Fortin等^[20]同样采用共沉淀的方法，合成了超顺磁的γ-Fe₂O₃，粒径在5.3~10.2 nm，粒径分布σ均在0.2附近. Fortin等利用自制的磁场加热设备对质量份数ø=0.45%，0.3 ml样品在24.8 kA/m、 700 kHz磁场条件下的加热效果进行测试，发现随着颗粒粒径从5.3 nm增加到10.2 nm的过程中，产热效率SLP由4 W/g增加到275 W/g，呈指数型增长，同样的，CoFe₂O₃的产热效率也从3.9 nm时的40 W/g增加到9.1 nm时的360 W/g. 在一定程度上验证了Rosenweig的结果.

前面我们提到，铁磁性材料主要为磁滞产热，其产热效率主要取决其磁滞回线的面积（Ph=f∮MdH）^[17]，因此尽管颗粒的尺寸效应和粒径分布也存在一定的影响，但一般没有特定的规律可循，这可能是由于铁磁性材料在合成过程中，其矫顽力、饱和磁化强度与颗粒的粒径没有表现出很好的对应关系所致.

Ma等^[21]基于Fe(OH)₂胶体HNO₃氧化后与FeSO₄共沉淀的方法，合成了粒径较大的磁性颗粒，尺寸46~418 nm. 磁性颗粒的饱和磁化强度相近，基本在12.5 Am²/kg附近，而矫顽力则随着粒径的增大从46 nm时10.1 mT减小到416 nm时的5.4 mT，因此其最终的产热效率SLP也从75.6 W/g[Fe](46 nm)降到了28.9 W/g[Fe](416 nm).

2.4　施加磁场的频率与强度对产热效率的影响

磁性材料的产热效率，除了受到自身的固有属性影响外，还与外界磁场条件有关. 一般而言，磁热效率与磁场的频率（f）和场强的平方（H ²）呈线性相关，但具体取决于磁性材料的磁学性能.

2.4.1　磁场频率

前面我们提到，产热功率P与虚部磁化率χ"有关，而χ"又与f相关. 当粒径分布σ>0.1时，χ"在0.2×10⁶ < f < 3×10⁶的范围内变化较小^[9]，因此在给定的磁场强度下，磁性材料的产热效能大多与频率(f)呈线性关系.

Kallumadil等^[22]测定了16种磁性纳米颗粒的产热效率，其中给出了Miromod公司Nanomag-D100 nm磁性颗粒（100 nm为水合半径，实际尺寸为（11.8±0.6）nm）的产热效率与频率关系. 测试条件为5 g[Fe]/L，磁场强度5.66 kA/m. 结果表明，产热效率(SAR)与频率(f)在100~900 kHz范围内呈现很好的线性关系（图4a）.

图4 磁热效率(SAR)与磁场频率(f)关系

Fig. 4 SAR versus frequency

注：（a）商业化磁性材料Nanomag-D100nm SAR与 f 的线性拟合^[22]；（b）不同尺寸磁赤铁矿SAR与 f 的非线性拟合^[19].

然而也有部分研究并没有表现出很好的线性关系，DeLa Presa等^[19]对合成的不同粒径近乎超顺磁性磁赤铁矿，在50 g[Fe]/L、H=4 kA/m条件下，测试了f从166.0 kHz到739.2 kHz共计6个 频率时的产热效率(SAR)，采用方程 SAR=aτ×(2πf)21+τ2×(2πf)2对数据进行拟合，结果表明3个粒径磁性材料的拟合情况都比较好，指示产热效率SAR与频率f呈非线性相关（图4b）. 此外，Deatsch等^[23]曾基于Rosensweig超顺磁模型计算当0.01<ω=2πfτ<10时SAR与ω的关系，其结果表明，SAR与ω呈现非线性关系，而弛豫时间τ仅为温度函数. 因此，SAR应当也与f呈非线性关系. 值得注意的是，使用上述方程拟合可以直接获得弛豫时间τ，有利于产热机制的分析.

这里需要指出的是，对于多数磁性材料来说，其产热效率SLP或SAR与磁场频率f 都表现出较好的线性关系，这可能是由于：a.其虚部磁化率随频率变化较小，可近似看做常数，此时产热功率P正比于外磁场频率f；b.外磁场频率f 变化范围可能正好落在曲线的近直线部分，如图4b中当200 kHz<f<500 kHz时，曲线近似一条直线，这可能也是拟合出线性关系的原因之一；c.对于磁滞损耗产热而言，其磁滞产热功率Ph=f∮MdH，显然正比于磁场频率f.

2.4.2　磁场强度

DeLa Presa等^[19]测试了100 g[Fe]/L 13 nm γ-Fe₂O₃在f=522.7 kHz条件下，磁场强度从0.8 kA/m升至7.5 kA/m，增幅为0.4 kA/m，共计18个磁场强度下的产热情况，并以方程SAR=cfH2对数据进行拟合，发现数据拟合程度较好，指示SAR∝H ²（图5a）.

图5 产热效率SAR与磁场场强H拟合曲线

Fig. 5 SAR verus intensity.

注：SAR与H以方程SAR=cfH²拟合(a)^[19]，SAR与H以方程SAR=cH ^x拟合，随着粒径的增大，x逐渐增大(b)^[24]，虚线表示以SAR=cH ²拟合.

而对于铁磁性或超顺磁-铁磁性混合样品的产热效率与磁场的关系，则相对复杂.

Cobianchi等^[24]基于热分解乙酰丙酮铁 [Fe(ACAC)₃]制备了包被聚丙烯酸(polyacrylic acid)粒径为10.2 nm、14.6 nm、19.7 nm的 γ-Fe₂O₃，并测试了3种粒径γ-Fe₂O₃ 在110 kHz、237 kHz、 340 kHz频率下，磁场强度从3.25 kA/m升至19 kA/m过程中样品的产热情况. 作者并没有采用经典的线性应答模型(linear response theory，LRT)拟合，而是采用SLP=cHχ拟合曲线，通过x值的大小，来判定SLP与H的关系. 其拟合结果表明，对于小粒径的10.2 nm的γ-Fe₂O₃，x≈2，而对于尺寸相对较大的γ-Fe₂O₃来说，其x的值逐渐增大至2.3（图5b）.

Carrey等^[25]依据朗之万顺磁定律认为，当磁颗粒在外场中磁矩的塞曼能（Zeeman energy）与热能的比值ξ=μ0MsVHmax/κBT<1时，颗粒处于超顺磁或近似超顺磁状态，磁滞产热较弱或没有，此时颗粒的产热效率SLP∝H ²；当ξ>>1，颗粒最终进入多磁畴的状态时，满足Rayleigh模型，此时有SLP∝H ³；而当颗粒尚未进入多磁畴范围，仍处于单畴铁磁性时，符合Stoner-Wohlfarth模型，满足SLP∝H ^2-3.

3　铁氧化物颗粒磁热疗的生物学效应

肿瘤细胞生长代谢旺盛，对铁的需求较大. 结合受体靶向，磁性材料能够更多地聚集在肿瘤细胞内，有助于提高磁热效. 另外，肿瘤区域血管生成迅速、血管较细、管壁较薄、流速相对较缓，因而不能及时地将热量散发出去，易引起热滞留，从而使得肿瘤区域的温度相对正常区域较高.

热疗的具体机制目前仍不是很明确. 已有研究表明，磁热会引起细胞内活性氧（reactive oxygen species,ROS）升高及蛋白质表达异常，如热休克蛋白家族Hsp70的表达量升高^[15,26]. 另外，磁热还可能激活机体的免疫系统，提高机体免疫细胞对肿瘤细胞的识别杀伤能力^[27,28]. 目前认为，磁热疗细胞层面的损伤机制主要集中在细胞膜功能的变化、细胞骨架的坍塌、溶酶体内容物的逸出、线粒体凋亡途径、DNA的直接或间接损伤等几个方面.

3.1　细胞膜功能的变化

哺乳动物细胞膜通常由磷脂双分子层构成，其上镶嵌有跨膜蛋白等结构. 当温度升高时，磷脂分子的运动加快，流动性增加，同时磷脂分子的有序性受到削弱，通透性增加；当温度进一步升高，可能会引起跨膜蛋白的变性或者从膜上脱落，导致跨膜蛋白功能失活，最终引起细胞膜结构的不可逆改变^[29].

Calatayud等^[30]基于聚丙烯酸和月桂酸（lauric acid，LA）包被的磁性纳米颗粒对小鼠小胶质细胞BV2孵育24 h后进行磁场处理，借助扫描电子显微镜（SEM）观察细胞的形貌变化、透射电子显微镜（TEM）观察磁性材料的细胞内定位. SEM观察发现，与对照组水浴加热BV2细胞表面凹陷或小孔分布相对均匀相比，磁热处理组细胞膜表面凹陷或小孔数目相对较少，但凹陷或小孔体积较大. 结合聚焦离子束（FIB）切面观察，发现凹陷或小孔处存在大量的MNPs，存在一定的相关性；TEM观察发现，与对照组水热细胞膜结构由外至内的这种破坏相比，磁热对于细胞膜的破坏表现出较强的区域性，主要集中在MNPs附近. 综合SEM与TEM的结果，强烈暗示了MNPs的热释放过程对于细胞膜结构的破坏作用.

3.2　细胞骨架的坍塌

细胞骨架包括微丝、微管和中间丝，起着机械支撑与空间组织作用. 当细胞骨架发生变化时，细胞的形态会随之发生变化，同时各种细胞器的分布也会发生异常. 在磁场处理过程中，往往可以观察到细胞出现不同程度的肿胀或变形，这也暗示了细胞骨架的变化.

Calatayud等^[30]在对磁热处理后的细胞进行SEM和TEM观察时，发现细胞表面形成较大的凹陷，细胞内部出现较多的空洞，这表明在磁热过程中，除了对细胞膜的破坏作用外，可能还影响了细胞骨架的完整性，导致细胞的变形坍塌.

Prasad等^[31]对HeLa细胞的微管蛋白（tubulin）和肌动蛋白(actin）荧光标记后发现，空白对照组、单独磁场处理组和单独MNPs孵育组24 h后其微管蛋白与肌动蛋白的含量和分布没有明显的变化，而MNPs孵育后经磁场处理，微管蛋白与肌动蛋白迅速表现出不同程度的减少，并且随着时间的延长，其含量逐渐降低，24 h仅存在极少量的微管蛋白和肌动蛋白. 其结果提示了在磁热处理过程中对于细胞骨架的损伤，且这一损伤随着时间的延长逐渐增加（图6）.

图6 磁热对HeLa细胞核（蓝色）、微管（红色）(a)和肌动蛋白（绿色）(b)的影响

Fig. 6 Effects of MHT on HeLa cell nucleus(blue), mircotubles(red)(a) and actin(green)(b)^[31]

注：C为无处理组，F为磁场单独处理组，M为磁颗粒孵育组，MF为磁颗粒孵育后磁场处理组，数字表示处理后时间. 箭头指示为出泡区域（修改自[31]）.

3.3　溶酶体内容物的逸出

溶酶体是细胞内的一种富含多种水解酶类的囊泡状细胞器，参与胞外异物的消化降解和胞内物质的再循环. 研究表明，多数磁性材料在进入细胞后转运至溶酶体中降解.

Creixell等^[32]研究了基于共沉淀合成的14 nm磁铁矿并包覆羧甲基葡聚糖（carboxymethyldextran，CMDx）后连接表皮生长因子(epidermal growth factor，EGF)，靶向高表达该受体（EGFR）乳腺癌细胞MDA-MB-468的磁热疗效果. 结果发现，尽管整个磁场处理过程 （233 kHz、37.5 kA/m，2 h）温度维持在（37±0.2）℃（起始温度37℃），没有明显的温度变化，但5 g/L磁性材料孵育细胞后磁热处理第5天统计细胞存活状况，发现其活力普遍降至了对照组的0.05左右. 结合细胞水平定位发现磁性材料主要分布在溶酶体、小囊泡及细胞膜附近.

随后该研究组于2013年发表了关于这一相关机制的研究结果. 通过使用吖啶橙（acridine orange，AO）对乳腺癌细胞MDA-MB-231溶酶体进行标记，利用流式细胞仪对这些细胞进行荧光强度筛选统计后发现，磁场处理前后IO-CMDx-EGF实验组弱荧光细胞（指示有溶酶体破裂）的比例由11.08 %增加到了42.32 %，其变化量是空白对照组的3倍，同时也是过氧化氢阳性对照组的1.5倍左右，暗示了磁场处理过程中溶酶体的泄露（leaking）或破裂（rupture）. 另外，在对溶酶体内半胱氨酸蛋白酶家族之一的组织蛋白酶B（cathepsins B）进行荧光底物标记后，统计发现磁场作用前后实验组胞质中cathepsins B的含量增加了一倍. 综合其结果，Domenech等^[33]认为，磁性纳米材料进入细胞溶酶体后在磁场的作用下，引起溶酶体膜完整性的改变（泄露或破裂），其内容物如相关蛋白质水解酶进入到胞质中，引起细胞的应激和/或级联反应，最终导致细胞的死亡.

3.4　线粒体凋亡途径

线粒体是细胞内重要的能量产生与储存单位，其内膜向内折叠成嵴，其上分布有细胞色素. 当线粒体膜完整性或通透性发生变化，其内膜上的细胞色素c转移至细胞质中，诱发caspase依赖途径的内源性细胞凋亡通路. 另外，线粒体内呼吸链产生能量的同时，还会产生大量的活性氧，当线粒体膜完整性受到破坏时，细胞色素c转移至胞质中，容易引起线粒体内部活性氧的累积. 过量的活性氧也可能直接进入到胞质中，导致胞质中活性氧含量大幅度升高，引起氧化应激，并可能对DNA产生损伤，最终触发凋亡.

目前磁热方面关于线粒体凋亡途径的研究较少，可能是磁热的影响较为剧烈，细胞响应较多，因素相对复杂. 而水浴加热由于其温度可控性强，较为温和，因而也用来研究细胞热处理下的相关机制.

Wang等^[34]对细胞进行不同温度（37℃、40℃、42℃）的水浴加热处理后发现，细胞内ROS明显增加，且随着水温的升高、处理时间的延长而增加. 在使用ROS清除剂N-乙酰半胱氨酸（NAC）和线粒体特异性的ROS清除剂Mito-TEMPO处理后发现，细胞内ROS水平有所降低，但Mito-TEMPO处理组的降低比例要高于NAC组，且存在统计学差异，这表明线粒体对于细胞内ROS的异常上升起着主要作用. 另外在对胞质以及线粒体中细胞色素c的含量进行检测后发现，随着处理水温的升高，细胞质中细胞色素c的含量逐渐增加，线粒体中的含量逐渐减少，而Mito-TEMPO处理组的胞质中细胞色素c含量明显降低至正常水平，同时线粒体中的细胞色素c含量也恢复至正常水平. 该研究表明，水热处理过程中，可能破坏了线粒体膜的完整性或通透性，使得内膜上的细胞色素c等物质进入细胞质中，引起胞质中的活性氧升高，进而引起细胞死亡.

3.5　DNA的损伤

DNA作为细胞重要的遗传物质，其功能的正常行使，对于细胞命运起着决定性的作用. 当DNA受到少量损伤时，细胞会启动相关修复机制. 而当损伤无法完全修复或无法进行修复时，则会引起细胞的凋亡.

Hilger等^[35]曾基于不同温度（45℃~90℃）探讨DNA损伤修复与细胞活力的关系. 在对人乳腺癌细胞MX-1不同温度处理4 min后，一部分直接进行彗星实验(comet assay)测定DNA损伤，另一部分继续培养1 h后测定. 结果发现DNA的损伤随温度的升高逐渐增加，且加热温度在50℃以下时（包括50℃），DNA的损伤是可被完全修复的，当温度在55℃时，DNA的损伤只能修复部分，当温度超过60℃时，培养1 h后DNA的损伤增加，并且与高温处理后继续培养组没有太大的差异. 细胞活力的检测同样表现出了相似的结果. 这暗示了加热过程中温度或者热量对于DNA的影响. 当热量较低时，DNA损伤较小，可以被完全修复；当热量较高，DNA的损伤无法完全修复，反而会诱导细胞凋亡，进一步降解DNA. 在对荷瘤鼠直接注射磁铁矿进行磁场处理4 min后分离肿瘤细胞进行彗星实验，同样检测到DNA的大量损伤，统计结果显示约占总DNA的71.9 %（N=10）.

4　展望

热疗作为肿瘤的重要疗法之一，将逐步应用到更多类型的肿瘤治疗当中. 而磁热疗因其较高的产热效果及加热区域的高度可控，也将在肿瘤热疗中绽放光彩. 尽管目前磁热疗已经应用到一些肿瘤的临床治疗当中，但其应用程度还远不及放化疗，且自身仍然存在一些问题. 首先，磁热疗所使用的磁性材料目前缺乏科学的评估标准，尽管一些磁性材料已经商业化生产，但仍存在批次差异效应^[22]，影响最终的热疗效果. 其次，磁热疗所需的仪器设备较少，尽管有不少机构已经在研发相关设备且部分已经进入临床应用，但其磁场条件较为单一，只适用于一部分的磁性材料，限制了磁热疗临床应用的发展. 最后，磁热疗的作用机制和生物学效应目前仍然缺乏系统性的研究，无论是在细胞水平还是动物水平.

未来磁热疗的发展方向，在磁性纳米材料研发上，要进一步提高其磁产热效率，取得更好的疗效. 目前无论化学制备还是生物/仿生制备技术方法都取得一定进展，但磁产热效率仍有提高的空间，如提高颗粒的结晶度、适当增加颗粒的尺寸，均能有效提高其饱和磁化强度，此外，过渡元素、稀土元素等掺杂合成高饱和磁化强度或高磁能面积的复合铁氧体材料、硬磁合金纳米材料等的开发，均能进一步拓展磁产热效能. 同时，也需尽快建立科学的评估标准，兼顾疗效和安全性，促进磁热用材料的开发. 在治疗应用上，一方面结合纳米微球、抗体靶向（如磁性铁蛋白^[36]、磁性脂质体^[37]）提高磁性纳米材料在肿瘤区域的富集，并引入温度监测提高磁热疗过程的温度控制，使用生物安全性更高的材料，从而使得磁热疗更加的高效安全，另一方面也将与其他肿瘤治疗方法联用，增加整体的疗效. 随着新技术的进一步发展，磁性纳米颗粒磁热疗在肿瘤治疗中将会发挥重要的作用并造福人类健康.

参考文献