磁性微球的生物应用探究

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1磁性微球简介

从目前研究的情况看,磁性微球根据其组成材料的不同可分为磁性高分子微球、磁性生物大分子微球和磁性无机物微球等。磁性高分子微球是将具有超顺磁性的纳米磁性材料与单体通过聚合的方法制备得到。单体聚合法合成磁性微球的方法主要有:悬浮聚合[1-2]、分散聚合[3-4]、乳液聚合[5]和辐射聚合[6]等。目前大多数磁性高分子微球都是通过将磁流体分散于苯乙烯单体或苯乙烯与其它功能单体中共聚制得。

磁性生物高分子微球一般是通过包埋法制备的,它主要是将磁性粒子分散于生物大分子的溶液中,通过雾化、絮凝、沉积、蒸发等手段得到磁性微球。Dekker[7]将磁性粒子悬浮于聚乙烯亚胺(PEI)溶液中,通过过滤,干燥处理得到外包PEI的磁性微球;Cuyper等[8]用磷脂处理纳米级的磁性粒子,制得磁性脂质体微球;Gupta等[9]用牛血清清蛋白和棉籽油对磁性粒子进行处理,得到外包牛血清清蛋白的磁性微球;Hasegama等[10]利用葡聚糖制得了葡聚糖磁性微球。

磁性无机物微球则主要是通过无机盐类共沉淀法来制备的。ChenQi等[11]通过FeCl3·6H2O与MgCl2·6H2O在NaOH溶液中共沉淀制得具有超顺磁性的MgFe2O4的纳米微粒;Kuznetsov等[12]制得了超顺磁性的Fe-C微球。

2磁性微球生物分离

由于磁性微球粒径小,比表面积大,故而偶联容量大,悬浮稳定性好,便于高效地与目标产物偶联;又因其具有超顺磁性,在外磁场的作用下固液相的分离十分简单,可省去离心、过滤等繁杂操作,在细胞分离、分类、蛋白质提纯、核酸分离等领域有着广泛的应用。

2.1细胞分离磁性微球作为不溶性载体,在其表面接上具有生物活性的吸附剂或其它配基(如抗体、外源凝结素等),利用它们与目标细胞的特异性结合,在外磁场的作用下将细胞分离、分类。Friedl等[13]应用polyclonalanti-Fab抗体修饰的磁性微球成功地对人体CD4、CD8、CD19、CD34等细胞进行了分离,分离效率达99.9%以上;Briscoe等[14]利用磁性微球成功地在骨髓移植过程中对骨髓中的T细胞进行了提纯,使之应用于进一步的分类、培养、功能研究和流式细胞术等;此外,Josephson[15]用戊二醛活化硅烷包覆的磁微球来分离人血中的淋巴细胞;Bjerk[16]用磁微球分离人血中的嗜碱细胞,分离效果比传统的分离方法都要好。

2.2蛋白质的提纯以磁性微球为固相介质对蛋白质进行提纯是一项新兴的蛋白分离技术。目前已经成功地对溶胞产物、血浆、原生质和腹水中的各种蛋白质进行了分离和纯化。传统的蛋白质分离方法如盐析、有机溶剂沉淀法、膜分离技术、离子交换技术和层析技术等,通过改变pH值、温度、离子强度、介电常数等因素来达到分离的目的,分离过程繁杂,而且目标蛋白质的损失大。而蛋白质的磁分离是通过对磁性微球表面的改性,共价结合能被目标蛋白质识别和可逆结合的配基,然后进行目标蛋白质的分离。

在磁分离过程中,将磁性微球直接放入含有目标蛋白质的混合溶液中,目标蛋白质与磁性微球紧密结合,然后利用外部磁场进行分离。整个分离过程不需对混合溶液的pH值、温度、离子强度和介电常数进行调整,从而避免了传统分离过程中蛋白质的损失。与传统分离方法相比较,蛋白质的磁分离技术具有快速、高纯、高收率等优点。如从Erwiniacarotovora中分离L-天冬酰胺酶,用琼脂糖凝胶亲和层析[17]整个过程需要耗时68h,L-天冬酰胺酶的纯度大于90%,收率为38%;而用甲苯磺酰氯活化的磁性微球进行分离[18],整个过程只需耗时3h,L-天冬酰胺酶的纯度可高达99.9%,收率为95%。

2.3核酸的分离磁性微球还可以用于分子生物学领域,进行DNA和RNA的分离、纯化。传统的核酸分离技术有超离心密度梯度技术和凝胶电泳等。如目前实验室纯化质粒DNA最常用的啡啶溴红-氯化铯密度梯度平衡超离心方法,分析和提纯RNA和DNA的琼脂糖凝胶电泳和聚丙烯酰胺凝胶电泳等,这些纯化方法步骤繁杂、费时长、收率低。磁性微球分离核酸,是基于碱基配对原则,通过偶合与目标核酸碱基互补的一段引物链而达到分离目标核酸的目的,这种分离方法简单、快速、选择性高。例如偶合有Oligo(dT)25的磁性微球可以快速、高效地对mRNA进行纯化,纯化后的mRNA可以直接用来建立cDNA文库和RT-PCR扩增[19-20]。

3磁性微球靶向给药

药物制剂的给药途径与方法对药物效果至关重要。口服给药由于受胃肠上皮细胞和肝脏中各酶系的降解和代谢两种首过效应的影响,许多药物很大一部分被代谢;静脉注射由于药物均匀分散于全身循环系统中,分布于靶组织的量甚少。要提高靶区的药浓度就必须普遍提高系统的药物浓度,而增加剂量往往也增加了药物的不良反应和毒副作用,因此必须改变给药途径。靶向给药或称定位释放药物,即把药物直接定位于靶区,或给药后药物聚结于靶区,使靶区药物浓度高于正常组织。

靶向给药可减少用药剂量,增强药物对靶组织定位的特异性,提高疗效和减少药物的毒副作用。磁性微球靶向给药始于20世纪70年代初,服用这种制剂后,在体外适当部位用一适宜强度磁铁,将磁性微球引导到体内特定的靶区,使达到需要的浓度。Kramer[21]报道用人血清蛋白将柔红霉素盐酸盐与巯基嘌呤包成磁性的微球,试用于治疗胃肠肿瘤;陈琪等[22]用5-Fu磁性微球载体治疗食道癌;徐慧显等[23]用葡聚糖磁性微球固定化L-天冬酰胺酶来治疗急性淋巴白血病,都取得了良好的治疗效果。

磁性微球给药载体的特点:(1)将药物随着载体被吸附到靶区周围,使靶区很快达到所需浓度,在其它部位分布量相应减少,因此可以降低给药剂量;(2)药物极大部分在局部作用,相对减少了药物对人体正常组织的副作用,特别是降低对肝、脾、肾等造血和排泄系统的损害;(3)加速产生药效,提高疗效。由于是利用磁性微球进行体内治疗,因此要求磁性微球必须:(1)骨架物质在体内能代谢,代谢产物无毒,并在一定时间内经皮肤、胆汁、肾排出体外;(2)不凝聚,以免阻塞血管,在毛细血管内能均匀分布并扩散到靶区,产生疗效;(3)具有最大的生物相容性和最大的抗原性。

4结语

磁性微球作为新型的功能材料近年来被广泛研究,其在生物医学、生物工程等领域的应用研究已经引起各国研究者的高度重视,作为生物医学材料研究领域的一个热门课题,必将得到进一步更深入的发展。