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磁性納米粒子發展概況及前景展望

2020-10-8 19:56:14點擊:

       磁性微納米材料一般是指是直徑大小為微米或納米級別的超順磁性顆粒。其最為突出的特點是具有超順磁性,能夠被外加磁場磁化,撤去外加磁場后,磁性同時消失。這一特性使磁性微納米材料具有能夠在外加磁場作用下運動聚集,同時在去掉外加磁場后又重新分散的能力,成為一種接近完美的生物分離載體。
  超順磁性微納米材料大多數是鐵氧體微納米顆粒,如四氧化三鐵(黑色),γ-三氧化二鐵(紅棕色)。鐵氧體制備工藝成熟,同時具有良好的生物相容性。目前能夠制備出幾納米至數十微米的顆粒材料,廣泛應用于生物醫學領域。

磁性微納米材料的應用
  磁性微納米材料已經被廣泛地應用于生物活性物質的富集、分離,藥物載體,以及疾病的診斷和治療等諸多方面。磁性納米粒子的粒徑橫跨3個數量級,從5nm,到超過10μm,不同粒徑的顆粒能夠實現不同的生物醫學應用(顆粒粒徑與應用之間并沒有嚴格的界定)。
  采用親水性柔性聚合物,如PEG、葡聚糖等,對小尺寸磁性納米材料(通常直徑小于50nm)進行表面修飾,能夠提高顆粒的水溶性和生物相容性,躲避體內免疫清除系統,實現體內應用,如MRI造影增強劑、藥物載體、腫瘤熱療、補鐵制劑等。德國Magforce公司在2000年就將超小氧化鐵納米顆粒應用于腫瘤熱療。他們將15nm大小的氧化鐵納米顆粒注入至腦內膠質母細胞瘤,在交變磁場的作用下,磁性納米顆粒產生熱量,誘導腫瘤細胞凋亡。這一療法在2011年獲得歐盟認證,在歐洲應用于顱內腫瘤治療。如今,Magforce正將這一療法提交至FDA,有望在未來幾年內進入美國的前列腺癌治療市場。
  盡管有一些磁性納米顆粒開始應用于臨床診療,但是受限于納米材料的細胞毒性,以及體內應用的嚴格要求,要將磁性納米顆粒廣泛地應用于體內診療,前路依然十分艱辛。與之形成鮮明對比的是,在體外診斷領域,磁性微納米材料幾乎滲透到了每一個方面,從化學發光免疫診斷到分子診斷(PCR、NGS),細胞分選以及蛋白純化等。早在1990年代,磁性微球就開始被用于化學發光免疫檢測,極大的提高了免疫檢測的靈敏度和線性范圍。目前應用于化學發光的磁性微球表面修飾官能團多為甲苯磺?;═osyl)、羧基、氨基以及鏈霉親和素等,粒徑為1 μm至3 μm不等。這類磁性微球多為親水表面,采用共價偶聯的方式將抗體固定在其表面,為免疫反應提供均相體系(具體可參見揭開磁珠的神秘面紗一文)?;瘜W發光免疫檢測應用廣泛,該市場是磁性微球最重要的市場,按照每個測試用量25 μg磁性微球算,一個一年銷售1000萬測試的公司預計需要采購200 g磁性微球。像羅氏這樣的診斷巨頭每年電化學發光測試次數超過10億次的診斷巨頭,每年磁性微球的消耗量至少在50公斤以上。目前該市場主要由Dyna、Merck、JSR、Agilent等國際廠家占據。國內諸如PuriMag也開始對這一領域展開沖擊。
  常規的核酸提取方法為超速離心和電泳,但是這兩種方法都費時費力,而且分離出來的樣品含量低,純度也不高。隨著磁性微納米顆粒的出現,為核酸的快速提取提供了新的思路。用于核酸提取的磁性顆粒粒徑通常在幾百納米至幾微米不等,表面主要用帶有羥基的二氧化硅修飾,利用高鹽環境下,羥基對核酸的吸附作用,經過洗滌后,再加入低鹽的洗脫液將核酸洗脫,實現核酸的分離提取。相較于傳統的方法,磁珠分離不需要離心,而且分離速度更快,效率更高。更重要的是,這種分離方法提供了更為簡易的大樣本核酸提取的全自動提取分析過程。如圣湘生物的Natch CS全自動核酸提取系統,采用超順納米磁珠法以及SUPRall超級提取平臺、具備常溫裂解及全程防污染等功能于一體,實現了分子診斷全流程的自動化。國內在核酸提取磁珠方面進行研發的廠家較多,但是磁珠提取的穩定性尚有待進一步開發研究。
  目前磁性微納米顆粒還廣泛應用于細胞分選當中。將目的細胞從血液中分離在細胞生物學研究、藥學研究、以及診斷研究中具有巨大的價值。德國美天旎是這一領域的巨頭,其開發的MACS技術,已經成為磁性細胞分選領域的金標準。美天旎采用50nm的磁性顆粒,表面修飾葡聚糖,具有極高的生物相容性和低的細胞毒性。磁性顆粒表面修飾上抗體后,能夠標記在特定細胞表面。隨后樣品通過一個含有高強度的梯度磁場的特殊裝置,磁性顆粒標記的細胞被滯留在磁場中,而未標記的細胞被洗脫。去除磁場后,磁性顆粒標記的細胞可以被洗脫下來,實現分離。采用50nm磁性顆粒的優點是標記效率高,易于降解,對細胞無毒性,分選后細胞仍舊保持生理功能。另外,Thermofisher公司采用的是4.5μm的大粒徑磁珠進行細胞標記分離。該方法的優勢是無需特殊的分離設備,采用普通的磁力架可以實現細胞分離,但是由于磁顆粒較大,一般在正選時需要將磁珠去除,相對比較麻煩。值得一提的是,廈門普睿邁格生物科技有限公司生產的200nm磁珠兼具快速磁分離和對細胞無毒的特性,在細胞分選上具有獨特的優勢。

國內磁性微納米材料的崛起之路
  國內不少高校、研究院所早在1990年代就開始研究納米材料,但是產業化進程較晚,大多數國內相關公司企業在2010年以后成立或者開展磁性微納米材料相關業務。雖然國內較早開發磁性納米材料,但是進行持續系統研究開發的課題組極少,多數在文章發表后缺乏持續的研發,其中國內諸如復旦大學汪長春、上海交大徐宏課題組在磁性納米粒子方面開展了較多的相關研究,還有諸如華僑大學的陳國課題組側重于規模制備和降低成本方面進行了較多探索,部分產品已經生產用于實際診斷試劑。
       相對于遍地開花的診斷公司以及抗體抗原等蛋白原料公司,磁性微納米材料公司可以說是非常稀少了。根據我們不完全統計,國內磁性微納米材料廠家大概有10家左右,其產品主要應用于核酸提取、蛋白分離純化、以及化學發光。表面修飾基團大多數以羧基、氨基、SA以及硅羥基為主。蘇州海貍、廈門普睿邁格、蘇州納微、無錫百邁格、常州英芮誠、北京金邁格、洛陽愛森、洛陽吉恩特是相對發展較早的公司,其中廈門普睿邁格產品線最為齊全,顯示了較強的研發實力。
  雖然國內磁性微納米材料已經開始發展,但是尚沒有一家形成規模和品牌效應。一方面,在化學發光領域,國內大廠家如安圖、邁克、邁瑞、長光華醫等在10年前就已經開始布局,形成了穩定的項目菜單,對于這些廠家,雖然進口磁珠成本較大,但是出于質量的考慮,會優選進口磁珠,即使考慮替換磁珠,這也是一個漫長的過程。新產業有自產磁珠的能力,但是部分特殊項目磁珠也需要外購。另外一方面是,國內磁性微納米材料企業成立較晚,大多數技術剛從高校轉化,生產、制備工藝不夠成熟穩定,并且對下游應用需求接觸較少,導致產品批間差大,或者無法為下游應用做出針對性優化。
  國內廠家較為容易取得突破的兩個領域是細胞分選與核酸提取。核酸提取磁珠門檻相對較低,且核酸提取只是分子診斷的前一步驟,真正影響檢測性能的是檢測試劑盒。細胞分選領域國內尚在起步階段,對于研究型、創業型公司,出于成本考慮,可能會優先考慮采用國產磁性微納米材料。

總結
  作為體外診斷的上游原料領域,各方面對于磁性微納米材料的關注和認識可能較少。大多數可能認為依然只是處于高校、研究所的實驗室階段。其實磁性微納米材料已經真正開始應用于臨床,為臨床診療、體外診斷提供了新的技術和方法。雖然國內起步較晚,但是依托國內高校在微納米領域的研究領先程度,我們相信,國內磁性微納米材料產業一定會取得更大的發展。未來國內下游診斷企業對上游生物磁珠企業的滲透并購必將加快,以保證其在原料方面保持穩定供應。

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