黄浙勇：开辟靶向治疗新战场 ——磁感应定向调控干细胞治疗心脏病

复旦大学附属中山医院

发现问题和解决问题是科学研究的永恒主线。缺血性心脏病和心衰的核心机制是心肌细胞的丢失，那么干细胞心肌修复顺理成章的成为一种充满前景的高效治疗策略。2002年德国Strauer BE教授首先采用自体骨髓细胞移植治疗急性心肌梗死，复旦大学附属中山医院也于2004年进行了TCT-STAMI研究（图1）。但荟萃分析发现，AMI患者经冠脉移植骨髓干细胞后心脏收缩功能改善有限，主要心血管事件（MACE）未见明显减少。

移植细胞定向归巢是再生医学发挥疗效的前提，然新近分子影像学和病理学研究均表明：不管采用何种移植途径，真正分布到心脏的移植细胞数量都极其有限。现阶段移植细胞的归巢率离精确“定位”和临床期望还有很大差距，归巢细胞缺乏是造成干细胞移植疗效低下的主要原因之一。但由于细胞归巢涉及到的“细胞－细胞外基质－细胞因子”网络极其复杂，其中的调控机制仍不清楚，因此相关研究始终也未取得突破性进展。

为使移植细胞定向归巢，科学家们提出能否利用磁场来吸引干细胞定向移动。并于2006 年开展这一研究。经查阅文献发现，磁导向治疗（Magnetic DrugTargeting，MDT）并非新鲜事物，在肿瘤靶向治疗领域已应用多年。其核心理念是：利用外加磁场梯度使磁响应性化疗药物聚焦在靶部位，以提高靶部位的药物浓度，并减少药物全身性毒副作用（图2）。

磁场梯度能否定向引导细胞移到心脏局部，成为心脏病干细胞靶向治疗的一个全新突破口。

磁响应性治疗物质和病变局部磁场梯度建立是磁导向治疗的两大基本要素。近年来超顺磁性氧化铁纳米颗粒（SPIO）标记干细胞技术已十分成熟、高效、安全，主要用于细胞磁共振显像的动物和临床研究。SPIO 对外加磁场敏感性高，在较弱的磁场中，SPIO 中磁畴即按外加磁场排列获得巨大的磁矩，撤除外加磁场后无净剩磁。由于SPIO 具有超顺磁性，因此用SPIO 标记后的骨髓MSC 也具有顺磁性。但问题是，细胞内SPIO所产生的磁力是否能拉得动整个细胞这驾笨重的大车？磁靶向细胞治疗和磁靶向化疗不同之处在于：化疗药物因体积较小被连接到磁性颗粒，而细胞因体积大，将纳米颗粒内吞到细胞浆中。正如同样功率的发动机，能驱动小车，但不一定能驱动负载卡车一样。

令人惊喜的是，研究团队在实验过程中观察到，SPIO 标记骨髓间充质干细胞（MSC）后，SPIO 较均匀地聚集在细胞内胞核周围，呈现“球壳状”，球壳现象的发现使研究者大受鼓舞，从物理学讲：SPIO 的磁导率远大于细胞的磁导率，因此本应均匀分布穿过细胞的磁力线，会集中在SPIO 形成的球壳中，从而使球壳中磁感应强度大大增加（图3）。

　　在理论分析的支持下，下一步实验的进行变得毫无悬念：将永磁体放置于培养皿底部，24 小时后磁化细胞累积分布于磁铁边缘部，形成肉眼均可见的棕色环。显微镜下细胞层层叠加，难以计数，更是蔚为壮观。从而证实磁场能促进SPIO 负荷细胞的定向运动。经冠状窦逆向细胞移植的动物载体研究进一步证实磁靶向确实能有效增强细胞心脏停留和功能改善，有较大的临床应用潜能。

　　磁场具有磁衰减的先天性缺陷，磁感应强度在磁极表面最强，因此磁场只能吸引磁负荷细胞到磁性物质表面。现行的磁导向治疗主要用于浅表病变治疗。对深度病变，需将磁铁或磁性材料植入病变局部（如将磁性材料植入肿瘤内部、将磁化支架植入血管腔内等）。但心肌、肝脏、脑组织等深度实质性组织器官，不可能植入磁性材料直接建立磁场梯度，也就无法将循环血中磁化干细胞吸引到深度病变处。心脏磁靶向研究需将磁铁放置到心脏表面（图4），意味着需要开胸手术，显然这样的技术临床转化空间极小。由此可见，现行的细胞磁导向治疗无法在空间上进行深度聚集磁性细胞，其潜在的应用价值受到极大的限制。

那么，能否实现磁力线的聚焦呢？就像放大镜聚焦太阳光一样（图5）。放大镜之所以能点燃一定范围内的易燃物，是因为光线在透过放大镜时，发生了折射现象，最终偏聚到焦点（凸透镜中垂线上）处。显然，磁场性质迥异于光学，磁衰减是磁场的本质属性。就这个问题团队找到专门研究凝聚态物理的研究人员，进行反复讨论、磋商，提出了十多个设计方案，最后经过有限元和磁力学分析，初步采信“基于中空磁极”的设计方案。

为此，团队专门制作了特殊构造的磁极装置。装置采用中空圆柱形铁芯作为磁极，当线圈通有稳恒电流时，在圆柱形空间处（B → C）产生以x 轴为对称的磁场。磁感应强度在x 轴方向，远离磁极的中心点o 处磁感应强度最大，沿x 及其反方向磁场很快衰减，进入磁极孔里（A → B 和C → D），由于磁极的屏蔽作用，磁感应强度可忽略。在A → D 整个范围内，o 点处的磁感应强度最大。C → D 中，顺磁颗粒同样不会受到磁性力。因此该装置能够将顺磁颗粒吸引到o 点，而不是磁极表面，从而巧妙的实现磁场的深度聚焦（图6）。

深度聚集理论的提出和装置的研发理论上具有较大价值。针对其对磁性细胞的定向富集能力究竟如何，团队通过模拟血管系统研究细胞磁流体的体外动力学，对深度聚集规律进行理论解释：MSC 标记后SPIO 颗粒形成球壳，使细胞磁感应强度显著增加；细胞悬液匀速通过石英管，空间聚焦磁场能对磁标细胞产生很好的深度定位聚集；同时运用电动力学、磁力学原理详细分析了磁标记MSC 在自制仪器所产生磁场中的动力学过程，细胞捕获率理论值与实验值比较吻合。

由此，团队在自主研发“深度聚集磁性颗粒的装置”基础上，首次提出磁场空间聚焦设想，为心脏病的靶向细胞治疗、生物治疗提供全新理念。深度聚焦磁场研究突破了传统普通磁场的局限性，在国际上具有先进性和创新性，受到国际同行的高度关注。J Cell Mol Med 杂志编辑评价“非常有趣、见解深刻（insights are in depth）”；J Magn Magn Mater 杂志一篇述评大篇幅引用申请人的材料和图片，评论“磁场设计非常独到（very ingenious），可能是药物磁靶向治疗的一个突破性进展（breakthough）”； 美国Brandeis 大学纳米材料和化学系Bing Xu 教授在权威期刊Chem SocRev （影响因子28.76）上发表观点认为“非常有趣的一种新兴靶向策略”。2013 年4 月，国际上首先进行心脏病细胞磁靶向治疗的美国UCLA Ke Cheng 教授发来邮件并随后专程访问上海市心血管病研究所，商量磁靶向合作事宜。

但深度磁场还未能实现有效的区域聚焦，心脏靶向性有待进一步改进。如何实现深度磁场局部聚焦？团队新近提出磁场中心聚焦理论，并通过设置磁屏蔽、旋转中心管、调整槽宽与磁极直径等策略基本完成了中心点聚磁的磁力学论证，可大幅度改进深度磁场的区域聚焦。

经冠状动脉干细胞输注是目前临床试验中最常用的移植途径。研究团队在研究磁感应强度与干细胞冠脉途径移植疗效的量效关系时，观察到一个奇怪的现象：尽管外加磁场以强度依赖性方式增加细胞的心脏停留，但磁场强度过高时，增加的细胞停留率并未转化为额外的心功能获益。原因何在？

Every coin has two sides。细胞积聚是细胞磁靶向治疗的物理基础，但在经动脉途径移植时，极有可能导致微小血管细胞栓塞，成为“硬币的另一面”。我们推测“细胞停留和功能获益相分离”的矛盾现象可能与磁场强度过大导致的细胞栓塞有关。并在下一步动物实验中得到了验证，进而提出“磁场极化易于发生血管栓塞”的崭新机制。研究部分成果发表于2013 年Biomaterials 和2014 年Cell Transplantation。基于此，研究团队受邀参加了Jitendra Naik 教授英文专著Nano Based Drug Delivery 的撰写。

在上述研究中，团队清醒地认识到：物理磁靶向存在自身局限性，如磁场过强可导致细胞微栓塞和细胞梯度分布；更重要的是，研究过程中我们认识到物理学靶向只能促进被动性的、粗放式的脏器停留，而移植细胞主动性的、精准的组织学归巢仍然有赖于生物性机制。且生物学靶向可促使细胞由血管内向组织间隙趋化，客观上减少细胞栓塞的风险。因此生物靶向和磁靶向联合调控细胞归巢、寻找新兴生物学归巢靶点将是未来归巢学研究的重要课题。实现理想的细胞归巢，还有漫长的路途和许多困难需要我们去征服。

关于中国心血管医生创新俱乐部

中国心血管医生创新俱乐部（Center for Cardiovascular Innovations, CCI）是由葛均波院士倡导并创建，依托于心血管介入治疗技术与器械教育部工程研究中心发起的面向全国心血管医生及研究人员的非营利性民间学术组织。俱乐部位于东海之滨上海，集创新培训、设计交流、研究支持、产业合作为一体，旨在激发一线临床医生——发现和解决临床需求主体的创新潜能，引导其积极参与医疗技术及相关器械研究，并进一步为其提供临床前及临床研究平台，最终实现国产医疗技术与器械产品化的市场化，推动中国心血管事业摆脱模仿，立足创新，进而走向世界。