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体外诊断供给侧的搅局者--磁性微纳米颗粒

2019-6-14| 编辑: 面气灵| 查看: 1068| 评论: 1|来源: 生物医学知识局丨作者:Stephen Jennel

摘要: 磁性微纳米材料一般是指是直径大小为微米或纳米级别的超顺磁性颗粒。其最为突出的特点是具有超顺磁性,能够被外加磁场磁化,撤去外加磁场后,磁性同时消失。这一特性使磁性微纳米材料具有能够在外加磁场作用下运动聚 ...


磁性微纳米材料一般是指是直径大小为微米或纳米级别的超顺磁性颗粒。其最为突出的特点是具有超顺磁性,能够被外加磁场磁化,撤去外加磁场后,磁性同时消失。这一特性使磁性微纳米材料具有能够在外加磁场作用下运动聚集,同时在去掉外加磁场后又重新分散的能力,成为一种接近完美的生物分离载体。


超顺磁性微纳米材料大多数是铁氧体微纳米颗粒,如四氧化三铁(黑色),γ-三氧化二铁(红棕色)。铁氧体制备工艺成熟,同时具有良好的生物相容性。目前能够制备出几纳米至数十微米的颗粒材料,广泛应用于生物医学领域。




磁性微纳米材料的应用


磁性微纳米材料已经被广泛地应用于生物活性物质的富集、分离,药物载体,以及疾病的诊断和治疗等诸多方面。


△磁性微纳米材料的粒径横跨3个数量级,从5nm,到超过10μm,不同粒径的颗粒能够实现不同的生物医学应用(颗粒粒径与应用之间并没有严格的界定)。


采用亲水性柔性聚合物,如PEG、葡聚糖等,对小尺寸磁性纳米材料(通常直径小于50nm)进行表面修饰,能够提高颗粒的水溶性和生物相容性,躲避体内免疫清除系统,实现体内应用,如MRI造影增强剂、药物载体、肿瘤热疗、补铁制剂等。德国Magforce公司在2000年就将超小氧化铁纳米颗粒应用于肿瘤热疗。他们将15nm大小的氧化铁纳米颗粒注入至脑内胶质母细胞瘤,在交变磁场的作用下,磁性纳米颗粒产生热量,诱导肿瘤细胞凋亡。这一疗法在2011年获得欧盟认证,在欧洲应用于颅内肿瘤治疗。如今,Magforce正将这一疗法提交至FDA,有望在未来几年内进入美国的前列腺癌治疗市场。


尽管以及有一些磁性纳米颗粒开始应用于临床诊疗,但是受限于纳米材料的细胞毒性,以及体内应用的严格要求,要将磁性纳米颗粒广泛地应用于体内诊疗,前路依然十分艰辛。与之形成鲜明对比的是,在体外诊断领域,磁性微纳米材料几乎渗透到了每一个方面,从化学发光免疫诊断到分子诊断(PCR、NGS),细胞分选以及蛋白纯化等。


△磁性颗粒在体外的应用


早在1990年代,磁性微球就开始被用于化学发光免疫检测,极大的提高了免疫检测的灵敏度和线性范围。目前应用于化学发光的磁性微球表面修饰官能团多为甲苯磺酰基(Tosyl),羧基,氨基以及链霉亲和素等,粒径为1 μm至3 μm不等。这类磁性微球多为亲水表面,采用共价偶联的方式将抗体固定在其表面,为免疫反应提供均相体系(具体可参见揭开磁珠的神秘面纱一文)。化学发光免疫检测应用广泛,该市场是磁性微球最重要的市场,按照每个测试用量25 μg磁性微球算,一个一年销售1000万测试的公司预计需要采购200 g磁性微球。像罗氏这样的诊断巨头每年电化学发光测试次数超过10亿次的诊断巨头,每年磁性微球的消耗量至少在50公斤以上。目前该市场主要由Dyna、Merck、JSR、Agilent等国际厂家占据。


常规的核酸提取方法为超速离心和电泳,但是这两种方法都费时费力,而且分离出来的样品含量低,纯度也不高。随着磁性微纳米颗粒的出现,为核酸的快速提取提供了新的思路。用于核酸提取的磁性颗粒粒径通常在几百纳米至几微米不等,表面主要用带有羟基的二氧化硅修饰,利用高盐环境下,羟基对核酸的吸附作用,经过洗涤后,再加入低盐的洗脱液将核酸洗脱,实现核酸的分离提取。相较于传统的方法,磁珠分离不需要离心,而且分离速度更快,效率更高。更重要的是,这种分离方法提供了更为简易的大样本核酸提取的全自动提取分析过程。如圣湘生物的Natch CS全自动核酸提取系统,采用超顺纳米磁珠法以及SUPRall超级提取平台、具备常温裂解及全程防污染等功能于一体,实现了分子诊断全流程的自动化。


目前磁性微纳米颗粒还广泛应用于细胞分选当中。将目的细胞从血液中分离在细胞生物学研究、药学研究、以及诊断研究中具有巨大的价值。德国美天旎是这一领域的巨头,其开发的MACS技术,已经成为磁性细胞分选领域的金标准。美天旎采用50nm的磁性颗粒,表面修饰葡聚糖,具有极高的生物相容性和低的细胞毒性。磁性颗粒表面修饰上抗体后,能够标记在特定细胞表面。随后样品通过一个含有高强度的梯度磁场的特殊装置,磁性颗粒标记的细胞被滞留在磁场中,而未标记的细胞被洗脱。去除磁场后,磁性颗粒标记的细胞可以被洗脱下来,实现分离。采用50nm磁性颗粒的优点是标记效率高,易于降解,对细胞无毒性,分选后细胞仍旧保持生理功能。另外,Thermofisher公司采用的是4.5μm的大粒径磁珠进行细胞标记分离。





国内磁性微纳米材料的崛起之路


国内不少高校、研究院所早在1990年代就开始研究纳米材料,但是产业化进程较晚,大多数国内相关公司企业在2010年以后成立或者开展磁性微纳米材料相关业务。相对于遍地开花的诊断公司以及抗体抗原等蛋白原料公司,磁性微纳米材料公司可以说是非常稀少了。



根据我们不完全统计,国内磁性微纳米材料厂家大概有10家左右,其产品主要应用于核酸提取、蛋白分离纯化、以及化学发光。表面修饰基团大多数以羧基、氨基、SA以及硅羟基为主。因Tosyl磁珠表面修饰工艺较为复杂,化学发光领域常用的Tosyl磁珠国内只有无锡百迈格一家提供。


虽然国内磁性微纳米材料已经开始发展,但是尚没有一家形成规模和品牌效应。一方面,在化学发光领域,国内大厂家如安图、迈克、迈瑞、长光华医等在10年前就已经开始布局,形成了稳定的项目菜单,对于这些厂家,虽然进口磁珠成本较大,但是出于质量的考虑,会优选进口磁珠,即使考虑替换磁珠,这也是一个漫长的过程。新产业有自产磁珠的能力,但是部分特殊项目磁珠也需要外购。另外一方面是,国内磁性微纳米材料企业成立较晚,大多数技术刚从高校转化,生产、制备工艺不够成熟稳定,并且对下游应用需求接触较少,导至产品批间差大,或者无法为下游应用做出针对性优化。


国内厂家较为容易取得突破的两个领域是细胞分选与核酸提取。核酸提取磁珠门槛相对较低,且核酸提取只是分子诊断的前一步骤,真正影响检测性能的是检测试剂盒。细胞分选领域国内尚在起步阶段,对于研究型、创业型公司,出于成本考虑,可能会优先考虑采用国产磁性微纳米材料。




总结


作为体外诊断的上游原料领域,各方面对于磁性微纳米材料的关注和认识可能较少。大多数可能认为依然只是处于高校、研究所的实验室阶段。其实磁性微纳米材料已经真正开始应用于临床,为临床诊疗、体外诊断提供了新的技术和方法。虽然国内起步较晚,但是依托国内高校在微纳米领域的研究领先程度,我们相信,国内磁性微纳米材料产业一定会取得更大的发展。


△附国际厂家磁珠列表,具体产品参考各公司官方网站信息

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最新评论

引用 暗影刀火 2019-6-15
喔噢,学习了。谢谢分享。

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