铁蛋白(ferritin，FT)为动植物体内广泛存在的-类贮存铁的蛋白，在哺乳类动物的肝和脾中含量最多，作为铁辅助因子保证了多种蛋白(如血红素蛋白、铁硫蛋白等)的生物合成;另外，在铁代谢方面也发挥重要作用，可保护细胞免受氧化损伤等”。近年来的研究发现，铁蛋白具有独特的笼状结构，其内外腔可通过化学、基因等方法修饰，构建多功能纳米粒子以用于癌症等疾病的诊治。由于其独特的结构和特性，铁蛋白已成为-类重要的生物材料，本文总结了铁蛋白的主要功能及其作为纳米载体在药物传输和生物医学成像等领域的应用。
1铁蛋白的结构与功能
铁蛋白由24个蛋白质亚基自组装形成的笼状结构，内径和外径分别为8和12 nm，内部可以存储多达4500个铁原子;其亚基包括重链(H)和轻链(L)两种类型，每个亚基外形近似圆柱体，由5个。螺旋折叠组成，即从N端起形成4个两两成反向平行的。螺旋(A，B，C，D)和1个C末端较短。螺旋(E)。这些亚基构成-个呈4-3-2重轴对称的菱形十二面体，形成12个二重轴通道、8个三重轴通道和6个四重轴通道，这些通道被认为是铁蛋白内部与外部离子出人铁蛋白的必经之路，起着联系铁蛋白内部空腔与外部环境的作用。三重轴组成的亲水性通道及空腔内部有许多带负电的氨基酸残基如谷氨酸(Glu)和天冬氨酸(AsP)等，都可以结合金属离子;铁蛋白通道中负电氨基酸残基可构成电势梯度，金属离子通过静电相互作用顺着电势转运到铁蛋白内部。
铁蛋白的结构非常稳定，在温度高达85℃时或高浓度变性剂(尿素或肌)下依然没有解离9’。但是，它在酸性环境下亚基解离，中性条件下重聚。铁蛋白这种独特的pH依赖性可以用来装载多种粒子以构建多功能的纳米平台，在药物输送和医学成像等方面发挥重要作用。此外，通过与铁蛋白表面的赖氨酸和半肤氨酸的藕合或者基因改造铁蛋白的序列，许多分子可被修饰于铁蛋白外表面，例如荧光染料分子及淬灭剂’2-3、多肤4和抗体5等。
最近研究发现铁蛋白具有主动靶向性。由于H链铁蛋白(HFT)可通过转铁蛋白受体1(T扭l)与人体细胞结合6，T扭1可在许多肿瘤细胞内高表达，因此这种受体可作为铁蛋白的靶向标志用于肿瘤的诊断和治疗17-，。2铁蛋白在药物输送上的应用2.1金属及其化合物金属元素是构成机体组织的重要物质，然而Fe，Cu，Zn，CO，Mn，Ni等元素极易发生中和、沉淀或络合等反应，从而影响其吸收利用率。铁蛋白通道及空腔内部有许多带负电的氨基酸残基都可结合金属离子，Pead等’9’已研究铁蛋白内部可结合多种金属离子如c矿+，NiZ+，Z才+，MnZ+，c02+，CdZ+，MgZ+等。因此可利用经脱铁处理的去铁铁蛋白(aP0ferritin，AFT)的空腔制备新型生物纳米运载体系，通过胞吞作用被机体吸收。近来，Fa。等2。’已使用去铁铁蛋白成功合成高度稳定的铂(Pt)纳米粒子(AFT-Pt)，其具有过氧化氢酶和过氧化物酶活性。在此研究中，Fan等将去铁铁蛋白与KZ ptCI、溶液混合后加人NaOH，调节pH至8.5，以增强静电相互作用，从而使铁蛋白内部结合更多的铂离子，之后再加人NaBH、将铂离子还原为单质Pt，最后通过体积排阻色谱法纯化;类似的，-些具有放射性的金属元素阳离子通过铁蛋白的亲水通道和静电作用扩散进人铁蛋白内部，例如90Y和，77 Lu4’。抗癌药物钉(Ru)也可装载到去铁铁蛋白笼内部，Takezaw。等2，’将去铁铁蛋白在pH 8 .0下[Ru(p-cymene)C12〕2混合反应，Ru原子成功进人铁蛋白内部，X射线结构分析显示，蛋白笼内表面有72个Ru的氨基酸结合位点。
此外，-些金属化合物如钉碳基配合物22’、znF16P。等23’也可以装载到去铁铁蛋白笼内。钉碳基配合物为-氧化碳释放分子(CORMs)，通过与铁蛋白三重轴通道及内部的氨基酸结合位点，Fuj ita等22’将[Ru(co)3clZ〕2与去铁铁蛋白结合，所得复合物拥有较高的细胞摄取率，可在细胞内与供电子配体交换反应以调节CO的产生以发挥抗炎、抗凋亡和细胞保护作用。ZnFI 6Pc作为光敏剂可用于光动力学疗法(PDT)，光敏剂被细胞摄取后，在激光照射下即可与氧反应产生-种具有毒性作用的活性态氧离子，从而治疗肿瘤或其他非肿瘤性疾病。Zhen等23’将DMso溶解的znF16P。和靶向多肤RGD4c修饰的去铁铁蛋白(RAFT)混合反应。结果显示，lmg的RAFT可以装载1.smg的ZnF16Pc，装载率高达6Owt%(重量百分比)。所得RAFT-Pc在u87MG肿瘤模型体内实验中显示出良好的靶向治疗作用，具有高肿瘤累计率、高抑瘤率和低毒性。
2.2非金属药物-些非金属的药物也可以通过与金属离子结合有效地装人铁蛋白笼内。Li。等24’将去铁铁蛋白和NH4AuCI、混合，然后加人还原剂NaBH、，从而合成了去铁蛋白-金纳米粒子(AFT-Au)，之后抗癌药物5-氟脉嚓陡(5-FU)通过被动扩散进人到AFT-Au的空腔处生成AFT-AuFU。HePGZ细胞实验显示，AFT-AuFU显著提高了肿瘤细胞对5-FU的摄取，ICS。值也大大降低。其中5-FU很可能通过其氨基结合于Au表面。类似的，Zhefl等’4’将阿霉素(DOX)与cu(11)孵化得到(DoX)-cu(11)复合物，(Dox)-Cu(11)通过三重轴通道进人RGD修饰的铁蛋白笼内，其装载率高达73 .49wt%，而单独的Dox装载率仅为14.14wt%，其中Cu(H)起到了重要的辅助作用。U87MG皮下肿瘤模型研究表明，其具有较长的半衰期、较高的肿瘤摄取率及高抑瘤率等优点。
另外，利用铁蛋白在不同pH下可以解离和重聚的特性，也可以将阿霉素(Dox)装载于去铁铁蛋白内。去铁铁蛋白溶液与Dox混合后，调节pH至2，使解离的铁蛋白亚基与Dox混合;之后调节pH至7，使亚基重聚后将Dox封装人蛋白笼内，结果发现每个去铁铁蛋白可以封装高达28个阿霉素分子。类似的，由于铁蛋白独特的结构及pH依赖性，Ya。等27依据铁蛋白的pH依赖性将光敏剂亚甲蓝(MB)装载于去铁铁蛋白。MB在体内易发生化学变化产生无色亚甲蓝(LMB)。由于铁蛋白的结构非常稳定，从而使MB的稳定性显著增强。-些营养素类如价胡萝卜素28、姜黄素29、花青素3。也通过在不同pH下去铁铁蛋白的分解和自组装被封装于铁蛋白笼，其水溶性和稳定性得到显著提高。
以上研究显示出铁蛋白是-很好的天然药物输送载体，具有良好的生物相容性。其独特的笼状结构便于装配金属、化疗药物、光敏剂、营养素等基序，其外腔表面的可修饰性及自带的TfRI靶向性，对开发稳定、减毒、增效的治疗药物极具价值。
3铁蛋白在生物医学成像的应用
3.1核磁共振成像(MRI)
磁共振成像(MRI)是-种基于组织内核与核及其周围分子之间相互作用的无创诊断技术，由于其良好的时间和空间分辨率得到广泛应用，在造影剂(cA)的存在下，可以获得高对比度的磁共振图像进行精确的诊断。MRI造影剂依据其机理分为两种类型:-种为缩短纵向弛豫时间Tl，另-种为缩短横向弛豫时间TZ。Gd(Hl)和Mn(H)分别拥有7个和5个未配对的电子，常用作缩短Tl的造影剂。为了消除其毒性作用，其鳌合物如Gd-DOTA，Gd-DTPA等已被使用。然而，其在体内消除迅速且较低的弛豫性能限制了其应用。近来，Makin。等32’通过静电相互作用将阳离子型礼鳌合物Gd-MeZ DOZA装载人阴离子的去铁铁蛋白内表面，从而使Tl质子弛豫性能10倍于常用的Gd-DoTA。为延长其体内血液清除时间，在去铁铁蛋白表面修饰有氧化葡聚糖。荷瘤小鼠的磁共振成像表明去铁铁蛋白造影剂可有效完成肿瘤的检测，单剂量毒性试验表明没有严重的毒副作用。另外，Aim。等33’用去铁铁蛋白在不同pH下解离和重聚装载了Gd-HPDO3A，其每分子弛豫性能达到了600-500 mm-‘·、-‘;Kdlmd。等34’将MnZ+装载人去铁铁蛋白内腔，其弛豫性能比前者提高了-个数量级达700Omm-‘·S-‘。其过程为在pHg下将去快，限制了其MRI能力。由于铁蛋白具有良好的稳定性和生物相容性，valer。等36-37’在pHZ和7下分解和重组去铁铁蛋白，从而装载磁赤铁矿纳米颗粒(丫-FeZ 03)。作为-个新的造影剂，Balh/c小鼠体内研究显示其在45d后依然具有活性，sPIO的活性却不足7d，组织病理学检测也无明显毒性。因此其可以作为-个新的长期MRI造影剂，用于临床上-次诊断病理后进行治疗监测，而不需要重复注射。
3.2荧光成像
荧光显微镜在生物学和医学领域已得到广泛应用，是观测细胞形态、结构和生命现象的有力工具。荧光成像作为临床前研究的重要工具，可以准确地识别和报告疾病。现在荧光成像主要使用两种材料，-种是生物材料，例如荧光蛋白;另-种是无机及有机的荧光材料，如量子点、碳纳米管等，但这些材料有稳定性差、生物相容性差等缺点。由于去铁铁蛋白的重链上的组氨酸的可以结合金属离子.等4选用无毒的金纳米粒子，用”点控制”技术在去铁蛋白内部可控合成两个协同作用的可以经激发产生荧光的金簇，并通过测定荧光光谱，证实随着金簇尺寸的增大和其间距离的减少，两金簇之间的能量共振转移会使两个金簇总的荧光强度逐渐增强，并使荧光光谱发生红移;并成功地在有去铁蛋白受体的Caco-2细胞及小鼠的肾脏部位得到特定的生物医学靶向荧光成像。
另外，铁蛋白的表面赖氨酸和半肤氨酸可共扼结合染料分子，由此产生的纳米粒子可以被用作光学成像探测器。Li。等’2’在去铁铁蛋白表面结合用近红外荧光染料分子Cys.5标记的肤(Cys.5-Gly-Pro-Leu-Gly-Val-Arg-Gly-Cys)和荧光淬灭剂BHQ-3分别形成2种蛋白笼。该肤的核心序列Leu-Gly-Val-Arg(PLGVR)，对多种基质金属蛋白酶MMPs(如MMp-2，-9，-13)有选择性。在pHZ条件下混合两种蛋白笼然后再调为中性，从而自组装成-种新的混合的蛋白笼。这种新的复合物同时拥有荧光染料分子Cys.5和淬灭剂BHQ-3，在静止期没有荧光，然而在肿瘤等具有高水平MMPs的环境下即可被激活产生荧光。
铁蛋白还可用于肿瘤的微环境荧光成像。在肿瘤微环境中，-种膜结合的丝氨酸蛋白酶—成纤维细胞激活蛋白。(FAP-。)，可通过肿瘤相关纤维母细胞(CAFs)和上皮性肿瘤的周细胞高度特异性表达。梭基荧光素( FAM)标记的肤(FAM-DRGETGPAc)可以被FAP-。特异性切割产生荧光片段FAM-DRGETGP。Ji等44’将FAM-DRGETG-PAC修饰到铁蛋白笼表面，然后与修饰有BHQ的铁蛋白笼在pHZ和pH 7.4下混合后重组，即可得到复合的蛋白纳米笼光学探针。由于肿瘤微环境及其周围的血管内皮细胞中有丰富和稳定的FAP-。的表达，因此不必使探针到达肿瘤细胞即可产生快速、特异性和灵敏的肿瘤成像。
3.3多模式成像最近，利用铁蛋白笼进行多模式成像也有广泛地研究。例如，Li。等”‘将近红外荧光(MRF)成像和正电子发射断层扫描技术(PET)相结合用于在体内成像。其利用铁蛋白笼封装放射性同位素64 cu，在蛋白笼表面修饰RGD4C和Cys.5，将这种混合纳米探针静脉注射于荷瘤小鼠，可同时得到PET和MRF的肿瘤成像。此外，Huaflg等’3将近红外染料新叫噪著绿(IR-820)通过逐步调节pH值封装人去铁铁蛋白笼，在550 nm激发波长处产生高的荧光量子产率，在880 nm处可进行光声成像(PAI)。ca。等45通过cys.5标记H-链铁蛋白(HFT)和HFT封装强亚铁磁性氧化铁核心(M-HFT)分别进行NIRF成像和MRI，利用铁蛋白对T扭1靶向性特定和超灵敏地检测大脑及外周器官中高表达T扭1的肿瘤。更为重要的是证实了HFT纳米粒子可以通过生物屏障，如内皮、上皮及血脑屏障等。
综上，铁蛋白是-种有效模板，通过加载不同基序，实现多模式靶向成像。相比于传统的显像剂，其可提高其灵敏度和特异性，更有益于肿瘤、慢性炎症、心血管疾病和神经变性等疾病的早期诊断和疗效监测。
4结语
以纳米粒子为基础的药物已成为治疗剂的-个重要类别。然而，目前使用的许多纳米载体均采用外源合成材料或含有重金属，具有毒性和免疫原性等，且这些纳米粒子设计复杂，难以满足靶向给药标准，因此很少被批准用于临床研究。铁蛋白纳米粒子为天然来源的高分子，相对于其他人工合成的材料具有良好的生物相容性、低毒性、半衰期较长等优点，众多不同类型的分子都可成功装载于铁蛋白，显示出其作为纳米载体在药物输送和生物成像等领域巨大的发展潜力。然而，药物分子内化进人蛋白笼内腔及体内释放、降解、代谢等具体机理并不完全清楚，且铁蛋白表面经修饰后是否会引起免疫原性也未可知，故距其临床应用仍需时间，有待进-步研究。相信随着研究的深人和技术的进步，铁蛋白将会取得更为广泛地生物医学应用并展现出其良好的应用前景。