综合报告：基于磁场环境下磁性细菌加热效率的研究

作者、研究机构及发表信息

本研究由 Tongwei Zhang、Huangtao Xu、Jia Liu、Yongxin Pan 和 Changqian Cao 等合作完成。相关作者主要隶属于以下机构：
1. 中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理重点实验室
2. 中国科学院地球科学创新研究院
3. 中国科学院大学地球与行星科学学院
4. 法国—中国磁性多细胞进化与发展联合实验室

该研究发表于 Journal of Oceanology and Limnology 杂志 2021 年第 39 卷第 6 期，页码为 2116–2126，文章 DOI 为：10.1007/s00343-021-1071-4。

学术背景

磁性细菌（Magnetotactic Bacteria, MTB）是生活在含氧-缺氧交界面环境中的一种水生微生物，其最大的特点是具有以链状排列的磁小体（Magnetosomes），这些磁小体具有单畴磁性质。研究表明，MTB 的完整细胞在交变磁场中具有显著的加热性能，能够用于肿瘤磁热疗（Magnetic Hyperthermia Therapy, MHT）。磁热疗被认为是治疗恶性肿瘤的一种重要策略，通过将局部组织或全身温度提升到 41–46 ℃ 的“治疗窗口”内，可对癌细胞造成不可逆损伤，而对健康细胞的影响较小。

尽管 MTB 在磁热治疗中表现出优良的加热效率，但由于缺乏标准化的测量设备，对于 MTB 在磁热疗条件下的具体性能及最佳加热条件研究仍然不足。本研究旨在使用商用标准化设备，全面分析 Magnetospirillum gryphiswaldense (MSR-1) 株在不同频率和磁场强度条件下的超热反应。

研究方法

样本准备

本研究准备了三类样本： 1. MTB LA-1 样本：用 LA-1 培养基培养，氮源为氯化铵。
2. MTB LA-2 样本：用 LA-2 培养基培养，氮源为硝酸钠。
3. 商业磁颗粒样本 (S_CMP)：平均粒径约为 30 nm，购自上海生工生物技术有限公司。

细菌生长与磁性通过 OD565 和磁感应强度（C_mag）测定。培养后，收集新鲜的整细胞样本，并依据不同浓度需求制备悬浮液，其中通过超声处理形成三个亚样本（S1、S2 和 S3），处理时间分别为 0、10 和 50 分钟。

磁性和结构表征

1. 透射电子显微镜（TEM）分析：用于研究细胞及其磁小体的形态学特征，测量粒径及颗粒分布。
2. 岩石磁性测量：采用 VSM3900 磁力仪进行磁滞回线、第一逆转曲线（FORC）和饱和等温剩磁测定（SIRM）。
3. 磁热效应测定：使用商业化 D5 系列系统（Nanoscale Biomagnetics）在交变磁场（AMF）条件下测定加热效率。

数据分析

使用比吸收率（SAR，Specific Absorption Rate）评价加热效率，SAR 的计算基于温升曲线初始斜率、样品质量及水的热容量。

研究结果

1. MTB 的生长及磁小体特性

a. TEM 结果显示，MTB LA-1 每个细胞平均含有约 7.8 个磁小体，平均直径 27.9 nm；MTB LA-2 则拥有更多和更大的磁小体，每细胞平均含有 17.7 个磁小体，平均直径为 35.7 nm。
b. 与 SMB 样本相比，MTB 样本的磁小体呈链状排列，而 S_CMP 样本中的颗粒则倾向于聚集成团块，具有结构上的显著差异。

2. 磁学性质对比

研究发现，MTB 样本的磁性参数（饱和磁化强度 M_s、矫顽力 B_c、剩磁比 M_rs/M_s 等）均优于商业磁颗粒。例如，MTB LA-2 的 B_c 为 18.7 mT，而 S_CMP 样本仅有 3.8 mT。这些高磁性和磁各向异性表明，MTB 样本更适合作为磁热疗材料。

3. 加热效率和 SAR 测试

研究表明，MTB 样本在相同铁浓度下的 SAR 明显高于商业磁颗粒，在 764 kHz 频率和 30 kA/m 磁场条件下，MTB LA-2 的 SAR 可达 4925.6 W/g，比 S_CMP 样本（657.3 W/g）高出约 7.5 倍。

同时，实验探讨了频率和磁场强度对加热效率的影响：
- SAR 随频率增加而显著提升，从 144 kHz 时的 788 W/g 增加到 764 kHz 时的 4226 W/g。 - 在磁场强度低于 25 kA/m 时，SAR 随强度增强而增加；但当超过 25 kA/m 时，SAR 不再显著增加，可能与磁化饱和有关。

4. 链状结构对热效应的影响

完整细胞样本 S1（保持磁小体链结构）生成的热量显著高于其他被超声破坏链结构的样本 S2 和 S3。这表明磁小体链的完整性对加热性能至关重要，破坏链结构会导致磁性参数（如矫顽力和剩磁）的下降，进而降低加热效率。

结论与意义

该研究揭示了 MTB 整细胞在磁热疗中的优良性能，其磁热效应主要依赖于磁滞损失机制，并显示出显著优于传统商业磁颗粒的加热效率。此外，通过优化培养条件（如使用硝酸钠代替氯化铵作为氮源）可以进一步提升 MTB 磁小体的数量与性能，从而提高单细胞的加热效率。研究还强调了保持磁小体链结构的重要性，为开发更高效的磁热治疗材料提供了重要思路。

在临床应用方面，该研究为开发基于 MTB 的磁热疗法提供了新的可能性，例如靶向治疗肿瘤。未来，进一步优化培养技术、探索其它种类的磁性细菌，可能为医学领域带来重要突破。

亮点

1. 系统验证了 MTB 在磁热效应中的优势性能，其 SAR 值远高于商业磁颗粒，有望成为下一代肿瘤治疗中高效的磁热材料。
   
2. 通过实验明确了磁小体链结构的关键作用，提出了链式排列显著提升磁热疗效率的原理。
   
3. 采用商用标准化测量设备全面分析了不同频率和磁场条件下的加热性能，补充了该领域的重要空白。
   
4. 提出了优化培养条件以进一步提升 MTB 热效应效率的策略，为未来的材料研发和临床转换应用提供了参考依据。