苗玉清，張歡，彭明麗，樊海明,2*

（1.西北大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710127；2.西北大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部，陜西 西安 710069）

磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）在腫瘤、心腦血管、神經(jīng)等相關(guān)重大疾病的臨床診斷和療效評估中發(fā)揮著重要作用[1]。對比劑可以增強(qiáng)病灶部位與正常組織之間的對比度，從而顯著提高成像靈敏度，其根據(jù)磁學(xué)性質(zhì)可分為順磁性對比劑及超順磁性對比劑（見圖1）。順磁性對比劑可以縮短周圍氫質(zhì)子的縱向弛豫時間（T1），使得圖像變得更亮，是正增強(qiáng)T1對比劑；超順磁性對比劑可以加速橫向弛豫速率，使得圖像變得更暗，是負(fù)增強(qiáng)T2對比劑。目前，臨床使用的主要是順磁性釓基配合物T1對比劑[2]。但游離的釓離子會沉積在腎臟和中樞神經(jīng)系統(tǒng)，引發(fā)腎源系統(tǒng)性纖維化和神經(jīng)毒性。有腎功能障礙的患者使用釓基T1對比劑可能會加劇腎毒性甚至引起腎衰竭[3-6]。因此，迫切需要發(fā)展新型、安全、高效的磁共振T1對比劑。

圖 1 順磁、超順磁和準(zhǔn)順磁對比劑Figure 1 Paramagnetic, superparamagnetic and quasi-paramagnetic contrast agents

近年來，鐵氧體納米材料由于其獨(dú)特的磁學(xué)性質(zhì)和較高的生物學(xué)相容性，被作為影像對比劑廣泛應(yīng)用于MRI臨床診斷和影像學(xué)研究中。最新研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鐵氧體納米顆粒尺寸減小至5 nm以下時，由于強(qiáng)烈的表面效應(yīng)，其表面自旋無序殼層能夠與內(nèi)部自旋有序晶核形成“核-殼”的準(zhǔn)順磁結(jié)構(gòu)，進(jìn)而體現(xiàn)高T1對比增強(qiáng)性能[7-9]。同時，極小的尺寸提高了準(zhǔn)順磁對比劑的腎清除能力，體內(nèi)安全性更好；準(zhǔn)順磁超小鐵氧體作為安全、高效的T1對比劑迅速成為磁共振納米探針領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[10]。本文將從納米對比劑安全性出發(fā)，圍繞準(zhǔn)順磁超小鐵氧體的構(gòu)建、T1-T2信號增強(qiáng)轉(zhuǎn)換、多模態(tài)成像探針及診療一體化納米平臺應(yīng)用等方面，回顧了近年來其在磁共振成像領(lǐng)域的研究進(jìn)展并探討了臨床轉(zhuǎn)化面臨的挑戰(zhàn)。

1 準(zhǔn)順磁鐵氧體納米對比劑安全性評價

生物安全對影像對比劑的體內(nèi)應(yīng)用至關(guān)重要，準(zhǔn)順磁鐵氧體安全性研究可為其臨床轉(zhuǎn)化奠定基礎(chǔ)。Chen等[11]利用小鼠模型評估了準(zhǔn)順磁超小氧化鐵、臨床用釓基對比劑以及MnO 3種T1對比劑的生物安全性，對比結(jié)果顯示靜脈注射臨床用釓基對比劑、MnO納米顆粒對小鼠的肺和腎臟有明顯的損傷，而準(zhǔn)順磁納米顆粒處理組僅引起相關(guān)應(yīng)激反應(yīng)，未見明顯的組織損害。Weng等[12]進(jìn)一步評估了超小氧化鐵納米對比劑和釓基T1對比劑（釓雙胺）在腎功能衰竭大鼠體內(nèi)的毒副作用：注射釓雙胺以后，腎衰竭大鼠表現(xiàn)出嚴(yán)重的腎源系統(tǒng)性纖維化癥狀，而準(zhǔn)順磁超小氧化鐵對比劑在腎功能衰竭的大鼠體內(nèi)引起腎源系統(tǒng)性纖維化的風(fēng)險可以忽略不計(jì)。Lu等[13]研究顯示，以10 mg · kg-1的注射劑量注射超小氧化鐵納米對比劑以后未見獼猴進(jìn)食、飲水、排尿或神經(jīng)狀態(tài)異常，血液學(xué)或血清生化指標(biāo)均未見明顯變化，繼續(xù)觀察3個月后各項(xiàng)指標(biāo)均維持在正常范圍，注射納米對比劑15周以后，未見病理組織學(xué)或細(xì)胞結(jié)構(gòu)的異常變化。這些研究表明，準(zhǔn)順磁鐵氧體有望作為一種釓基對比劑的替代品應(yīng)用于臨床MRI檢查。

2 準(zhǔn)順磁超小鐵氧體作為磁共振成像T1對比劑

基于準(zhǔn)順磁鐵氧體納米對比劑良好的生物安全性，目前準(zhǔn)順磁鐵氧體納米對比劑已廣泛應(yīng)用于高分辨率血管成像、肝臟成像、微小腫瘤檢出等研究領(lǐng)域。Wei等[14]設(shè)計(jì)并開發(fā)了水動力學(xué)直徑為4.7 nm的兩性離子修飾的準(zhǔn)順磁超小氧化鐵納米顆粒，因其尺寸小于腎小球毛細(xì)血管基底膜孔平均直徑5.5 nm，故增強(qiáng)了腎清除效率，可在2.5 h內(nèi)通過尿液快速排出體外；影像結(jié)果顯示，心臟和血管呈現(xiàn)明顯的T1信號增強(qiáng)，表明其可作為高分辨率血管成像對比劑。Zhang等[15]制備的準(zhǔn)順磁超小錳鐵氧體應(yīng)用于活體血管成像可以清晰分辨0.47 mm的血管。Miao等[16]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，準(zhǔn)順磁錳鐵氧體納米對比劑表面的Mn2+可以介導(dǎo)納米顆粒與肝細(xì)胞特異性結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)肝臟特異性MRI。Miao等[17]通過調(diào)控準(zhǔn)順磁鐵氧體磁晶內(nèi)核和表面自旋無序殼層的組分進(jìn)一步提高了準(zhǔn)順磁鐵氧體納米對比劑的弛豫性能：核殼組分優(yōu)化后的準(zhǔn)順磁鐵氧體納米顆粒的弛豫率可以達(dá)到303 mmol · L-1· s-1（以錳濃度計(jì)算）；活體成像結(jié)果顯示，核殼組分優(yōu)化后準(zhǔn)順磁鐵氧體可高靈敏地檢出微小乳腺癌肺轉(zhuǎn)移瘤病灶。

通過對準(zhǔn)順磁鐵氧體納米顆粒偶聯(lián)靶向分子，從而構(gòu)建主動靶向的磁共振納米探針，可實(shí)現(xiàn)對病灶部位的精準(zhǔn)定位以及對微小腫瘤的高靈敏檢測。精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）序列可以靶向腫瘤細(xì)胞過表達(dá)的整合素αvβ3。Luo等[18]構(gòu)建了RGD偶聯(lián)的準(zhǔn)順磁超小氧化鐵主動靶向磁共振探針，由于超小氧化鐵納米顆粒表面RGD的主動靶向作用，靜脈注射超小氧化鐵納米對比劑45 min后，超小氧化鐵納米顆粒在小鼠腫瘤部位富集度達(dá)到最高，呈現(xiàn)最佳的T1信號增強(qiáng)。Jia等[19]將另一種RGD序列c(RGDyk)修飾于超小Fe3O4納米對比劑表面，構(gòu)建了一種主動靶向微小肝臟腫瘤的MRI探針：該探針可通過c(RGDyk)特異性靶向腫瘤新生血管，放大肝臟腫瘤T1信號，有效檢出直徑低至2.2 mm的微小肝癌病灶。Du等[20]通過在超小氧化鐵納米對比劑表面偶聯(lián)胃蛋白酶抑素A（pepstatin A，PA）構(gòu)建了可以特異性靶向致癲癇區(qū)域的主動靶向磁共振納米探針（PA-USPIONs），其中PA可特異性靶向腦毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞（BCECs）質(zhì)膜上過表達(dá)的P-gp蛋白，因此，PA-USPIONs作為磁共振T1對比劑可實(shí)現(xiàn)致癲癇區(qū)域的精準(zhǔn)定位，拓展了準(zhǔn)順磁鐵氧體納米對比劑的應(yīng)用范圍。Li等[21]通過將超小錳鐵氧體納米顆粒（UMFNPs）與腫瘤靶向五肽半胱氨酸-精氨酸-谷氨酸-賴氨酸-丙氨酸（CREKA）結(jié)合，構(gòu)建了一種超靈敏的MRI T1納米探針（UMFNPCREKA），其可以準(zhǔn)確檢測微小乳腺癌轉(zhuǎn)移瘤病灶（見圖2）：UMFNP-CREKA模擬了中性粒細(xì)胞清除外來病原體的免疫監(jiān)測過程，表現(xiàn)出趨化的“靶向激活”能力；通過與腫瘤周圍豐富的纖維蛋白-纖維連接蛋白復(fù)合物結(jié)合，UMFNP-CREKA被招募至轉(zhuǎn)移瘤邊緣，之后響應(yīng)轉(zhuǎn)移瘤特定的高H2O2和低pH值微環(huán)境釋放Mn2+，Mn2+的定向釋放及其與蛋白的相互作用可使轉(zhuǎn)移瘤的磁共振T1信號顯著放大；活體成像結(jié)果顯示，這種超靈敏的MRI T1探針可有效檢測出直徑大于0.39 mm的轉(zhuǎn)移瘤病灶。

圖 2 乳腺癌微小轉(zhuǎn)移瘤診斷用超小錳鐵氧體納米探針的構(gòu)建[21]Figure 2 Construction of the UMFNP-CREKA nanoprobe for diagnosing ultrasmall metastasis of breast cancer[21]

3 可T1-T2信號轉(zhuǎn)換的智能探針

在一定病理生理?xiàng)l件下，準(zhǔn)順磁超小鐵氧體納米對比劑在病灶部位可發(fā)生自組裝-解組裝過程，該過程可導(dǎo)致磁共振T1和T2信號強(qiáng)度改變。利用該策略可以構(gòu)建智能納米探針，從而實(shí)現(xiàn)MRI對特定分子或生物事件的高靈敏檢測。Wang等[22]證實(shí)，基于準(zhǔn)順磁超小氧化鐵自組裝的策略可以提高納米顆粒在瘤內(nèi)的分布，從而增強(qiáng)腫瘤部位MRI信號強(qiáng)度，提高診斷靈敏度（見圖3）：與大尺寸的納米顆粒相比，超小氧化鐵納米顆粒可以很容易地從腫瘤血管滲出并擴(kuò)散到腫瘤組織，然后利用腫瘤酸性微環(huán)境自組裝，以限制納米顆粒重新進(jìn)入血液循環(huán)，從而提高納米顆粒的遞送以及腫瘤滯留效率；活體MRI顯示，準(zhǔn)順磁超小氧化鐵對比劑在靜脈注射1 h后，腫瘤血管區(qū)域顯示出“明亮”的T1信號，24 h后在腫瘤內(nèi)出現(xiàn)“暗色”的T2信號，T1-T2信號的變化說明準(zhǔn)順磁超小氧化鐵納米對比劑在血管中處于分散狀態(tài)，其進(jìn)入腫瘤組織中則會自組裝為較大尺寸的納米顆粒團(tuán)簇。Lu等[23]利用一種特殊DNA（i-motif DNA）構(gòu)建了pH響應(yīng)的超小氧化鐵納米顆粒自組裝體：在正常生理?xiàng)l件下（pH7.4），組裝體可維持組裝狀態(tài)，呈現(xiàn)T2對比增強(qiáng)；而在酸性條件下（pH5.5），i-motif DNA因質(zhì)子化解螺旋，自組裝體分解成分散狀態(tài)的納米顆粒，導(dǎo)致T1對比效果增強(qiáng)。這種腫瘤微環(huán)境響應(yīng)型的超小氧化鐵納米顆粒自組裝體有望實(shí)現(xiàn)MRI對肝癌微小病灶的精準(zhǔn)診斷。該課題組成員Li等[24]進(jìn)一步利用pH敏感的腙鍵將準(zhǔn)順磁超小氧化鐵納米顆粒交聯(lián)起來，設(shè)計(jì)了一種酸響應(yīng)型氧化鐵納米自組裝體：在中性條件下，由于苯腙的形成使得腫瘤部位圖像整體呈現(xiàn)T2增強(qiáng)效果；而在腫瘤酸性微環(huán)境下發(fā)生解組裝，T1信號隨之逐步增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了在腫瘤部位磁共振T1信號特異性放大。Bai等[25]開發(fā)了一種準(zhǔn)順磁超小氧化鐵納米探針，該探針在靜脈注射30 min時腫瘤區(qū)域表現(xiàn)出最佳的T1增強(qiáng)效果，之后T1信號逐漸消失同時T2信號逐漸增強(qiáng)。這種腫瘤部位信號隨時間變化的效果能夠有效提高M(jìn)RI診斷的準(zhǔn)確性和靈敏性。最近，Li等[26]構(gòu)建了一種光敏感型準(zhǔn)順磁超小氧化鐵納米探針，通過切換激光輻照的開關(guān)，可以調(diào)節(jié)納米團(tuán)簇的組裝-解組裝過程，從而實(shí)現(xiàn)動態(tài)T1-T2增強(qiáng)的相互轉(zhuǎn)化，可用于對關(guān)節(jié)炎的雙模態(tài)MRI。

圖 3 可實(shí)現(xiàn)T1-T2雙模式轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)順磁氧化鐵納米探針的構(gòu)建[22]Figure 3 Construction of quasi-paramagnetic iron oxide nanoparticles with T1-T2 MRI contrast switch[22]

4 多模態(tài)成像探針

MRI具有較高的分辨率，但是其靈敏度較低。核醫(yī)學(xué)成像技術(shù)如正電子發(fā)射斷層掃描（PET）以及單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描（SPECT）具有較高的靈敏度但分辨率較低。將2種或多種成像模式結(jié)合，取長補(bǔ)短，可克服單模式成像的局限，兼顧高分辨率和高靈敏度，實(shí)現(xiàn)病灶早期檢出。Pellico等[27]利用摻鎵（68Ga）同位素的準(zhǔn)順磁超小氧化鐵構(gòu)建了一種PET/MRI雙模式成像探針；實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，微波輔助合成的方法可實(shí)現(xiàn)納米顆粒的快速制備（10 min）且放射性核素標(biāo)記效率高，68Ga的標(biāo)記可以準(zhǔn)確地定量納米顆粒在荷瘤小鼠體內(nèi)的分布。Sandiford等[28]開發(fā)了雙膦酸PEG修飾的準(zhǔn)順磁超小氧化鐵納米探針（見圖4）：體內(nèi)成像結(jié)果表明，較低劑量的納米探針即可實(shí)現(xiàn)高分辨磁共振血管成像，而雙膦酸PEG配體還可高效螯合放射性同位素99mTc，使其牢固地結(jié)合在氧化鐵納米顆粒表面，從而實(shí)現(xiàn)MRI T1-SPECT雙模式成像，證實(shí)MRI和計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）的結(jié)合可以提供詳細(xì)的解剖學(xué)信息。Wang等[29]將準(zhǔn)順磁超小氧化鐵納米顆粒和金納米籠自組裝并在其表面修飾葉酸分子，從而構(gòu)建了一個MRI-CT的雙模式成像探針，CT和磁共振T1和T2加權(quán)成像結(jié)果表明，該探針可在腫瘤部位大量富集，最后通過腎臟清除途徑排出體外。

圖 4 基于準(zhǔn)順磁氧化鐵納米顆粒構(gòu)建MRI T1-SPECT雙模式成像探針[28]Figure 4 Construction of MRI T1-SPECT dual-mode imaging probes based on quasi-paramagnetic iron oxide nanoparticles[28]

5 診療一體化納米平臺

將疾病的診斷和治療有機(jī)地結(jié)合起來構(gòu)建診療一體化探針可以實(shí)時診斷病情、監(jiān)測藥物治療過程、反饋治療效果。通過在準(zhǔn)順磁超小鐵氧體的表面修飾不同的功能分子，如糖類、藥物分子、蛋白、抗體等可構(gòu)建診療一體化平臺，實(shí)現(xiàn)影像介導(dǎo)的疾病治療。Ling等[30]利用pH敏感的高分子聚合物將準(zhǔn)順磁超小氧化鐵包裹起來構(gòu)建了pH敏感的“納米手榴彈”（PMNs）：在中性條件下，PMNs呈現(xiàn)團(tuán)簇狀態(tài)，整體呈現(xiàn)T2增強(qiáng)效果，同時其可導(dǎo)致熒光猝滅，在腫瘤酸性微環(huán)境中，PMNs解組裝，“開啟”MRI T1信號以及熒光信號；人結(jié)直腸癌小鼠腫瘤模型研究表明，該MRI T1-熒光雙模式探針可檢測到直徑小于3 mm的腫瘤，同時pH觸發(fā)的光動力活性可以選擇性地殺傷癌細(xì)胞，表現(xiàn)出優(yōu)異的治療效果。Zhang等[31]合成了牛血清白蛋白修飾的準(zhǔn)順磁超小錳鐵氧體納米顆粒，該材料兼具較強(qiáng)的T1加權(quán)成像能力和優(yōu)異的光熱治療性能：利用4T1荷瘤小鼠模型進(jìn)行的活體MRI實(shí)驗(yàn)顯示，腫瘤部位的信號顯著增強(qiáng)約2倍，在近紅外激光照射下，準(zhǔn)順磁超小錳鐵氧體的光熱效應(yīng)可誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞死亡。Lu等[32]將準(zhǔn)順磁超小氧化鐵納米顆粒鑲嵌于樹枝狀大分子穩(wěn)定的金納米花（nanoflowers）中得到一種多模式探針，該多模式探針表現(xiàn)出更高的弛豫效能以及光熱轉(zhuǎn)換效率（82.7%），可用于磁共振T1成像/光聲成像/計(jì)算機(jī)斷層掃描（MRI T1/PA/CT）三模態(tài)成像指導(dǎo)的聯(lián)合光熱治療（PTT）和放射治療（RT）。Tseng等[33]將準(zhǔn)順磁超小氧化鐵納米顆粒吸附于蠕蟲狀介孔二氧化硅表面，再用一層薄的介孔二氧化硅將其封裝，隨后通過硼酸酯鍵將金納米顆粒修飾于表面，同時裝載了抗腫瘤藥物阿霉素并修飾葉酸作為靶向分子，構(gòu)建了MRI T1-CT雙模式成像和靶向治療的診療一體化探針；該探針的雙模式成像功能有助于藥物的精準(zhǔn)遞送及釋放控制。

6 結(jié)語

超小鐵氧體納米顆粒由于其極小的尺寸，使其在MRI對比增強(qiáng)方面表現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)超順磁性納米顆粒的“準(zhǔn)順磁”性質(zhì)，為設(shè)計(jì)新一代高效安全的T1對比劑開辟了新的途徑。以準(zhǔn)順磁鐵氧體為核心設(shè)計(jì)單模、多模態(tài)分子影像探針，構(gòu)建診療一體化平臺的研究層出不窮。盡管近期這些領(lǐng)域的研究取得了令人振奮的成果，但是許多仍處于概念驗(yàn)證階段，缺乏對安全性和有效性的系統(tǒng)性研究，其成功的臨床轉(zhuǎn)化仍需要克服一些重大的挑戰(zhàn)，如：建立尺寸組分可控的高單分散準(zhǔn)順磁鐵氧體納米顆粒的宏量制備方法；發(fā)展準(zhǔn)順磁鐵氧體納米顆粒與生物靶點(diǎn)之間的高特異性結(jié)合新策略；研究準(zhǔn)順磁鐵氧體納米顆粒組分、表面化學(xué)成分等因素對準(zhǔn)順磁鐵氧體的體內(nèi)代謝和清除行為的影響等。伴隨著材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等交叉學(xué)科發(fā)展，以及人們對納米材料生物學(xué)效應(yīng)更深入的理解，基于準(zhǔn)順磁鐵氧體的納米對比劑可望在不久的將來作為新一代先進(jìn)磁共振對比劑應(yīng)用于臨床，有效提升MRI靈敏度，實(shí)現(xiàn)重大疾病的早期檢出。