李雅輝，羅怡杰，吳籽萱，姜文沛，李拓歡，曹眾

磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）是利用核磁共振原理，通過收集和分析水分子中氫質(zhì)子的弛豫信號來對生物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像的技術(shù)。與其他醫(yī)學(xué)成像技術(shù)如熒光成像、超聲成像、計算機(jī)斷層掃描、單電子發(fā)射計算機(jī)斷層掃描等相比，MRI 具有許多獨(dú)特的優(yōu)勢。由于沒有電離輻射的危害，且具有無創(chuàng)性，MRI 被認(rèn)為是一種相對比較安全的檢查方法。MRI 信號主要來自于水的氫核，與脂肪、蛋白質(zhì)等組織中的氫質(zhì)子信號強(qiáng)度不同，所以磁共振成像具有出色的組織對比度。MRI 設(shè)備具備獲取任意方向斷層的能力，可以獲得不同角度和不同斷面的信號。此外，磁共振成像不受骨偽影的干擾，可以進(jìn)行病變部位組織化學(xué)、結(jié)構(gòu)、功能方面的研究。因此，MRI 已成為目前臨床診斷中最有用的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)之一。

MRI 有縱向（T1加權(quán)）和橫向（T2加權(quán)）兩種弛豫模式，每種成像模式都有其獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)。例如，T1加權(quán)MRI 可以顯示正常的軟組織解剖結(jié)構(gòu)，具有良好的分辨率，而 T2加權(quán) MRI 對軟組織病變的檢測則表現(xiàn)出更高的敏感性。此外，MRI 造影劑能夠減少水質(zhì)子的 T1和 T2弛豫時間，進(jìn)一步提升 MRI 的靈敏度和檢測能力，提供更準(zhǔn)確的圖像。T1造影劑能夠產(chǎn)生明亮的 MR 圖像，更有利于解剖結(jié)構(gòu)的觀察。通常 T1造影劑由金屬釓和錳制成，由于它們的離子分別含 7 個和 5 個未配對的電子，使其具有高的電子自旋。Fe3+有 5 個不成對的電子，也使其成為 T1造影劑的潛在候選者[1-2]。T2造影劑主要是鐵基材料，如超順磁性氧化鐵納米顆粒，產(chǎn)生暗的 MR 信號，但靈敏度及特異性更高，能夠更好地鑒別良性與惡性腫瘤。其中 Fe3O4納米顆粒的研究已經(jīng)較為成熟，科研人員可以通過調(diào)節(jié)其尺寸、形貌，并利用合金化和外殼包覆等手段來增強(qiáng)氧化鐵納米顆粒的造影效果；鏑（Dy3+）和鈥（Ho3+）最近也被報道用于超高場強(qiáng) MRI 的 T2成像，它們具有鑭系金屬中最大的磁矩以及較短的弛豫時間，在超高場強(qiáng)下也能保持良好的成像性能。盡管 T2造影劑能帶來異常強(qiáng)烈的對比度增強(qiáng)效果，但陰性造影可能與 MR 圖像中其他因素導(dǎo)致的黑暗區(qū)域混淆，這無疑極大地制約了 T2造影劑的應(yīng)用。

T1成像具有較高的組織分辨率，而 T2成像在檢測疾病方面則具有更高的靈敏度[3]。然而，單獨(dú)使用 T1或 T2造影劑，很難同時獲得同一組織區(qū)域兩種類型的圖像。此外，由于脂肪酸、出血、血栓、空氣、鈣化、金屬沉積等因素的干擾，單模 T1或 T2磁共振成像可能會產(chǎn)生偽影，造成歧義，嚴(yán)重限制對病變組織的準(zhǔn)確診斷。T1和 T2雙模 MRI的結(jié)合可以彌補(bǔ)彼此的不足，為了獲取更全面、準(zhǔn)確的信息，賦予其應(yīng)用于臨床診斷的巨大潛力，需要開發(fā)一種 T1-T2雙模造影劑，可以在一臺儀器上同步收集不同的診斷信息，并實(shí)現(xiàn)時空成像的精確匹配。由于結(jié)合了兩種成像模式的優(yōu)點(diǎn)，具有 T1-T2雙模 MRI 效應(yīng)的造影劑在提高疾病診斷準(zhǔn)確性方面顯示出巨大的潛力，引起了相當(dāng)大的關(guān)注。截至目前，已經(jīng)開發(fā)了多種方法來制備 T1-T2雙模磁共振成像造影劑。本文將對目前 T1-T2雙模磁共振成像造影劑的設(shè)計思路和研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 化學(xué)合成偶聯(lián)法

Chou 等[4]采用一鍋法合成了具有 T1-T2雙模對比度的磁性納米材料 FeGdPt 納米顆粒（FeGdPt NPs）。三合金納米粒子中的 Pt 可以保護(hù) Gd 和 Fe 元素免受氧化。FeGdPt NPs 在體內(nèi)外同時表現(xiàn)出正負(fù)對比度，成功地展示了其在 T1-T2雙模成像中的潛力。Li 等[5]通過水熱合成的方法制備了一種新型的氧化鐵和氧化釓（IO/GdO）納米復(fù)合材料作為 T1-T2雙模磁共振造影劑，進(jìn)一步將腫瘤靶向配體（PDGFB-PEG）連接到 IO/GdO 納米復(fù)合材料表面（PDGFB-pIO/GdO），成功制備了腫瘤靶向 MRI 探針用于原位前列腺癌的準(zhǔn)確診斷。Zhu 等[6]通過溶劑熱法構(gòu)建了一種靶向 Fe/Gd 納米平臺（ipGdIO-Dox），用于化療和鐵死亡協(xié)同治療癌癥，并且表現(xiàn)出較強(qiáng)的 T1-T2雙模 MRI 能力。全身給藥 ipGdIO-Dox 可顯著增強(qiáng)腫瘤內(nèi) T1加權(quán)成像（T1W1）和 T2加權(quán)成像（T2W1）的信噪比（ΔSNR），進(jìn)而提高 MR 圖像質(zhì)量，獲得更詳細(xì)的腫瘤病變病理信息。Zhao 等[7]首次報道了聚丙烯酸修飾的可清除的 MnCo2O4納米點(diǎn)（MnCo2O4@PAA）。由于 Mn 和 Co 的固有磁性，MnCo2O4@PAA 可以作為 T1-T2雙模 MRI 造影劑，為診斷和指導(dǎo)治療提供更全面的信息。Gu 和 Cao 等[8-9]采用電沉積法制備了一維二氧化硅包覆的鐵/錳多層納米線（NWS）。隨著 Mn 濃度的增加，T1加權(quán) MR 圖像中的信號強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)；隨著 Fe 濃度的增加，T2加權(quán) MR 信號強(qiáng)度逐漸減弱。Lv 等[10]制備了蜂窩狀的 MnO2，并同時負(fù)載光敏劑 Ce6 和超小超順磁性氧化鐵（USPIO），構(gòu)建的USPIO@MnO2@Ce6（UMC）納米探針具有 pH/H2O2雙重響應(yīng)性，可以實(shí)現(xiàn)多模式成像引導(dǎo)的光動力療法（圖1）。

圖1 多功能納米探針 USPIO@MnO2@Ce6 的合成及其在 pH/H2O2 觸發(fā)多模態(tài)成像的指導(dǎo)下自補(bǔ)氧 PDT 抗腫瘤治療作用機(jī)制示意圖[10]

2 兩種金屬元素?fù)诫s法

Wang 等[11]將脫鎂葉綠素 a-順磁性 Mn2+螯合物（P-Mn）（T1造影劑）和超順磁性氧化鐵（SPIO）納米顆粒（T2造影劑）同時包載到具有穩(wěn)定性和刺激響應(yīng)性的膠束中，構(gòu)建出一種可激活 T1和 T2信號的新型雙向磁共振（t-MRET）納米造影劑（圖2）。該策略還可以應(yīng)用于不同的膠束納米結(jié)構(gòu)，并設(shè)計成響應(yīng)其他生物標(biāo)記物以應(yīng)對不同疾病的靶向需求。Lu 等[12]也設(shè)計并合成了一種 pH 激活的T1-T2雙模磁共振造影劑 SPIO@SiO2@MnO2。在正常組織中，MnO2作為一種非活性的 T1造影劑前體，可以有效地猝滅 SPIO 的 T2加權(quán)信號。然而，在腫瘤或炎癥組織的酸性環(huán)境下，MnO2分解為 Mn2+，進(jìn)而逐步增加 T1和 T2加權(quán)信號。

圖2 t-MRET 納米技術(shù)和 DESI 在 pH 響應(yīng)型 POP@P-Mn-SPIO 中的應(yīng)用[11]

受距離相關(guān)磁共振調(diào)諧（MRET）現(xiàn)象的啟發(fā)，Zhang等[13]利用血小板衍生生長因子（PDGFB）偶聯(lián)的包覆氧化鐵且摻雜錳的二氧化硅（FMS）核-殼納米結(jié)構(gòu)（PDGFB-FM）設(shè)計了一種新型的腫瘤微環(huán)境響應(yīng)的 T1和 T2雙模式MRI 納米開關(guān)（圖3）。該納米開關(guān)在腫瘤微環(huán)境中具有明顯的關(guān)閉-開啟（Off-On）T1-T2雙模協(xié)同成像效果，且具有超快的響應(yīng)速度、高靈敏度和特異性。

圖3 PDGFB-FMS 的合成工藝示意圖（A）及其作為智能雙模磁共振造影劑的作用機(jī)制（B）[13]

Liang 等[14]通過將順磁性的 Mn2+離子和 Fe3O4納米顆粒組裝到 pH 和谷胱甘肽（GSH）敏感的鋅沸石咪唑骨架（ZIF-8）基質(zhì)中，構(gòu)建了一種成分簡單的 pH 和 GSH 響應(yīng)型 T1-T2雙模造影劑 Fe3O4@ZIF-8-Zn-Mn 納米顆粒。在酸性環(huán)境（pH 6.5～5.5）和 GSH（0～4 mmol/L）中，F(xiàn)e3O4@ZIF-8-Zn-Mn 納米粒子可以分解并釋放 Fe3O4納米粒子和順磁性的 Mn2+離子，使 T1和 T2成像性能同時恢復(fù)，r1和 r2弛豫率分別提高 6.9 倍和 9.9 倍。Liu 等[15]將 Fe3O4和 BMS-202（Pd-L1 抑制劑）負(fù)載到聚丙交酯-乙交酯基納米粒子核中，開發(fā)了一種多功能的金屬-有機(jī)多模式熱療納米平臺（FMN-BMS@HA + AMD），鐵/錳復(fù)合結(jié)構(gòu)使其具有良好的 T1-T2雙模磁共振成像能力，并在乳腺癌動物模型中顯示了顯著的腫瘤生長和轉(zhuǎn)移抑制作用。

3 單一順磁性金屬元素?fù)诫s法

T1和 T2雙模態(tài)造影劑的開發(fā)和應(yīng)用已取得了顯著進(jìn)展。然而，雙金屬基造影劑還存在一些缺陷，包括金屬負(fù)載率低、金屬浸出和毒性，以及由于兩種金屬靠近引起的磁耦合導(dǎo)致金屬的干擾，進(jìn)而使 MRI 信號猝滅。因此，使用具有單金屬基的試劑可能有助于克服上述兩種金屬之間相互作用的限制。

在此基礎(chǔ)上，我們課題組采用聚合前摻雜的方法制備了錳螯合介孔聚多巴胺納米粒（Mn-MPDA），負(fù)載一氧化氮（NO）前體藥物 BNN6 和免疫激動劑 R848，構(gòu)建了一種T1-T2雙模 MRI 可視化納米診療體系（RBMM）（圖4）。在酸性 pH 和高 GSH 含量的條件下載體材料會發(fā)生降解，釋放出 Mn2+和 R848，釋放的 R848 可作用于腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞，使其由 M2 型向 M1 型極化，近紅外激光照射下 RBMM 可釋放大量 NO 氣體，從而實(shí)現(xiàn)了高效協(xié)同抗腫瘤作用；聚合前摻雜策略使得 Mn2+在 MPDA 內(nèi)部的摻雜效率顯著升高，幾何約束構(gòu)象作用可使 Mn-MPDA 附近水分子的自由旋轉(zhuǎn)及近端水分子的擴(kuò)散受限，因此顯著提高了 T1-T2雙模態(tài) MRI 造影劑的靈敏度[16]。在這一基礎(chǔ)上，我們通過在介孔聚多巴胺中摻雜精氨酸（Arg）和錳離子（Mn2+），賦予其優(yōu)異的抗 ROS 和 MRI 可視化探針功能，進(jìn)一步負(fù)載臨床抗炎藥物皮質(zhì)類固醇地塞米松（DEX）構(gòu)建 DEX@Arg-Mn-MPDA（DAMM）納米診療探針，該探針不僅能夠抑制滑膜巨噬細(xì)胞極化炎性反應(yīng)和關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞凋亡，有效延緩骨關(guān)節(jié)炎發(fā)展；同時該探針具有 T1-T2雙模磁共振（MRI）造影能力，有望實(shí)現(xiàn) MRI 可視化關(guān)節(jié)內(nèi)藥物遞送，對病理微環(huán)境藥物濃度進(jìn)行有效監(jiān)控，并實(shí)現(xiàn)對骨關(guān)節(jié)炎發(fā)展進(jìn)程的精準(zhǔn)診斷[17]。

圖4 T1-T2 雙模 MRI 可視化納米診療體系及作用機(jī)制[16]

具有順磁特性的釓是一種非常經(jīng)典的能同時發(fā)生橫向弛豫和縱向弛豫的材料。Zhou 等[18]設(shè)計了氧化還原二茂鐵硒化合物（FcSe）修飾的順磁性 Gd3+基上轉(zhuǎn)換納米顆粒（UCNPs），用于調(diào)節(jié) T1-T2弛豫時間，以實(shí)現(xiàn)多模態(tài)成像和 H2O2響應(yīng)光-化學(xué)動力學(xué)治療。氧化釓納米顆粒（Gd2O3NPs）由于具有更好的安全性、功能性和弛豫性，已成為 Gd造影劑的有效替代品。Kadria-Vili 等[19]報道了聚乙二醇化的 Gd2O3-介孔二氧化硅/金核/殼納米顆粒（Gd2O3-MS NSs）的合成，該納米顆粒的 r1 弛豫率是傳統(tǒng) T1造影劑的三倍以上，r2弛豫率與現(xiàn)有 T2造影劑相當(dāng)。Gholibegloo 等[20]在其研究中合成了 pH 敏感的 Gd2O3/CS-TPP@5-ALA 納米顆粒，除了 Gd2O3固有的 T1效應(yīng)外，通過 5-氨基乙酰丙酸（5-ALA）和檸檬酸鐵銨（FAC）誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)鐵蛋白增加的強(qiáng)磁化率，影響鄰近質(zhì)子的 T2。因此，細(xì)胞 T1加權(quán)成像加代謝 T2加權(quán)成像可以為多形性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的準(zhǔn)確診斷提供更詳細(xì)的信息。另有學(xué)者采用仿生合成方法，以牛血清白蛋白（BSA）為模板，在水中一步制備出具有T1-T2雙模態(tài)成像功能的 KMnF3@BSA 探針。該探針只含有一種順磁元素，可避免 T1和 T2組分之間的相互干擾和復(fù)雜的多步合成步驟，呈現(xiàn)出雙高的 r1和 r2弛豫性能。這種簡單的仿生方法還可用于制備 KCoF3、KGdF4和KEuF4等金屬氟化物[21]。與元素周期表中的 Gd 一樣，鉺（Er）因其磁性而引起了研究人員的興趣，有研究者研究了PEO/Er2O3作為診斷性納米纖維的潛在用途[22]。

另外，鐵氧體磁性納米顆粒 MFe2O4（其中 M = Fe、Mn、Zn、Co、Ni）由于具有獨(dú)特的尺寸和可調(diào)節(jié)的物理性質(zhì)而備受關(guān)注，成為腫瘤疾病診斷或治療中前景廣闊的藥物。Shabalkin 等[23]團(tuán)隊首次提出 ZnFe2O4@MnFe2O4納米粒子（MNPs）可以同時進(jìn)行磁熱療、放療和磁共振成像，并驗(yàn)證了其 T1-T2雙模 MRI 對比能力是通過超順磁特性以及化學(xué)和結(jié)構(gòu)組成來確定的。Wang 等[24]提出一種超高場T1-T2雙模態(tài)磁共振血管成像策略，并設(shè)計合成了基于超小氧化鐵納米粒子的 T1-T2雙模態(tài)超高場磁共振造影劑（UDIOC）。如圖5 所示，UDIOC 的超小尺寸使其在超高場下具有適當(dāng)?shù)?T2對比效果，同時其表面修飾的親水性配體加快了周圍環(huán)境中水質(zhì)子的 T1弛豫過程，因此，在超高場下具有高效的磁共振對比能力，可作為 T1-T2雙模態(tài)造影劑。

圖5 超高頻血管成像 T1-T2 雙模磁共振造影劑設(shè)計示意圖[24]（紅色箭頭表示水質(zhì)子的縱向磁化，藍(lán)色箭頭表示水質(zhì)子的橫向磁化）

氧化鐵納米顆粒（IONPs）具有良好的物理化學(xué)和生物學(xué)特性，已被開發(fā)為 T1或 T2加權(quán)磁共振成像的造影劑。然而，提高縱向弛豫率的一般策略往往會降低橫向弛豫率，因此同時加強(qiáng) IONPs 的 T1和 T2增強(qiáng)效應(yīng)仍然是一個挑戰(zhàn)。Chen 等[25]研究了基于 Hofmeister 效應(yīng)的 T1-T2雙模磁共振成像與腫瘤增強(qiáng)協(xié)同治療（圖6）。他們通過在mPEG-NH2修飾的黑磷納米片（PNS）表面負(fù)載 Fe2O3納米顆粒，制備了一種納米復(fù)合材料（FePN）。進(jìn)入腫瘤微環(huán)境后，H+和 GSH 首先攻擊羧基和 Fe3+離子，導(dǎo)致自組裝的 Fe2O3分散降解，提高縱向弛豫效率 r1。然后，Hofmeister 效應(yīng)引起了橫向弛豫效率 r2的增加。另一方面，Sun 及其團(tuán)隊也利用 Fe2O3開發(fā)了一種透明質(zhì)酸（HA）穩(wěn)定的氧化鐵納米簇（Fe2O3@PFDH NC），不僅具有高的縱向和橫向弛豫率，在 T1-T2加權(quán)磁共振成像中表現(xiàn)出很強(qiáng)的對比度，而且可作為一種智能可降解的熱療納米制劑，用于雙模 MRI 引導(dǎo)的化療-光熱治療[26]。

圖6 FePN 時間依賴性 T1-T2 雙模 MRI 的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用及機(jī)制[25]

據(jù)報道，研究人員開發(fā)了一種 FePt@Fe3O4核殼納米粒子用于同步增強(qiáng) T1和 T2成像效果[27]。隨著納米粒子核心尺寸的增大，核?殼界面交換耦合作用增強(qiáng)，引起飽和磁化強(qiáng)度（MS）的提高，從而使 r1和 r2增加。Li 等[28]使用不同分子量的聚合物包覆超小型超順磁性氧化鐵，其中2% Cys-PMAA@Fe3O4MFs 在體外表現(xiàn)出較高的 T1和T2信號，體內(nèi)雙模成像清晰地顯示了腫瘤區(qū)域。

Aires 等[29]的研究展示了利用蛋白質(zhì)工程作為一種新的方法來設(shè)計合成超小 IONPs 的支架。通過合理設(shè)計含有不同數(shù)量金屬配位位點(diǎn)的蛋白質(zhì)，對一組蛋白質(zhì)穩(wěn)定的 IONPs（Prot-IONPs）的大小、理化性質(zhì)和磁性能進(jìn)行了評價，研究證明其具有良好的 T1和 T2弛豫率、穩(wěn)定性和生物相容性，顯示出潛在的磁共振成像應(yīng)用能力。此外，還有研究者設(shè)計了超小 BSA@Fe3O4納米顆粒[30]和 F56-DHCA-Fe@Fe3O4[31]、SA-MPDA@SPIO/DOX/Fe3+NPs[32]納米粒子、特異性靶向 Aβ 的納米探針UFNPs@PEG/PZD[33]、具有治療功能的診療探針Fe-TA-Fe2O3@PDA[34]等，這些納米顆粒都展示了作為 T1-T2雙模造影劑的潛力。

4 小結(jié)

T1-T2雙模態(tài)成像技術(shù)的融合，可在同一臺 MRI 設(shè)備上獲得具有相同穿透深度和空間/時間分辨率的 T1-T2圖像，可以實(shí)現(xiàn)信息的互相映證，從而提供更為準(zhǔn)確的影像學(xué)信息。但是，對于 T1-T2雙模 MRI 探針目前存在的局限性，有以下幾方面的考慮：

⑴對不同疾病適用性的局限性：雙模 MRI 探針在提高對腫瘤小病灶的靈敏度和準(zhǔn)確性方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。然而，由于良性疾病和腫瘤微環(huán)境的異質(zhì)性，這些探針在其他疾病診斷中的應(yīng)用可能面臨困難。因此，需要更多的研究來優(yōu)化探針的設(shè)計，使其更適用于不同病理學(xué)特征的疾病。

⑵臨床應(yīng)用前的深入評估：在推動臨床轉(zhuǎn)化之前，必須充分考慮雙模 MRI 探針的生物安全性和生物相容性。盡管已有大量基礎(chǔ)研究致力于雙模 MRI 探針的設(shè)計，但大多數(shù)研究僅涉及體外和動物實(shí)驗(yàn)。為了更好地了解其在人體內(nèi)的效力和安全性，需要進(jìn)行更深入的臨床前評估，包括體內(nèi)藥代動力學(xué)、毒理學(xué)和安全性評價等。

⑶未來臨床應(yīng)用的挑戰(zhàn)：雖然在基礎(chǔ)研究中取得了顯著進(jìn)展，但將雙模 MRI 探針成功應(yīng)用于臨床仍然面臨一系列挑戰(zhàn)。這包括標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化的問題，以確保探針在不同臨床環(huán)境中的可重復(fù)性和穩(wěn)定性。

總體而言，盡管存在這些挑戰(zhàn)，對雙模 MRI 探針進(jìn)行深入研究和評估是必要的，以實(shí)現(xiàn)其在未來臨床中更廣泛和有效的應(yīng)用。