准顺磁超小铁氧体纳米对比剂的磁共振成像应用研究进展

苗玉清，张欢，彭明丽，樊海明,2*

（1.西北大学化学与材料科学学院，陕西 西安 710127；2.西北大学生命科学与医学部，陕西 西安 710069）

磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）在肿瘤、心脑血管、神经等相关重大疾病的临床诊断和疗效评估中发挥着重要作用[1]。对比剂可以增强病灶部位与正常组织之间的对比度，从而显著提高成像灵敏度，其根据磁学性质可分为顺磁性对比剂及超顺磁性对比剂（见图1）。顺磁性对比剂可以缩短周围氢质子的纵向弛豫时间（T1），使得图像变得更亮，是正增强T1对比剂；超顺磁性对比剂可以加速横向弛豫速率，使得图像变得更暗，是负增强T2对比剂。目前，临床使用的主要是顺磁性钆基配合物T1对比剂[2]。但游离的钆离子会沉积在肾脏和中枢神经系统，引发肾源系统性纤维化和神经毒性。有肾功能障碍的患者使用钆基T1对比剂可能会加剧肾毒性甚至引起肾衰竭[3-6]。因此，迫切需要发展新型、安全、高效的磁共振T1对比剂。

图 1 顺磁、超顺磁和准顺磁对比剂Figure 1 Paramagnetic, superparamagnetic and quasi-paramagnetic contrast agents

近年来，铁氧体纳米材料由于其独特的磁学性质和较高的生物学相容性，被作为影像对比剂广泛应用于MRI临床诊断和影像学研究中。最新研究发现，当铁氧体纳米颗粒尺寸减小至5 nm以下时，由于强烈的表面效应，其表面自旋无序壳层能够与内部自旋有序晶核形成“核-壳”的准顺磁结构，进而体现高T1对比增强性能[7-9]。同时，极小的尺寸提高了准顺磁对比剂的肾清除能力，体内安全性更好；准顺磁超小铁氧体作为安全、高效的T1对比剂迅速成为磁共振纳米探针领域的研究热点[10]。本文将从纳米对比剂安全性出发，围绕准顺磁超小铁氧体的构建、T1-T2信号增强转换、多模态成像探针及诊疗一体化纳米平台应用等方面，回顾了近年来其在磁共振成像领域的研究进展并探讨了临床转化面临的挑战。

1 准顺磁铁氧体纳米对比剂安全性评价

生物安全对影像对比剂的体内应用至关重要，准顺磁铁氧体安全性研究可为其临床转化奠定基础。Chen等[11]利用小鼠模型评估了准顺磁超小氧化铁、临床用钆基对比剂以及MnO 3种T1对比剂的生物安全性，对比结果显示静脉注射临床用钆基对比剂、MnO纳米颗粒对小鼠的肺和肾脏有明显的损伤，而准顺磁纳米颗粒处理组仅引起相关应激反应，未见明显的组织损害。Weng等[12]进一步评估了超小氧化铁纳米对比剂和钆基T1对比剂（钆双胺）在肾功能衰竭大鼠体内的毒副作用：注射钆双胺以后，肾衰竭大鼠表现出严重的肾源系统性纤维化症状，而准顺磁超小氧化铁对比剂在肾功能衰竭的大鼠体内引起肾源系统性纤维化的风险可以忽略不计。Lu等[13]研究显示，以10 mg · kg-1的注射剂量注射超小氧化铁纳米对比剂以后未见猕猴进食、饮水、排尿或神经状态异常，血液学或血清生化指标均未见明显变化，继续观察3个月后各项指标均维持在正常范围，注射纳米对比剂15周以后，未见病理组织学或细胞结构的异常变化。这些研究表明，准顺磁铁氧体有望作为一种钆基对比剂的替代品应用于临床MRI检查。

2 准顺磁超小铁氧体作为磁共振成像T1对比剂

基于准顺磁铁氧体纳米对比剂良好的生物安全性，目前准顺磁铁氧体纳米对比剂已广泛应用于高分辨率血管成像、肝脏成像、微小肿瘤检出等研究领域。Wei等[14]设计并开发了水动力学直径为4.7 nm的两性离子修饰的准顺磁超小氧化铁纳米颗粒，因其尺寸小于肾小球毛细血管基底膜孔平均直径5.5 nm，故增强了肾清除效率，可在2.5 h内通过尿液快速排出体外；影像结果显示，心脏和血管呈现明显的T1信号增强，表明其可作为高分辨率血管成像对比剂。Zhang等[15]制备的准顺磁超小锰铁氧体应用于活体血管成像可以清晰分辨0.47 mm的血管。Miao等[16]进一步研究发现，准顺磁锰铁氧体纳米对比剂表面的Mn2+可以介导纳米颗粒与肝细胞特异性结合，从而实现肝脏特异性MRI。Miao等[17]通过调控准顺磁铁氧体磁晶内核和表面自旋无序壳层的组分进一步提高了准顺磁铁氧体纳米对比剂的弛豫性能：核壳组分优化后的准顺磁铁氧体纳米颗粒的弛豫率可以达到303 mmol · L-1· s-1（以锰浓度计算）；活体成像结果显示，核壳组分优化后准顺磁铁氧体可高灵敏地检出微小乳腺癌肺转移瘤病灶。

通过对准顺磁铁氧体纳米颗粒偶联靶向分子，从而构建主动靶向的磁共振纳米探针，可实现对病灶部位的精准定位以及对微小肿瘤的高灵敏检测。精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）序列可以靶向肿瘤细胞过表达的整合素αvβ3。Luo等[18]构建了RGD偶联的准顺磁超小氧化铁主动靶向磁共振探针，由于超小氧化铁纳米颗粒表面RGD的主动靶向作用，静脉注射超小氧化铁纳米对比剂45 min后，超小氧化铁纳米颗粒在小鼠肿瘤部位富集度达到最高，呈现最佳的T1信号增强。Jia等[19]将另一种RGD序列c(RGDyk)修饰于超小Fe3O4纳米对比剂表面，构建了一种主动靶向微小肝脏肿瘤的MRI探针：该探针可通过c(RGDyk)特异性靶向肿瘤新生血管，放大肝脏肿瘤T1信号，有效检出直径低至2.2 mm的微小肝癌病灶。Du等[20]通过在超小氧化铁纳米对比剂表面偶联胃蛋白酶抑素A（pepstatin A，PA）构建了可以特异性靶向致癫痫区域的主动靶向磁共振纳米探针（PA-USPIONs），其中PA可特异性靶向脑毛细血管内皮细胞（BCECs）质膜上过表达的P-gp蛋白，因此，PA-USPIONs作为磁共振T1对比剂可实现致癫痫区域的精准定位，拓展了准顺磁铁氧体纳米对比剂的应用范围。Li等[21]通过将超小锰铁氧体纳米颗粒（UMFNPs）与肿瘤靶向五肽半胱氨酸-精氨酸-谷氨酸-赖氨酸-丙氨酸（CREKA）结合，构建了一种超灵敏的MRI T1纳米探针（UMFNPCREKA），其可以准确检测微小乳腺癌转移瘤病灶（见图2）：UMFNP-CREKA模拟了中性粒细胞清除外来病原体的免疫监测过程，表现出趋化的“靶向激活”能力；通过与肿瘤周围丰富的纤维蛋白-纤维连接蛋白复合物结合，UMFNP-CREKA被招募至转移瘤边缘，之后响应转移瘤特定的高H2O2和低pH值微环境释放Mn2+，Mn2+的定向释放及其与蛋白的相互作用可使转移瘤的磁共振T1信号显著放大；活体成像结果显示，这种超灵敏的MRI T1探针可有效检测出直径大于0.39 mm的转移瘤病灶。

图 2 乳腺癌微小转移瘤诊断用超小锰铁氧体纳米探针的构建[21]Figure 2 Construction of the UMFNP-CREKA nanoprobe for diagnosing ultrasmall metastasis of breast cancer[21]

3 可T1-T2信号转换的智能探针

在一定病理生理条件下，准顺磁超小铁氧体纳米对比剂在病灶部位可发生自组装-解组装过程，该过程可导致磁共振T1和T2信号强度改变。利用该策略可以构建智能纳米探针，从而实现MRI对特定分子或生物事件的高灵敏检测。Wang等[22]证实，基于准顺磁超小氧化铁自组装的策略可以提高纳米颗粒在瘤内的分布，从而增强肿瘤部位MRI信号强度，提高诊断灵敏度（见图3）：与大尺寸的纳米颗粒相比，超小氧化铁纳米颗粒可以很容易地从肿瘤血管渗出并扩散到肿瘤组织，然后利用肿瘤酸性微环境自组装，以限制纳米颗粒重新进入血液循环，从而提高纳米颗粒的递送以及肿瘤滞留效率；活体MRI显示，准顺磁超小氧化铁对比剂在静脉注射1 h后，肿瘤血管区域显示出“明亮”的T1信号，24 h后在肿瘤内出现“暗色”的T2信号，T1-T2信号的变化说明准顺磁超小氧化铁纳米对比剂在血管中处于分散状态，其进入肿瘤组织中则会自组装为较大尺寸的纳米颗粒团簇。Lu等[23]利用一种特殊DNA（i-motif DNA）构建了pH响应的超小氧化铁纳米颗粒自组装体：在正常生理条件下（pH7.4），组装体可维持组装状态，呈现T2对比增强；而在酸性条件下（pH5.5），i-motif DNA因质子化解螺旋，自组装体分解成分散状态的纳米颗粒，导致T1对比效果增强。这种肿瘤微环境响应型的超小氧化铁纳米颗粒自组装体有望实现MRI对肝癌微小病灶的精准诊断。该课题组成员Li等[24]进一步利用pH敏感的腙键将准顺磁超小氧化铁纳米颗粒交联起来，设计了一种酸响应型氧化铁纳米自组装体：在中性条件下，由于苯腙的形成使得肿瘤部位图像整体呈现T2增强效果；而在肿瘤酸性微环境下发生解组装，T1信号随之逐步增强，实现了在肿瘤部位磁共振T1信号特异性放大。Bai等[25]开发了一种准顺磁超小氧化铁纳米探针，该探针在静脉注射30 min时肿瘤区域表现出最佳的T1增强效果，之后T1信号逐渐消失同时T2信号逐渐增强。这种肿瘤部位信号随时间变化的效果能够有效提高MRI诊断的准确性和灵敏性。最近，Li等[26]构建了一种光敏感型准顺磁超小氧化铁纳米探针，通过切换激光辐照的开关，可以调节纳米团簇的组装-解组装过程，从而实现动态T1-T2增强的相互转化，可用于对关节炎的双模态MRI。

图 3 可实现T1-T2双模式转换的准顺磁氧化铁纳米探针的构建[22]Figure 3 Construction of quasi-paramagnetic iron oxide nanoparticles with T1-T2 MRI contrast switch[22]

4 多模态成像探针

MRI具有较高的分辨率，但是其灵敏度较低。核医学成像技术如正电子发射断层扫描（PET）以及单光子发射计算机断层扫描（SPECT）具有较高的灵敏度但分辨率较低。将2种或多种成像模式结合，取长补短，可克服单模式成像的局限，兼顾高分辨率和高灵敏度，实现病灶早期检出。Pellico等[27]利用掺镓（68Ga）同位素的准顺磁超小氧化铁构建了一种PET/MRI双模式成像探针；实验结果证实，微波辅助合成的方法可实现纳米颗粒的快速制备（10 min）且放射性核素标记效率高，68Ga的标记可以准确地定量纳米颗粒在荷瘤小鼠体内的分布。Sandiford等[28]开发了双膦酸PEG修饰的准顺磁超小氧化铁纳米探针（见图4）：体内成像结果表明，较低剂量的纳米探针即可实现高分辨磁共振血管成像，而双膦酸PEG配体还可高效螯合放射性同位素99mTc，使其牢固地结合在氧化铁纳米颗粒表面，从而实现MRI T1-SPECT双模式成像，证实MRI和计算机断层扫描（CT）的结合可以提供详细的解剖学信息。Wang等[29]将准顺磁超小氧化铁纳米颗粒和金纳米笼自组装并在其表面修饰叶酸分子，从而构建了一个MRI-CT的双模式成像探针，CT和磁共振T1和T2加权成像结果表明，该探针可在肿瘤部位大量富集，最后通过肾脏清除途径排出体外。

图 4 基于准顺磁氧化铁纳米颗粒构建MRI T1-SPECT双模式成像探针[28]Figure 4 Construction of MRI T1-SPECT dual-mode imaging probes based on quasi-paramagnetic iron oxide nanoparticles[28]

5 诊疗一体化纳米平台

将疾病的诊断和治疗有机地结合起来构建诊疗一体化探针可以实时诊断病情、监测药物治疗过程、反馈治疗效果。通过在准顺磁超小铁氧体的表面修饰不同的功能分子，如糖类、药物分子、蛋白、抗体等可构建诊疗一体化平台，实现影像介导的疾病治疗。Ling等[30]利用pH敏感的高分子聚合物将准顺磁超小氧化铁包裹起来构建了pH敏感的“纳米手榴弹”（PMNs）：在中性条件下，PMNs呈现团簇状态，整体呈现T2增强效果，同时其可导致荧光猝灭，在肿瘤酸性微环境中，PMNs解组装，“开启”MRI T1信号以及荧光信号；人结直肠癌小鼠肿瘤模型研究表明，该MRI T1-荧光双模式探针可检测到直径小于3 mm的肿瘤，同时pH触发的光动力活性可以选择性地杀伤癌细胞，表现出优异的治疗效果。Zhang等[31]合成了牛血清白蛋白修饰的准顺磁超小锰铁氧体纳米颗粒，该材料兼具较强的T1加权成像能力和优异的光热治疗性能：利用4T1荷瘤小鼠模型进行的活体MRI实验显示，肿瘤部位的信号显著增强约2倍，在近红外激光照射下，准顺磁超小锰铁氧体的光热效应可诱导肿瘤细胞死亡。Lu等[32]将准顺磁超小氧化铁纳米颗粒镶嵌于树枝状大分子稳定的金纳米花（nanoflowers）中得到一种多模式探针，该多模式探针表现出更高的弛豫效能以及光热转换效率（82.7%），可用于磁共振T1成像/光声成像/计算机断层扫描（MRI T1/PA/CT）三模态成像指导的联合光热治疗（PTT）和放射治疗（RT）。Tseng等[33]将准顺磁超小氧化铁纳米颗粒吸附于蠕虫状介孔二氧化硅表面，再用一层薄的介孔二氧化硅将其封装，随后通过硼酸酯键将金纳米颗粒修饰于表面，同时装载了抗肿瘤药物阿霉素并修饰叶酸作为靶向分子，构建了MRI T1-CT双模式成像和靶向治疗的诊疗一体化探针；该探针的双模式成像功能有助于药物的精准递送及释放控制。

6 结语

超小铁氧体纳米颗粒由于其极小的尺寸，使其在MRI对比增强方面表现出不同于传统超顺磁性纳米颗粒的“准顺磁”性质，为设计新一代高效安全的T1对比剂开辟了新的途径。以准顺磁铁氧体为核心设计单模、多模态分子影像探针，构建诊疗一体化平台的研究层出不穷。尽管近期这些领域的研究取得了令人振奋的成果，但是许多仍处于概念验证阶段，缺乏对安全性和有效性的系统性研究，其成功的临床转化仍需要克服一些重大的挑战，如：建立尺寸组分可控的高单分散准顺磁铁氧体纳米颗粒的宏量制备方法；发展准顺磁铁氧体纳米颗粒与生物靶点之间的高特异性结合新策略；研究准顺磁铁氧体纳米颗粒组分、表面化学成分等因素对准顺磁铁氧体的体内代谢和清除行为的影响等。伴随着材料科学、生物医学等交叉学科发展，以及人们对纳米材料生物学效应更深入的理解，基于准顺磁铁氧体的纳米对比剂可望在不久的将来作为新一代先进磁共振对比剂应用于临床，有效提升MRI灵敏度，实现重大疾病的早期检出。