磁性納米探針在MR分子影像學中的研究與應用

張治國 于金芬

磁性納米探針在MR分子影像學中的研究與應用

張治國①于金芬②*

磁性納米探針在MR分子影像學領域有著非常關鍵的作用，并且有著寬廣的前景，而各種新型納米探針的研發(fā)尤其是靶向納米探針的研制與臨床應用，有利于各種疾病的早期診斷和靶向治療。本研究回顧分析近年來分子影像學的發(fā)展及影像探針的應用，通過查閱近年來國內外大量文獻報道，總結分析分子影像學進展、納米探針的研發(fā)及臨床應用現(xiàn)狀，以提高對磁性納米探針在MR分子影像學領域的重要應用價值的認識，實現(xiàn)疾病治療的實時監(jiān)測及效果評價。

磁性納米探針；分子影像學；研究現(xiàn)狀與應用

[First-author’s address] Maternal and Child Health Hospital of Zhangqiu, Zhangqiu 250200, China.

分子影像學(molecular imaging，MI)是分子生物學、影像醫(yī)學及其他學科發(fā)展和融合而成的新的邊緣交叉學科，最早由美國哈佛大學Ralph Weissleder教授于1999年提出，其目的是“使用醫(yī)學成像方法，在細胞和分子水平定性和定量研究其生物過程的體內狀態(tài)，通過圖像直觀顯示細胞和分子水平的生理、病理的動態(tài)監(jiān)測過程”[1]。實現(xiàn)分子成像的關鍵是需要高度特異性的分子顯像探針、合適的擴增方法以及高分辨率的成像系統(tǒng)。分子成像方法包括核素成像(PET)、磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)、光學成像以及超聲成像等。MRI的空間分辨率極其精細，組織分辨率高，不僅可以高分辨地顯示組織的解剖結構，還可以實現(xiàn)對深部的組織結構進行精細準確的定量分析其分子影像學特征及對其明確精準的定位，同時MRI具備無放射性損傷、重復使用性好以及可靈活的三維成像及具有較好的信號敏感性且方便快捷，因此MRI是比較理想的分子成像技術。

MR分子成像是基于傳統(tǒng)成像技術的基礎上，一個特殊的分子成像，其根本目的是將非特異性物理成像轉化為特定分子成像。實現(xiàn)MR分子成像的關鍵是以具備高敏感性、安全性和穩(wěn)定性的磁性納米探針作為載體，而理想的MR分子成像納米探針需滿足：①必須具備磁性，可以被MRI檢查探測到；②對于靶目標具有高度的特異性、親和力及結合力；③具備合適的擴增條件和擴增能力以及將信號放大的能力；④可以克服生物代謝屏障，迅速有效地穿過代謝屏障進入靶向器官和細胞內；⑤在細胞內聚集的量與靶分子有成比例的表達水平；⑥同一靶分子在細胞膜和細胞內的結合無靶向性差異；⑦不引起機體產生明顯免疫反應或不良反應；⑧在活體內具備生物穩(wěn)定性，不易被分解代謝；⑨有適宜的半衰期，可以被有效的清除和有良好的排泄途徑[1-3]。

1 磁性MRI探針分類

磁性納米探針依據(jù)納米材料的不同主要分為基釓納米探針和含鐵納米探針兩大類。

1.1 基釓納米探針

基釓納米探針是順磁性納米探針，是核磁共振T1陽性對比劑，臨床主要應用的是以釓離子的螯合物Gd3+-DTPA為代表。為了使Gd-DTPA對于不同組織細胞有不同的特異親和力，通常連接一個蛋白質、抗體、多聚賴氨酸或多糖等，然后聯(lián)接一個靶向性的合成物，使其可以在化合物受體高表達的分子、細胞中得以明顯攝??；或采用脂質體攜帶對比劑[4]。如：連接葡萄糖多支聚合體的Gd-DTPA，可被糖受體高表達的腫瘤細胞明顯攝取。目前臨床大量應用的釓螯合物(Gd-DTPA等)如釓貝葡胺注射液和釓塞酸二鈉。

1.2 含鐵納米探針

含鐵納米探針是以氧化鐵為基礎的超順磁性探針，能產強烈的T2陰性信號對比。其粒徑小于含釓納米探針，其穿透性強(Fe3O4、γ-fe2O3、FeOOH等)，主要包括粒徑在40～400 nm的超順磁性氧化鐵顆粒(SPIO)、粒徑＜30 nm的微型超順磁性氧化鐵納米粒子(SPIONs)和一個直徑為數(shù)個nm的單晶氧化鐵顆粒(MION)等[5]。SPIO是網狀內皮系統(tǒng)特異性造影劑，有利于提高富含網狀內皮的組織和器官疾病與正常組織MRI的對比；SPIONs可以逃避網狀內皮系統(tǒng)的吞噬，延長血液半衰期，主要進人淋巴結組織及骨髓組織中而實現(xiàn)特定分子、細胞顯像[6-7]。SPIONs具有高效、易修飾及安全無毒等特性，可以用作MRI造影劑，并且可用于檢測各種疾病和腫瘤[8]。目前SPIONs作為MRI造影劑應用于臨床的有Ferumoxtran-10(葡聚糖包裹)，VSOP(檸檬酸包裹)，F(xiàn)eruglose(聚乙二醇修飾、淀粉包裹)，SHU555C(羧基葡聚糖包裹)[9-10]。還有許多不同的器官靶向成像的造影劑[11-13]。另外，SPIO還用于評估枯否氏細胞的功能，并且在肝硬化時有助于早期發(fā)現(xiàn)肝癌結節(jié)，有利于臨床治療[14]。

2 研究現(xiàn)狀與應用

目前國內外納米探針技術的研究更加趨向于靶向納米探針的研究及臨床使用，以促進分子影像學的發(fā)展，利于各種疾病的早期診斷、治療及治療效果的監(jiān)測和評價。

2.1 臨床大量應用的釓螯合物(Gd-DTPA等)

釓貝葡胺注射液和釓塞酸二鈉存在一些缺點：如體內代謝快、分布無特異性、不易修飾及無明顯的靶向性等，在某些疾病中不能滿足臨床診斷要求，限制其在磁共振分子成像中的應用。由于Gd3+具有7個未成對的電子，是最佳的順磁性物質，因此近年來也有研究含釓復合物的納米成像探針[15]：袁慶海課題組合成納米MRI對比劑Gd(OH)3，并進行具體細致的刻畫和描述，并對其屬性進行了詳細評價，實驗證實其有很好的組織相容性，體外MRI研究證實其有較高的弛豫率[16]。Prantner等合成了能穿透細胞胞漿和細胞膜的細胞內MR對比劑：Gd-DOTA-D-Tat肽，可以被人Jurkat白細胞攝取，增強T1的弛豫時間，在T1加權圖像上明顯增強肝、腎及腸系膜的信號。Hillerd等利用磷脂結合蛋白Ⅴ修飾GD3+，借助MR分子顯像研究活體細胞的凋亡過程[10]。

2.2 單晶體氧化鐵顆粒(MION)

MION的核心是單晶氧化鐵，最大直徑為5 nm，外層是厚度為數(shù)個nm的右旋糖改性包裹修飾，MION顆粒與某些蛋白的直徑(相對分子質量大約775，000)是相似的[17]。MION具有良好的生物相容性，容易跨膜轉運、合成及純化，再加上其相對成熟的技術及其對核磁共振成像弛豫影響已被研究的非常清楚等優(yōu)勢，MION已被廣泛應用于MR分子成像[18]。

近年來，SPIONs愈來愈受到磁共振分子影像學領域的關注。李康安等[19]用氨基硅烷Fe3O4(SPIO)納米探針標記人肺腺癌細胞移植的裸鼠模型試驗，結果顯示其標記的模型有高度的穩(wěn)定性和可靠性[20-21]；Weissleder課題組采用CombidexR，成功實現(xiàn)直徑＜2 mm的淋巴結轉移成像；Weissleder等[22]采用全轉鐵蛋白連接MION實現(xiàn)對轉基因表達的無損活體檢測；Zhao等[23]利用C2domain標記修飾SPIO，檢測到早期腫瘤內部的細胞凋亡過程[24]。

Weissleder研究小組制備了對粥樣硬化病變有顯著針對性的SPIONs納米探針[25]。Winkler課題組制成葉酸修飾的SPIONs探針，實驗結果顯示葉酸-SPIONs納米探針被腫瘤明顯攝取，從而提高MRI對腫瘤的檢出率和確診率，目前已經應用于乳腺癌、惡性黑色素瘤及鱗狀細胞癌的診斷[26-27]。

楊祥良課題組通過改進的乳鐵蛋白連接SPIONs制備了超順磁性氧化鐵納米探針(Lf-SPIONs)，該研究結果表明Lf-SPIONs對大鼠腦膠質瘤有明確的靶向性并被其明顯攝取而顯像且超過48 h，該探針很好的解決了腫瘤組織術前準確定位的問題；此外其具有靶向診斷腦膠質瘤的特性及良好的生物安全性，因此有著廣闊的臨床應用前景[28]。

但是MR單模式成像技術有其局限性，PET/MRI雙模式成像可以互補，因此PET/MRI雙模式成像技術及藥物設計、合成已成為趨勢，曾有文獻報道SPIONs由于低毒性和良好的安全性已被廣泛地應用于磁共振成像[29]。

由于磁性納米探針的靶向性器官聚集特點，磁性納米藥物探針可應用于臨床靶向治療，含有藥物的磁性納米粒子通過施加磁場可以準確地靶向病灶部位，以改善目標藥物濃度，減少對正常組織的損害。同時，可以跟蹤藥物輸送過程中在體內的分布；在交變磁場作用，SPIONs吸收能量以產生熱量，不僅可以起到熱療作用還可以控釋放藥。

3 展望

分子成像技術將復雜基因表達和生物信號傳遞變成直觀的圖像，使人們研究活體內整體微環(huán)境的疾病的發(fā)生、發(fā)展過程成為可能，可以發(fā)現(xiàn)早期異常及疾病的分子病理改變過程，達到真正的早期診斷。同時，可應用分子探針實施疾病的分子水平治療，做到真正的靶點治療。此外，分子影像可以實時監(jiān)測治療效果，在最短的時間內得到治療的反饋信息。

近年來，MR分子成像技術取得了巨大進步，靶向納米探針、微粒在分子成像中的價值越來越突出。利用納米探針作為成像載體，可提高造影劑離子的負荷載量、提高弛豫效果，實現(xiàn)MR分子成像，尤其是利用能主動識別各種疾病的靶向納米探針，可有效實現(xiàn)對疾病的早期診斷。另外，因靶向納米探針主要聚集在病灶部位的相關靶點，所以能提供更接近與臨床病理的信息資料。MRI利用納米探針可以在體內追蹤細胞遷徙，已用來研究腫瘤、炎癥、免疫反應、干細胞的治療和觀察移植細胞的動態(tài)遷徙過程等。

納米探針為分子成像發(fā)展提供了基礎，確定了醫(yī)學成像技術發(fā)展的方向。納米探針克服了傳統(tǒng)成像探針的缺陷，在一定程度上解決了分子探針無法解決的問題。但是MRI納米探針還必須具備磁性、高弛豫效果、生物安全及穩(wěn)定性能、明確的靶向性及成像時間相對較長等方面的獨特的嚴格要求，因此MRI納米探針的臨床之路還將很長。

腫瘤一直是醫(yī)療界難以攻克的難題，將磁性納米探針與可以有效識別腫瘤或表達物質的分子進行偶聯(lián)，從而成功實現(xiàn)對微小腫瘤的早期診斷，再利用磁性納米粒子攜帶化療藥實現(xiàn)腫瘤的靶向治療，已經成為MRI影像診斷和臨床治療有機結合的重要發(fā)展趨勢。隨著MRI技術和納米技術的不斷進步和發(fā)展，MR分子影像在研究疾病的病理機制、基因治療、評價治療效果及監(jiān)測治療過程等方面將有著舉足輕重的地位和作用。

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The research and application of magnetic nano-probes in MR molecular imaging

/ZHANGZhi-guo, YU Jin-fen// China Medical Equipment,2014,11(8):76-79.

Retrospective analysis is used in this paper on the development of molecular imaging and the application of magnetic nano-probes for recent years in order to raise the awareness of the important value of magnetic biological probes in MR molecular imaging area. This paper is based on the broad research of all kinds of domestic and overseas literature regarding nanoprobes research and development and clinical application to offer the summary analysis on current research and development of molecular imaging and magnetic nano-probes and their clinical application. It is found in this article that magnetic nano-probe plays a key role in MR molecular imaging area and it has very broad prospects as well. Research and development of new types of nano-probes especially the development and clinical application of targeted nanoprobes are benefiting early diagnosis and targeted therapy of various diseases which achieves the real-time monitoring and evaluation of it.

Magnetic nano-probes; Molecular imaging; Research status and application

1672-8270(2014)08-0076-04

R445

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.08.026

2014-02-11

①章丘市婦幼保健醫(yī)院影像科 山東 章丘 250200

②章丘市中醫(yī)院MR室 山東 章丘 250200

*通訊作者：yujinfen2000@163.com

張治國，男，(1963- )，本科學歷，副主任醫(yī)師。章丘市婦幼保健醫(yī)院影像科，從事醫(yī)學影像診斷工作。