稀土微粒放射激發(fā)熒光成像技術(shù)研究進(jìn)展

王 瑤,屈亞威 綜述 劉海峰 審校

稀土微粒放射激發(fā)熒光成像技術(shù)研究進(jìn)展

王 瑤,屈亞威 綜述 劉海峰 審校

放射激發(fā)熒光成像;鑭系元素為基礎(chǔ)的放射激發(fā)熒光微粒; 多模式成像;臨床診療

分子影像學(xué)推動著當(dāng)代醫(yī)學(xué)的快速發(fā)展。目前，分子影像技術(shù)包括核醫(yī)學(xué)、超聲、核磁共振、計算機斷層攝影、光學(xué)成像等方面。與傳統(tǒng)的生物發(fā)光顯像及光學(xué)信號較弱的切倫科夫熒光成像(CLI)相比，放射激發(fā)熒光成像(radioluminescent imaging, RLI )表現(xiàn)出較大的成像優(yōu)勢，它具有良好的組織穿透性和較強的熒光信號強度，且利用放射性核素(如18F、99mTc等)可無需外部光激發(fā)，從而實現(xiàn)活體內(nèi)部發(fā)光形式[1,2,9]。除此之外，鑭系稀土元素為基礎(chǔ)的放射激發(fā)熒光成像作為新型成像模式，可在提高原有成像效果的基礎(chǔ)上形成雙模式或多模式成像體系，同時在醫(yī)學(xué)生物靶向及臨床輔助治療等方面也表現(xiàn)出了很好的發(fā)展前景。

1 稀土納米顆粒介導(dǎo)的熒光成像

1.1 X射線放射激發(fā) X射線激發(fā)鑭系稀土元素為基礎(chǔ)的放射激發(fā)熒光成像，是將X射線與熒光成像相結(jié)合。與傳統(tǒng)的熒光成像相比，X射線光束寬度決定著圖像的分辨率大小[3]。利用此性質(zhì)，相繼出現(xiàn)了X射線熒光計算機斷層掃描(XLCT)技術(shù)[4]，錐形束X射線熒光計算機斷層掃描技術(shù)[5]，三維式X射線熒光計算機斷層掃描技術(shù)[6](3-D XLCT) 以及限制角度式X線熒光斷層掃描技術(shù)[7]等，力求增強X射線激發(fā)熒光的成像清晰度，以便推廣應(yīng)用。

在納米顆粒的相關(guān)研究中，Dominik等[8]發(fā)現(xiàn)X射線可激發(fā)上轉(zhuǎn)換稀土納米顆粒NaYF4 :Yb/Er并釋放短波紅外(SWIR)，提出了X射線激發(fā)的短紅外波生物熒光成像理論。這種紅外短波屬第二紅外窗口，1000～2300 nm，其優(yōu)勢在于擁有較高的分辨率及組織穿透性。這一發(fā)現(xiàn)為上轉(zhuǎn)換納米顆粒介導(dǎo)X射線放射激發(fā)熒光成像提供了新的理論研究思路。

1.2 核素放射激發(fā)(radionuclide induced fluorescence imaging, REFI) 有研究發(fā)現(xiàn)，無論18F-FDG產(chǎn)生的高能γ輻射(511 keV)，還是99mTc-MDP產(chǎn)生的低能γ輻射(140 keV)均可激發(fā)(EO)納米顆粒成像[1]，因此，提出稀土納米探針介導(dǎo)的REFI理論。Cao等[9]同樣利用鑭系稀土微粒放射性熒光的特點，將摻雜鋱的納米顆粒 (Gd2O2S∶Tb)被18F-FDG衰變過程中所釋放的γ射線以及切倫科夫輻射激發(fā)。實驗組(18F-FDG+Gd2O2S∶Tb)的放射熒光信號強度較對照組(18F-FDG+NS)提高了3.2倍，實驗組的組織穿透力比對照組提高了2倍，深度可達(dá)15 mm。這種REFI現(xiàn)象不僅可減少圖像背景熒光，增強組織穿透性，還可在減少放射核素劑量的基礎(chǔ)上，探測較小腫瘤病變，提高放射核素藥物利用率。

1.3 多模式成像研究 Hongyu及其團(tuán)隊設(shè)計了一種梭形紡錘狀多功能單分散磁性納米顆粒(γ-Fe2O3@SiO2@Gd2O3∶Eu)[10]，顆粒核芯為赤鐵礦，被草酸溶液侵蝕后與Gd2O3∶Eu外殼形成載藥空間。獨特的“納米眼”結(jié)構(gòu)及磁性發(fā)光性質(zhì)，使得該粒子具有了X線激發(fā)熒光及MRI成像的雙模式成像模式。Conroy等[11]設(shè)計了一種PEG包覆的Ba0.55Y 0.3F2∶Eu 3+納米顆粒，該微粒同樣可被放射性核素(PETCT)和X射線激發(fā)，有效增強了成像效果以及圖像定位的準(zhǔn)確性。多模式成像實際是通過多種成像技術(shù)相結(jié)合來體現(xiàn)高敏度高特異的成像方式。高能射線激發(fā)稀土顆粒的放射熒光成像與現(xiàn)有PETCT、MRI等結(jié)合，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，增強成像效果，為臨床腫瘤影像診斷提供依據(jù)。

2 臨床診療

2.1 腫瘤治療 近年來,多藥物耐藥(multi drug resistance, MDR)成為腫瘤化療藥物治療亟需解決的難題。為了更好地解決，學(xué)者們力圖將鑭系納米顆粒安全有效地應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)中。通過大分子的增強滲透和滯留效應(yīng)(enhanced permeability and retention，EPR)，納米顆?？捎行О邢蚰[瘤組織，實現(xiàn)腫瘤靶向診療[12-14]。

2.1.1 pH調(diào)控 腫瘤組織代謝快，需有氧代謝獲取能量；當(dāng)機體不能及時給予氧供給時，無氧酵解能力增強，促使腫瘤細(xì)胞內(nèi)環(huán)境酸性代謝產(chǎn)物快速蓄積，導(dǎo)致pH呈酸性。Sudheendra等[15]發(fā)現(xiàn)，X射線激發(fā)覆有酸根離子涂層的納米顆粒(NaGdF4:15% Eu3+)后，隨著pH值的改變，熒光強度會隨著發(fā)生變化。可以看出，X射線激發(fā)鑭系納米顆粒產(chǎn)生的熒光會受到周圍環(huán)境酸堿影響。利用這一性質(zhì)，Hongyu等[16]設(shè)計一種嵌入式pH調(diào)節(jié)器，即將甲基紅染料濾紙放在X射線閃爍體(Gd2O2S:Tb/Gd2O2S: Eu)上形成一薄層，并由窄矩形X射線束照射，光纖耦合分光計接受可見光。光譜通過pH試紙的條帶使得樣品呈現(xiàn)出不同的pH值。該團(tuán)隊還通過利用pH值可改變控釋阿霉素釋放這一性質(zhì)，合成一種摻雜有鑭系元素(Eu、Tb)的Gd2O2S納米膠囊[17，18]。此納米膠囊作為阿霉素的轉(zhuǎn)運體，利用X射線(1 mm)激發(fā)稀土納米顆粒(Gd2O2S:Tb，Gd2O2S:Eu)，形成特殊的pH 控釋系統(tǒng)來監(jiān)控pH值改變，控制阿霉素在體內(nèi)的釋放，以達(dá)到靶向檢測藥物攝取能力的目的。

2.1.2 與光敏劑結(jié)合應(yīng)用 光動力治療(photodynamic therapy，PDT)是指光敏劑和分子氧參與下由光照射所產(chǎn)生的光子治療方法。光敏劑在腫瘤組織中大量蓄積，直接殺傷腫瘤細(xì)胞；破壞腫瘤血管，加重細(xì)胞缺血缺氧；促進(jìn)炎性反應(yīng)因子或免疫遞質(zhì)釋放，啟動特異免疫機制，加速腫瘤細(xì)胞的壞死或凋亡。光敏劑分Ⅰ型及Ⅱ型，其中，Ⅰ型以產(chǎn)生氧自由基為主；Ⅱ型以產(chǎn)生單線態(tài)氧為主。由于光動力治療受氧依賴以及組織穿透性弱的限制，未能對深部惡性腫瘤產(chǎn)生理想的殺傷效果[19，20]。為彌補這一劣勢，步文博與其團(tuán)隊[21]將鑭系元素為基礎(chǔ)的納米顆粒LiYF4:Ce與光敏劑ZnO相結(jié)合 形成納米核殼結(jié)構(gòu)，即SCNP@SiO2@ZnO-PEG。在電離輻射過程中，LiYF4:Ce3+閃爍芯體使紫外光進(jìn)行下轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生的光子能夠使半導(dǎo)體納米顆粒ZnO的自由載流子數(shù)增加，電子-空穴對數(shù)增加，從而與水分子以及氧分子相互作用產(chǎn)生了 具有生物毒素的羥自由基(.OH)。這種納米粒子的使用減少了對氧分子的依賴，有利于增強乏氧腫瘤細(xì)胞的殺傷作用。這一方法的提出，不僅可以改善傳統(tǒng)光動力治療中激發(fā)光源活體組織穿透深度低的不足，半導(dǎo)硅的使用還削弱了放療X線對光敏劑的光淬滅作用。Ahmed等[22]將二氧化硅均勻薄層涂覆在LaF3:Tb納米顆粒外與光敏劑玫瑰紅(RB)共價結(jié)合，形成納米顆粒LaF3:Tb@SiO2-NH2@RB。利用X線作為激發(fā)光源激發(fā)納米顆粒，納米顆粒中LaF3:Tb將吸收的能量有效的轉(zhuǎn)移給了光敏劑RB，促進(jìn)1O2的產(chǎn)生，有效殺死深層的腫瘤細(xì)胞。

2.1.3 與生物活性因子結(jié)合應(yīng)用 步文博與其團(tuán)隊還設(shè)計一種X射線控釋NO的稀土納米粒子診療劑(PEG-USMSs-SNO)[21]，即上轉(zhuǎn)換納米顆粒NaYF4:Yb/Er外包裹介孔氧化硅復(fù)合結(jié)構(gòu)，在介孔孔道中嫁接硫醇(R-SNO)。通過對X射線信號改變來調(diào)控NO在乏氧腫瘤細(xì)胞中的釋放，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞壞死。

2.2 感染監(jiān)控 隨著醫(yī)療水平的提高，越來越多的患者接受醫(yī)療器械(如起搏器，假關(guān)節(jié)等)的人體植入手術(shù)。但這種植入人體的醫(yī)療器械極易容易引起細(xì)菌感染。Fenglin等[22]利用X射線激發(fā)化學(xué)成像技術(shù)，并依據(jù)細(xì)菌新陳代謝(如糖酵解)可引起組織酸代謝特性，設(shè)計一種覆含有酸堿指示劑硅層溴酚藍(lán)及磷粉的納米顆粒(Gd2O2S:Eu)，可根據(jù)pH值來改變熒光光譜，從而在某一程度上可實現(xiàn)對抗生素治療醫(yī)源性細(xì)菌感染效果進(jìn)行監(jiān)測評估。遺憾的是這項研究尚處于單純的體外細(xì)菌檢測實驗階段。

綜上所述，高能射線激發(fā)稀土微粒的放射激發(fā)熒光成像，為當(dāng)前醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展注入新的活力，為實現(xiàn)深部腫瘤的輔助診斷及治療提供新的思路和方向。但也面臨著一些問題。對RLNP而言，微粒雖在細(xì)胞實驗以及動物實驗中尚未發(fā)現(xiàn)明顯的細(xì)胞毒性作用，但仍不能保證臨床應(yīng)用的安全性。不僅如此，顆粒本身的穩(wěn)定性能以及熒光強度還需要大量實驗研究的摸索及揣摩。除上述因素外，高能射線對人正常組織的輻射傷害能不可小視，為實驗研究提出了巨大的挑戰(zhàn)。

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(2016-11-22收稿 2017-02-16修回)

(責(zé)任編輯 郭 青)

醫(yī)學(xué)期刊常用字詞正誤對照表

王 瑤，碩士。

100039 北京,武警總醫(yī)院消化內(nèi)科

劉海峰，E-mail：haifengliu333@163.com

R817.8