介孔硅納米粒超聲影像及治療研究進(jìn)展

莫新海 綜述，張 波 審校

(同濟(jì)大學(xué)附屬東方醫(yī)院醫(yī)學(xué)超聲科，上海 200120)

介孔硅納米粒超聲影像及治療研究進(jìn)展

莫新海 綜述，張 波*審校

(同濟(jì)大學(xué)附屬東方醫(yī)院醫(yī)學(xué)超聲科，上海 200120)

介孔硅納米粒熱/化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，比表面積大，表面易于修飾，可改善其性能并賦予新的功能。且介孔硅納米粒的粒徑、形貌、結(jié)構(gòu)等可控，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注。本文對(duì)介孔硅納米粒在超聲影像和超聲治療方面的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

介孔硅；超聲檢查；超聲治療

超聲檢查具有便捷、低價(jià)、無(wú)電離輻射、非侵入性實(shí)時(shí)及快速成像等優(yōu)勢(shì)。超聲造影劑可提高超聲圖像信噪比和對(duì)比度，增強(qiáng)高強(qiáng)度聚焦超聲(high intensity focused ultrasound， HIFU)的熱效應(yīng)、空化效應(yīng)及療效。目前臨床常用脂質(zhì)和蛋白質(zhì)作為制備超聲造影劑的材料，但上述有機(jī)材料熱/化學(xué)穩(wěn)定性差、抗壓強(qiáng)度低且易破裂，導(dǎo)致血循環(huán)半衰期短。與有機(jī)材料相比，無(wú)機(jī)材料介孔硅因耐腐蝕、熱/化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)、比表面積大且適合載藥的特點(diǎn)而備受關(guān)注[1]；介孔硅納米粒可降解為單體硅酸和聚合硅酸等無(wú)毒產(chǎn)物[2]，并已通過(guò)美國(guó)食品和藥品管理局(Food and Drug Administration， FDA)的安全認(rèn)證[1]。介孔硅納米粒表面有豐富的羥基，易于進(jìn)行修飾，修飾后可改善納米粒血液相容性、延長(zhǎng)血池循環(huán)時(shí)間[3]，也可賦予納米粒多模態(tài)成像[4]、靶向分子造影[5]、控制性釋藥[6-7]等新功能。且介孔硅納米粒的粒徑大小、形狀外貌及孔道結(jié)構(gòu)具有良好的可調(diào)控性。本文對(duì)介孔硅納米粒在超聲影像及超聲治療領(lǐng)域的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 介孔硅納米粒的基本特征及制備

根據(jù)國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(huì)的定義[8]，孔徑<2 nm的孔稱為微孔，孔徑>50 nm的孔稱為大孔，孔徑在2～50 nm之間則稱為介孔。介孔材料指含有介孔的材料，相比于其他孔徑的材料，介孔材料具有較大的比表面積和孔體積?，F(xiàn)將介孔硅納米粒制備方法介紹如下。

圖1 化學(xué)刻蝕法制備具有中空介孔結(jié)構(gòu)的納米硅粒[10-11] A.中空介孔硅納米粒透射電鏡圖； B.中空介孔硅納米粒掃描電鏡圖； C.刻蝕過(guò)程中調(diào)整中空介孔硅納米?？讖降氖疽鈭D

1.1 軟模板法 軟模板法是以表面活性劑為模板合成介孔材料的方法。表面活性劑是兩親性分子，在水溶液中，親水基朝外，傾向于接觸水；疏水基朝里，傾向于離開(kāi)水；自行組裝成穩(wěn)定的超分子結(jié)構(gòu)——膠束。不同性質(zhì)的表面活性劑可形成不同形狀的膠束；以膠束為模板，通過(guò)靜電、氫鍵及配位鍵等與無(wú)機(jī)硅相互作用，引導(dǎo)前驅(qū)體間進(jìn)行縮合反應(yīng)[8]。而后選擇合適的方法脫去模板，即可獲得相應(yīng)形貌的介孔結(jié)構(gòu)。

1.2 硬模板法 硬模板法采用硬模板材料(如聚苯乙烯球)作為空間填充物，前驅(qū)體在模板表面沉積和縮聚，不同形狀的模板可形成不同形貌的模板/前驅(qū)體核殼結(jié)構(gòu)，去除模板后即可獲得相應(yīng)形貌的介孔結(jié)構(gòu)[9]。

1.3 化學(xué)刻蝕法 通過(guò)酸、堿溶液溶解或破壞Si—O—Si鍵，對(duì)納米硅粒進(jìn)行刻蝕，制備具有中空介孔結(jié)構(gòu)的納米硅粒(圖1)，即為化學(xué)刻蝕法[10-11]。采用St?ber法制備實(shí)心納米硅粒，即“核”，并以其為模板，以十八烷基三氯硅烷為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，與正硅酸乙酯在模板表面沉積和縮聚，形成具有介孔結(jié)構(gòu)的硅殼層，即“殼”。去除“核”，留下“殼”后，即可構(gòu)建具有中空結(jié)構(gòu)的介孔硅納米粒[12]。

2 介孔硅納米粒的功能化修飾

三烷氧基有機(jī)硅烷是介孔硅材料修飾的常用原料，其通式為(R'O)3SiR，其中，R代表有機(jī)官能團(tuán)，R'O代表烷氧基團(tuán)[8]。修飾介孔硅納米粒常用的方法為嫁接法和共縮聚法(圖2)。嫁接法是將(R'O)3SiR與活化后的介孔硅納米粒羥基反應(yīng)，將官能團(tuán)連接在介孔硅納米粒。共縮聚法是在模板劑存在的條件下，直接向反應(yīng)體系中加入四烷氧基硅烷[Si(R'O)4]和(R'O)3SiR，兩者發(fā)生水解、縮聚反應(yīng)，將有機(jī)官能團(tuán)引入介孔硅納米粒[8,11]。

將有機(jī)硅烷的官能團(tuán)引入介孔硅納米粒是為了進(jìn)行后續(xù)的功能化修飾。如將3-氨丙基三乙氧基硅烷的氨基引入納米粒子中，以碳二亞胺法將納米粒子的氨基與抗體的羧基進(jìn)行縮合反應(yīng)，使納米粒子獲得靶向性[5]。又如將(3-巰基丙基)三甲氧基硅烷的巰基引入納米粒子中，再與納米金(Au)結(jié)合，可使納米粒子獲得CT和熱成像功能[4]；此時(shí)如再加入巰基化的PEG(mPEG-SH)，mPEG-SH與Au結(jié)合，即可對(duì)納米粒子進(jìn)行PEG修飾，修飾后的納米粒子可抑制血漿蛋白的吸附和網(wǎng)狀內(nèi)皮組織的識(shí)別，可有效延長(zhǎng)血循環(huán)時(shí)間[13]。

3 介孔硅納米粒在超聲顯像中的應(yīng)用

目前，臨床常用的微泡造影劑多不穩(wěn)定、易破裂且粒徑大，難以從循環(huán)血池中通過(guò)血管內(nèi)皮屏障滲出而聚集在腫瘤部位[5]。為構(gòu)建穩(wěn)定性強(qiáng)、單分散性的納米級(jí)造影劑，Yildirim等[14]制備疏水性介孔硅納米粒(mesoporous silica nanoparticles with hydrophobic surface functionalization， hMSN)后，采用兩親性聚合物F127包裹hMSN，構(gòu)建平均粒徑約100 nm的造影劑P-hMSN；并發(fā)現(xiàn)在HIFU作用下，P-hMSN內(nèi)氣體產(chǎn)生空化效應(yīng)，可增強(qiáng)超聲散射，從而實(shí)現(xiàn)超聲造影；此外，該實(shí)驗(yàn)還證實(shí)在無(wú)HIFU輻照時(shí)，P-hMSN不會(huì)產(chǎn)生背景信號(hào)。盡管P-hMSN會(huì)產(chǎn)生溶血效應(yīng)，但可忽略不計(jì)；同時(shí)，P-hMSN性質(zhì)穩(wěn)定，易于儲(chǔ)藏。雖然P-hMSN具有諸多優(yōu)勢(shì)，但需高機(jī)械指數(shù)(mechanical index， MI)的HIFU激發(fā)，該MI值(MI=9.4)遠(yuǎn)超過(guò)FDA規(guī)定的診斷應(yīng)用推薦值(MI≤1.9)[15]。Jin等[15]采用軟模板法合成介孔硅納米粒，再以全氟十七烷三甲基氧硅烷對(duì)納米粒進(jìn)行修飾，構(gòu)建疏水性納米粒子(perfluorodecyltriethoxysilane-modified mesoporous silica nanoparticles， F-MSN)，并發(fā)現(xiàn)F-MSN可在MI=0.6、頻率7.5 MHz超聲波激發(fā)下產(chǎn)生氣泡，增強(qiáng)超聲散射，實(shí)現(xiàn)超聲造影；且當(dāng)MI=1.0時(shí)，超聲造影時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)至少30 min。

圖2 采用嫁接法和共縮聚法修飾介孔硅納米粒[8] A.介孔硅合成后功能化修飾，采用嫁接法將有機(jī)硅烷連接于介孔硅上； B.介孔硅合成時(shí)直接功能化修飾，采用共縮聚法對(duì)介孔硅進(jìn)行有機(jī)化修飾 圖3 介孔硅納米粒釋藥系統(tǒng)與磁響應(yīng)系統(tǒng)工作機(jī)制[6,22] A.介孔硅納米粒雙重響應(yīng)釋藥系統(tǒng)反應(yīng)過(guò)程示意圖； B.載PFH磁性介孔硅納米粒合成過(guò)程及在交變磁場(chǎng)中響應(yīng)過(guò)程示意圖

靶向超聲造影劑是將配體分子連接在造影劑上，利用配體特異性結(jié)合表達(dá)相應(yīng)受體的細(xì)胞或組織，增強(qiáng)超聲造影的特異性。Milgroom等[5]采用10%鹽酸活化介孔硅納米粒羥基，通過(guò)嫁接法將3-氨丙基三乙氧基硅烷與納米粒相連接，從而引入氨基官能團(tuán)，獲得氨基納米粒，再以碳二亞胺法連接赫賽汀，獲得靶向納米粒MSN-Herceptin。MSN-Herceptin可選擇性地黏附于高表達(dá)HER2+的乳腺癌細(xì)胞，且平均像素密度高，可獲得高質(zhì)量的超聲圖像。

干細(xì)胞移植作為再生醫(yī)學(xué)的一種治療手段，具有廣闊的應(yīng)用前景。但能否將干細(xì)胞準(zhǔn)確移植到病變部位，是影響干細(xì)胞治療效果的主要因素之一。實(shí)時(shí)超聲影像可作為引導(dǎo)干細(xì)胞治療的備選方式。Chen等[16]通過(guò)軟模板法合成了凹形結(jié)構(gòu)的介孔硅納米粒，可提供更有效的背散射界面，增強(qiáng)超聲信號(hào)，實(shí)現(xiàn)干細(xì)胞超聲示蹤。干細(xì)胞移植區(qū)發(fā)生缺血及炎性反應(yīng)[17]，可導(dǎo)致干細(xì)胞死亡，影響治療效果。為提高干細(xì)胞的生存率，Kempen等[18]制備載Gd和IGF的介孔硅納米粒，發(fā)現(xiàn)攝取這種納米粒的干細(xì)胞可用于超聲、MRI引導(dǎo)下干細(xì)胞定向移植，且載IGF介孔硅納米粒可顯著提高干細(xì)胞存活率。

4 介孔硅納米粒在超聲治療中的應(yīng)用

目前癌癥仍是人類死亡的首要原因。臨床對(duì)腫瘤擴(kuò)散和轉(zhuǎn)移患者多選擇化療作為治療手段，但化療藥物可通過(guò)循環(huán)系統(tǒng)在體內(nèi)廣泛分布，且多數(shù)化療藥物無(wú)特異性，在殺傷腫瘤細(xì)胞的同時(shí)也影響正常細(xì)胞的分裂和生長(zhǎng)，引起多種不良反應(yīng)。超聲波產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)可激發(fā)納米藥物載體釋藥[19]，從而實(shí)現(xiàn)藥物定向釋放，使有效避免化療藥物誤傷正常組織成為可能，同時(shí)可協(xié)同熱療和化療作用。何敏瑜等[20]將空心介孔硅納米粒與DNA1鏈接后，裝載阿霉素，再加入DNA2；DNA1與DNA2堿基互補(bǔ)配對(duì)，因DNA2富含鳥(niǎo)嘌呤，可形成G-四鏈體結(jié)構(gòu)，將藥物封裝在介孔通道；HIFU輻照后，溫度達(dá)到雙螺旋DNA解鏈溫度，G-四鏈體結(jié)構(gòu)松解，實(shí)現(xiàn)孔道內(nèi)的藥物釋放。Paris等[6]在介孔硅納米粒表面嫁接聚合物poly(MEO2MA-co-THPMA)，見(jiàn)圖3A；在4℃時(shí)，聚合物呈卷曲構(gòu)象，介孔通道打開(kāi)，裝載藥物；在37℃時(shí)，聚合物呈折疊構(gòu)象，介孔通道關(guān)閉，可運(yùn)輸藥物；在超聲輻照下，聚合物的構(gòu)象再次改變，重新打開(kāi)介孔通道，實(shí)現(xiàn)藥物釋放；此外，即使這種載藥納米粒被細(xì)胞吞噬進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，仍可對(duì)超聲輻照做出響應(yīng)而釋放藥物。Dabbagh等[7]將聚丙烯酰胺(polyacrylamide， PAA)包覆介孔硅納米粒外，構(gòu)建熱敏藥物載體(polyacrylamide-mesoporous silica core-shell nanostructure， PMSN)。PAA的起始凝膠溫度高于人體生理溫度，因而在人體生理溫度下，藥物釋放效率低，從而保護(hù)正常組織免受藥物不良反應(yīng)影響。在聚焦超聲熱消融溫度下，藥物釋放效率及速率顯著增加，提示PMSN有望成為協(xié)同熱療和化療的備選方案。

5 介孔硅納米粒超聲影像與治療一體化應(yīng)用

盡管介孔硅納米?？勺鳛槌曉煊皠⒓?xì)胞示蹤劑、熱敏釋藥載體等，但能否實(shí)現(xiàn)介孔硅納米粒集合超聲造影與治療于一體成為研究熱點(diǎn)。Wang等[21]將Au覆蓋在介孔硅納米粒表面，再依次裝載模型藥物和全氟己烷(perfluorohexane， PFH)后，用PEG修飾介孔硅納米粒，構(gòu)建納米膠囊。利用Au的熱學(xué)性能、PFH相變特性，納米膠囊實(shí)現(xiàn)了整合超聲造影、釋藥、HIFU消融治療于一體。由于超聲波無(wú)法穿透骨骼，且易受氣體干擾，為了彌補(bǔ)超聲影像的不足，Li等[4]通過(guò)構(gòu)建巰基介孔硅納米粒，再將Au通過(guò)巰基與納米粒連接后裝載PFH，最后mPEG-SH通過(guò)Au與納米粒連接，合成納米粒子HAPP，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，HAPP具有良好的超聲成像性能。因Au是高原子序數(shù)元素，可吸收X射線，并且Au能吸收近紅外光譜，實(shí)驗(yàn)結(jié)果亦表明，HAPP具有良好的CT和熱成像性能及良好的光熱治療效果。Teng等[22]為彌補(bǔ)骨骼及氣體阻礙超聲治療的局限性，構(gòu)建了載PFH及超順磁性Fe3O4介孔硅納米粒(PFH-encapsulated magnetic mesoporous particles with a hollow space， MDs)，MDs在交變磁場(chǎng)的作用下，可將電磁能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，觸發(fā)PFH相變；同時(shí)，MDs產(chǎn)生的熱能可用于腫瘤熱消融治療(圖3B)；結(jié)果表明，在交變磁場(chǎng)作用2 min后，MDs溫度高達(dá)77℃，PFH發(fā)生相變，顯著增強(qiáng)超聲成像信號(hào)；動(dòng)物實(shí)驗(yàn)顯示，MDs產(chǎn)生的熱效應(yīng)，可致腫瘤細(xì)胞死亡、腫瘤體積顯著縮小。

6 介孔硅納米粒超聲影像及治療存在的問(wèn)題及展望

超聲影像相對(duì)于其他影像技術(shù)，具有價(jià)格低、實(shí)時(shí)成像、移動(dòng)便捷等優(yōu)勢(shì)。造影劑可提高超聲圖像的對(duì)比度和HIFU治療的效果。介孔硅納米粒以其獨(dú)特的形貌結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性，在超聲成像及治療領(lǐng)域均具有優(yōu)勢(shì)。但超聲成像原理決定了超聲不能用于全身成像，因此介孔硅納米粒協(xié)同超聲、CT、MRI等多模態(tài)成像有望成為未來(lái)的研究熱點(diǎn)。在治療領(lǐng)域，介孔硅納米粒可作為載藥系統(tǒng)，得益于其中空介孔結(jié)構(gòu)，但仍有一些急需解決的問(wèn)題。進(jìn)一步提高介孔硅納米粒藥物包封率，載藥系統(tǒng)穩(wěn)定性、靶向性及釋藥響應(yīng)性等均可影響介孔硅納米粒的治療效果。相信隨著對(duì)介孔硅納米粒研究的深入，介孔硅納米粒的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)一步擴(kuò)展。

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書訊

由南昌大學(xué)第一附屬醫(yī)院龔洪翰教授主編，徐克、馮曉源、郭啟勇三位教授任主審、戴建平教授作序的《縣級(jí)醫(yī)院影像科醫(yī)生手冊(cè)》已由人民衛(wèi)生出版社出版并在全國(guó)發(fā)行。這本手冊(cè)是人民衛(wèi)生出版社組織編寫的《全國(guó)縣級(jí)醫(yī)院系列實(shí)用手冊(cè)》大型系列叢書之一，本書的編者除港澳臺(tái)地區(qū)外，覆蓋全國(guó)32個(gè)省市，讀者對(duì)象主要為縣級(jí)醫(yī)院影像科醫(yī)生，以常見(jiàn)病和多發(fā)病為主，突出基本理論、基本知識(shí)和基本技能；全書采用導(dǎo)圖、流程圖、示意圖及表格式、條目式編寫，且以病變的影像征象入手去分析病灶，鑒別病變，著重傳授看片的技巧和征象分析的思路，因此適用于各個(gè)層次的影像科醫(yī)生。本手冊(cè)為口袋書，但其內(nèi)容全面，涵蓋了本專業(yè)的各個(gè)系統(tǒng)，構(gòu)思新穎、內(nèi)容豐富,指導(dǎo)性和實(shí)用性強(qiáng)。同時(shí)，手冊(cè)收集了一些與影像診斷相關(guān)常用的解剖數(shù)值及臨床檢驗(yàn)的生化指標(biāo)、常見(jiàn)的影像學(xué)“病征”和診斷用計(jì)算“公式”。因此，既可作為日常工作的手頭書，又可作為平時(shí)學(xué)習(xí)的參考書。

《縣級(jí)醫(yī)院影像科醫(yī)師手冊(cè)》為32開(kāi)簡(jiǎn)裝本，全書約60余萬(wàn)字。定價(jià)58元，全國(guó)新華書店均有銷售，也歡迎來(lái)函來(lái)電向購(gòu)買。聯(lián)系人：徐珍珍；地址：南昌市永外正街17號(hào)，南昌大學(xué)第一附屬醫(yī)院；郵編：330006；聯(lián)系電話：0791-88693825或88692582，傳真：0791-88623153。郵箱：1059245012@qq.com。

Researchprogressesofmesoporoussilicananoparticlesforultrasonicimagingandtherapy

MOXinhai,ZHANGBo*
(DepartmentofMedicalUltrasound,ShanghaiEastHospital,TongjiUniversitySchoolofMedicine,Shanghai200120,China)

Mesoporous silica nanoparticles have high thermal/chemical stability and high surface-to-volume ratio. The mesoporous silica nanoparticles can improve performance and add new function by surface modification. Therefore, mesoporous silica nanoparticles have attracted an extensive attention in medicine because their diameter, shape and construction are easily controlled. The research progresses of mesoporous silica nanoparticles for ultrasound imaging and ultrasound guided therapy were reviewed in this article.

Mesoporous silica; Ultrasonography; Ultrasonic therapy

10.13929/j.1003-3289.201704073

R445.1

A

1003-3289(2017)10-1470-05

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(81571693)。

莫新海(1989—)，男，廣東英德人，在讀碩士，醫(yī)師。研究方向：超聲診斷及治療。E-mail: alpha0919@126.com

張波，同濟(jì)大學(xué)附屬東方醫(yī)院醫(yī)學(xué)超聲科，200120。E-mail: zhangbodongfang@qq.com

2017-04-14

2017-07-11