磁粒子成像的臨床前應(yīng)用研究進展

張德景 李勇 占美曉 忻勇杰 趙煒 陸驪工

MPI是近年來問世的一種全新的活體生物成像技術(shù)，其成像不同于CT、MRI、超聲等傳統(tǒng)解剖成像方式[1]，而是類似于核醫(yī)學(xué)對示蹤劑的檢查，具有高靈敏度，無背景干擾，同時不受掃描組織深度影響及無電離輻射等優(yōu)點，因而能對示蹤劑分布顯示出高的對比度。目前MPI使用的示蹤劑通常為SPIO，不同的SPIO性質(zhì)對MPI圖像的影響較大，也因此催生了優(yōu)化其示蹤劑的研究方向。從誕生至今，MPI已在不同的醫(yī)學(xué)臨床前領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，顯示出了良好的應(yīng)用前景。其應(yīng)用主要集中在細胞示蹤、血管成像和腫瘤成像及治療等臨床前研究。雖然目前MPI應(yīng)用尚停留在動物及體外模型層面而沒有實現(xiàn)臨床應(yīng)用，但近年來MPI臨床轉(zhuǎn)化的研究也已經(jīng)取得了重要進展，受到了廣泛的關(guān)注。本文以此為契機，對近年來MPI在生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用研究進展進行綜述，旨在闡明該技術(shù)的新穎性與研究價值，并展望其在臨床的應(yīng)用轉(zhuǎn)化前景。

一、MPI的歷史

從概念提出至今，MPI歷經(jīng)20余年發(fā)展。2001年，德國漢堡飛利浦實驗室科學(xué)家Gleich首次提出MPI，并由他與同事Weizenecker等人于2005年成功開發(fā)出首臺MPI掃描儀并實現(xiàn)體外驗證[2]；2007年，Conolly與 Goodwill 在斯坦福大學(xué)和加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)了一系列具有替代作用的MPI原型掃描儀；2013年，Bruker Biospin公司發(fā)布了世界上第一臺商業(yè)化的臨床前MPI掃描儀，一年后，第二家將MPI掃描儀商業(yè)化的公司Magnetic Insight Inc成立，并于2016年在紐約舉行的世界分子成像大會上推出其商用型臨床前MPI掃描儀[3]。

二、MPI的基本原理及其示蹤劑

MPI是基于朗之萬順磁定律中非線性磁化曲線的成像原理，即SPIO納米粒子可以被外部磁場磁化，并且在接近零磁場的情況下表現(xiàn)出非線性響應(yīng)[4]。SPIO在到達超順磁飽和之前與外加磁場保持磁對齊，當加入靜態(tài)梯度磁場時（即選擇場），不同位置的磁粒子產(chǎn)生相應(yīng)信號。選擇場在每一空間位置都有相對應(yīng)的場向量，在中心位置的場向量為零，該點稱為無場點（ fi eld-freepoint，F(xiàn)FP），磁場強度為零。當FFP掃描SPIO并給予射頻脈沖信號時，距FFP較遠的粒子達到磁飽和，不會對總磁場的變化產(chǎn)生反應(yīng)，接收線圈不會檢測到信號，但FFP附近區(qū)域內(nèi)的粒子未達到磁飽和，磁性粒子磁化在大小和方向會發(fā)生變化，接收線圈可以檢測到相應(yīng)的信號電壓，與此同時，瞬時檢測器檢測到的電壓信號可以通過FFR軌跡信息直接網(wǎng)格化到三維圖像空間，從而實現(xiàn)磁粒子圖像的直接重建[5]。

MPI所使用的示蹤劑通常為超順磁性氧化鐵（SPIO），不同類型的SPIO納米粒子的性質(zhì)影響著MPI的成像效果，因此開發(fā)出良好成像效果且具有安全性的示蹤劑對MPI的應(yīng)用起到重要作用。在MPI研發(fā)的早期階段，通常使用臨床上常用的SPIO來成像，例如在歐洲及日本，MRI臨床肝造影采用肝臟造影劑鐵羧葡胺（Resovist），或者使用經(jīng)FDA批準用于治療成人慢性腎臟疾?。–KD）患者缺鐵性貧血的鐵替代藥物Ferumoxytol[6]。然而，這些MRI造影劑SPIO的直徑通常較?。ǎ?0 nm）而成像效果不佳，這是因為MPI靈敏度與SPIO的磁矩相關(guān)，磁矩則取決于粒子直徑大小[7-8]。此外，MPI的空間分辨率與梯度場強強度及SPIONs自身磁化曲線有關(guān)，理論上SPIO直徑越大，磁化曲線越陡峭，SPIO的信號越局限，空間分辨率越高，但由于SPIO尺寸過大將會喪失超順磁特性，所以只有合適大小納米粒子才能保證最佳的MPI信號[9]。Ferguson等[8]通過實驗發(fā)現(xiàn)SPIO的粒子直徑在20～25 nm時具有最佳的分辨率/信噪比成像，并且一般直徑小于100 nm的SPIO都可以用于MPI成像。正因為此，很多研究機構(gòu)已經(jīng)在對MPI示蹤劑進行研發(fā)，試圖改進示蹤劑MPI的成像效果及其安全性，部分已經(jīng)取得了重要進展，如Magnetic Insight Inc公司研發(fā)的VivoTrax產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)臨床前商業(yè)應(yīng)用，相信未來會有更多成像效果良好且具有安全性的示蹤劑問世[10]。

三、MPI的臨床前應(yīng)用

MPI因其具有成像靈敏度高、高時間分辨率、無背景干擾、無放射性輻射等優(yōu)點，而在臨床前領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。其應(yīng)用主要集中在細胞示蹤、心血管、腫瘤等領(lǐng)域上。以下將主要介紹近年來在這些主要的臨床前應(yīng)用領(lǐng)域所取得的研究進展。

（一）MPI在細胞示蹤的應(yīng)用

細胞示蹤技術(shù)對于醫(yī)學(xué)具有重要的應(yīng)用，目前常用的細胞示蹤成像方法各有優(yōu)缺點，如光學(xué)成像、MRI、PET及SPECT，但對于細胞示蹤的總體效果并不太理想，表1列出了MPI與傳統(tǒng)成像設(shè)備在細胞成像領(lǐng)域的特點。從中可以看出，MPI相較于其他示蹤技術(shù)具有靈敏度高、掃描時間短、無組織深度限制以及無放射性及電離輻射等特點，因此在細胞示蹤上具有一定的優(yōu)勢，近年來其在許多臨床前細胞示蹤方面也取得了重要進展。例如，干細胞因具有較強的組織再生能力受到了廣泛的研究與應(yīng)用[11-12]，但干細胞治療成功與否取決于干細胞能否在特定區(qū)域分化成為相應(yīng)具有功能的組織或者器官，因此采用一種有效、無放射性輻射以及具有長時間監(jiān)測干細胞分布的成像手段就顯得十分重要，而MPI在這方面就具有良好的應(yīng)用特點，有研究者使用MPI進行了有效跟蹤和量化靜脈注射的大鼠干細胞、大鼠神經(jīng)干細胞和小鼠神經(jīng)干細胞在體內(nèi)的生物分布和生存情況[13]。另外，由于通過靜脈注射的人間充質(zhì)干細胞，有很大一部分分布在靶外器官，如肝臟和肺，在肺部時，傳統(tǒng)MRI成像由于空氣-組織界面造成的偽影而很難有效成像，而MPI則可以解決這種技術(shù)困難，可以有效監(jiān)測干細胞在肺部的分布情況[13]。

除以上外，MPI在胰島細胞、免疫細胞在炎癥及腫瘤微環(huán)境等的細胞示蹤也有一定的應(yīng)用價值，例如，Wang等[14]使用MPI監(jiān)測在小鼠肝和腎包膜下移植的胰島細胞，發(fā)現(xiàn)MPI的信號強度與移植的胰島數(shù)量高度線性相關(guān)的結(jié)果。與此同時，也可以利用MPI來判斷移植到小鼠肝臟或腎包膜下的胰島細胞隨著時間推移的存留及胰島細胞釋放的鐵納米顆粒的分布情況。另外，利用MPI信號的諧波光譜（MPS）可以區(qū)分SPIO在活性細胞內(nèi)或是細胞死亡后釋放到細胞外，并以此評估細胞活性情況[15]。此外，MPI還可以對免疫細胞進行示蹤，從而實現(xiàn)無創(chuàng)可視化免疫細胞的歸巢、植入和炎癥等，還可以用于創(chuàng)傷性腦損傷（traumatic brain injury，TBI）成像評估創(chuàng)傷程度[16]，另外還有希望用于在體腫瘤免疫微環(huán)境的評估，較之MRI，MPI具有更高的靈敏度來量化腫瘤內(nèi)巨噬細胞的水平[17]。從以上MPI對各種細胞的示蹤監(jiān)測來看，MPI能夠在不損傷細胞活性的情況下對相應(yīng)細胞進行有效示蹤，增強細胞示蹤的有效性。

（二）MPI在血管疾病成像的應(yīng)用

目前基于X射線設(shè)備、MRI等是心血管疾病診斷及治療監(jiān)測的主要手段，雖然X射線的設(shè)備能提供良好的時間和空間分辨率，但是其較高的電離輻射以及碘基造影劑潛在的過敏及腎毒性等毒副作用降低了其安全性，MRI具有較高的組織分辨率，但對于含氣器官檢測具有一定的缺陷以及掃描時間長等原因，造成其在心血管領(lǐng)域應(yīng)用的困境，而MPI具有高靈敏度及掃描時間短的特點，在一定程度上可以彌補傳統(tǒng)成像設(shè)備在心血管疾病領(lǐng)域上的不足。在血管疾病診斷上，MPI可以用于對血管的狹窄程度的研究，例如：有研究證明在體外10 mm的血管模型上，MPI可以對狹窄程度在19～99%的血管進行顯示并能顯示出其狹窄程度[19]；還可以通過MPI來觀察血流速度變化來顯示相關(guān)疾病的情況，有研究者通過比較MPI、MRI及DSA對血管瘤模型的成像，發(fā)現(xiàn)MPI對血管瘤的成像效果與MRI及DSA的成像效果相似[20]；此外，余等[21]在APC+小腸腫瘤模型中通過尾靜脈注射具有長循環(huán)時間的示蹤劑，發(fā)現(xiàn)使用MPI可以通過SPIO的局部聚集來精確顯示胃腸道出血的位置和程度。在血管介入成像上，Haegele J等[22]利用血管模型，用SPIO標記導(dǎo)管或?qū)PIO丸注入血管中均可以實現(xiàn)球囊導(dǎo)管的可視化；最近有研究者實現(xiàn)了實時仿真經(jīng)皮腔內(nèi)血管成形術(shù)[23]；另外，利用MPI掃描儀的磁場對磁性介入材料施加磁力來引導(dǎo)介入導(dǎo)管的方向[24]。從以上可以看出MPI無論是對于血管性疾病的診斷或是心血管疾病的介入治療中都能發(fā)揮一定的作用，并且在一定程度上彌補傳統(tǒng)成像設(shè)備的不足。

（三）MPI在腫瘤成像的應(yīng)用

在腫瘤成像中，MPI可以利用成像示蹤劑檢測腫瘤的發(fā)生、評估腫瘤發(fā)展及內(nèi)部微環(huán)境等情況，達到輔助腫瘤診斷及治療的作用。其原理是利用實體瘤內(nèi)微環(huán)境改變所特有的高通透性和滯留效應(yīng)（enhanced permeability and retention effect，EPR Effect）實現(xiàn)納米粒子在腫瘤區(qū)域內(nèi)聚集或者使用具有腫瘤主動靶向作用的納米粒子在腫瘤部位的聚集從而實現(xiàn)腫瘤的檢測[25-26]。例如，Elaine Y等[27]使用商用示蹤劑LS-008對荷瘤小鼠靜脈注射，發(fā)現(xiàn)在注射6 h后可以清晰觀察到示蹤劑在腫瘤部位聚集，而且?guī)缀鯖]有背景干擾。而Arami等[28]利用具有靶向性的乳鐵蛋白功能化的SPIO則實現(xiàn)了MPI對神經(jīng)膠質(zhì)瘤動物移植模型上的成像，相比較于MRI成像，使用MPI成像可以得到更為明顯的高靈敏度/對比度的陽性信號圖像。在腫瘤發(fā)展過程中，腫瘤的轉(zhuǎn)移直接關(guān)系到患者預(yù)后水平，淋巴結(jié)作為腫瘤轉(zhuǎn)移的一種常見方式，及時發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移的淋巴結(jié)將有利于制定合理的腫瘤治療方案，已經(jīng)有研究者在小鼠乳腺癌動物模型上利用MPI實現(xiàn)了對乳腺癌前哨淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移灶與正常淋巴結(jié)的辨別[29]；此外，還可以通過MPI示蹤劑標記紅細胞評估腫瘤微血管程度和血液供應(yīng)情況來幫助腫瘤分期和治療評估[30]。由此看出，MPI作為一種新興的無創(chuàng)、高靈敏度成像方式，在對腫瘤的發(fā)現(xiàn)及評估腫瘤發(fā)展及微環(huán)境上能夠發(fā)揮一定的作用。

表1 不同成像方式在細胞示蹤上的比較[13-18]

（四）MPI在腫瘤治療的應(yīng)用

磁高熱（magnetic hyperthermia，MHT）治療是利用磁性納米顆粒和交變磁場（AMF）在納米顆粒聚集處產(chǎn)生熱量達到腫瘤治療的作用[31]，但是這項技術(shù)本身具有挑戰(zhàn)性，因為納米顆粒在腫瘤區(qū)域聚集的同時，也會在肝臟、脾臟和其他靶外器官積累，如果無選擇性施加AMF，將提高靶外區(qū)域的溫度，引起機體不良反應(yīng)[32]，目前，所采用的傳統(tǒng)磁熱治療方法通常使用全身線圈或局部線圈，使用全身線圈時會對肝臟和正常組織造成損傷，而局部線圈則存在對深層腫瘤不起作用的缺點。MPI磁熱治療（MPI-magnetic fl uid hyperthermia，MPIMFH）可以使SPIO在無場區(qū)（FFR）中發(fā)生旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生熱量，還可以控制FFR位置，通過圖像引導(dǎo)對腫瘤進行局部精準磁熱治療，同時又避免了正常組織的損傷[33]。Tay等通過對同一只小鼠不同部位的腫瘤進行磁熱治療，結(jié)果顯示在不移動小鼠的情況下，僅通過調(diào)整MPI的FFR就能實現(xiàn)在小鼠上的不同腫瘤進行任意控制加熱點，而對其余腫瘤及器官不產(chǎn)生升溫治療作用[34]。同時，因為MPI的信號強度與腫瘤組織溫度升高有顯著相關(guān)性，通過MPI監(jiān)測可以實現(xiàn)納米顆粒溫度的精確控制，達到最佳治療效果[35]。Murase等[36]的研究結(jié)果表明，MPI對預(yù)測磁熱療的療效也有一定的指導(dǎo)作用。在腫瘤治療期間，利用SPIO靜脈注射后MPI成像可以監(jiān)測腫瘤內(nèi)血流變化情況，有助于腫瘤治療的療效評估。Kuboyabu等[37]發(fā)現(xiàn)，MPI結(jié)合血管阻斷劑可用于定量評估腫瘤早期對磁加熱治療的反應(yīng)。相比較于傳統(tǒng)的腫瘤磁熱治療設(shè)備，MPI可以利用自身的成像特性，先對腫瘤進行精確定位再對腫瘤部位進行區(qū)域加熱，在治療腫瘤的同時不引起其他組織溫度的升高，有效避免了傳統(tǒng)磁熱治療的不良反應(yīng)，同時還能監(jiān)測治療后的反應(yīng)情況，相信隨著MPI硬件設(shè)備的改進，MPI將進一步在腫瘤治療中發(fā)揮作用。

除以上的應(yīng)用外，MPI還在肺通氣、肺血管栓塞等疾病檢測上實現(xiàn)了臨床前應(yīng)用[38]。綜上可知MPI在許多疾病上已經(jīng)實現(xiàn)了臨床前應(yīng)用，并且相比較于傳統(tǒng)成像設(shè)備，其在某些方面展現(xiàn)出了一定的應(yīng)用優(yōu)勢。目前，MPI成像設(shè)備及應(yīng)用尚處于初級階段，相信隨著MPI設(shè)備的改進及相關(guān)領(lǐng)域的進步，其應(yīng)用價值有望得到進一步的提高。但是目前MPI的應(yīng)用均局限在動物或體外模型上，與人體應(yīng)用還有著本質(zhì)的差異，因此MPI的臨床轉(zhuǎn)化之路依然困難重重。

四、MPI的臨床轉(zhuǎn)化

臨床應(yīng)用是MPI的最終目的，并且在理論上是可以實現(xiàn)的[39]，雖然目前尚沒有實現(xiàn)MPI在人體上的臨床應(yīng)用，但是已經(jīng)有許多的研究人員正在開發(fā)這方面的設(shè)備，例如，Wald等人正在開發(fā)一種人類應(yīng)用的MPI掃描儀[40]，Magnetic Insight Inc公司也發(fā)起了構(gòu)建臨床使用MPI的倡議。最近，M. Graeser等[41]利用開發(fā)出的人體頭顱大小的MPI設(shè)備，在腦卒中和腦出血的體外模型中成功實現(xiàn)了對相應(yīng)腦血管疾病的發(fā)現(xiàn)及治療監(jiān)測。人用型MPI的出現(xiàn)使MPI的臨床轉(zhuǎn)化向前邁進了一步，也預(yù)示著在不久的將來將會有更多適用于更多部位的人用型MPI出現(xiàn)，雖然MPI的臨床轉(zhuǎn)化還有很長的路要走，但鑒于其良好的臨床前景及設(shè)備的快速改進，相信臨床應(yīng)用型MPI設(shè)備也將會很快出現(xiàn)。

五、總結(jié)與未來展望

MPI的出現(xiàn)為醫(yī)學(xué)生物成像及其他相關(guān)研究開啟了一種新的方式，與傳統(tǒng)成像設(shè)備相比，MPI出現(xiàn)較晚，其應(yīng)用也尚處于初級階段，但得益于其在臨床前領(lǐng)域的良好應(yīng)用，已經(jīng)展現(xiàn)出了重要的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用潛力，相信隨著MPI的進一步改進及其應(yīng)用領(lǐng)域的挖掘，未來其應(yīng)用價值將會得到進一步提高并且有望進入臨床應(yīng)用[21]。目前，MPI正朝著臨床轉(zhuǎn)化的方向快速發(fā)展并取得了一定的進展，雖然要實現(xiàn)臨床應(yīng)用還有很多困難需要克服，如開發(fā)出人體合適規(guī)格的MPI設(shè)備，改進MPI功能，聯(lián)合其他成像設(shè)備以及設(shè)計安全高效的示蹤劑等，但相信不久的未來MPI將會最終實現(xiàn)臨床轉(zhuǎn)化并帶動醫(yī)療技術(shù)的進步。