腫瘤微環(huán)境響應(yīng)性MRI納米探針研究進(jìn)展

李 悅 童 彤

MRI是一種常用的腫瘤診斷成像技術(shù)，具有高組織分辨率、高空間分辨率、無輻射、無穿透深度限制等優(yōu)勢(shì)，然而其靈敏度欠佳。臨床應(yīng)用中通常使用含釓對(duì)比劑（gadolinium-based contrastagents，GBCAs）進(jìn)行增強(qiáng)掃描以提高腫瘤組織與正常組織間的對(duì)比度，但其存在導(dǎo)致腎源性系統(tǒng)性纖維化及反復(fù)使用致釓在腦組織內(nèi)沉積的風(fēng)險(xiǎn)［1-3］。常見的磁共振納米探針多以鐵、錳等金屬化合物為核心，鑭系螯合物等因化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移技術(shù)而具備了設(shè)計(jì)新型磁共振探針的潛力。部分研究也正在探究應(yīng)用金屬-有機(jī)框架、沸石等新型材料作為磁共振探針的潛在可能性。與GBCAs相比，響應(yīng)性磁共振納米探針不僅具有獨(dú)特的理化特征、良好的生物相容性及提供功能化平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，還可在特定刺激下智能開/關(guān)以達(dá)到原位成像、提高靈敏度及獲得實(shí)時(shí)功能信息的目的。

腫瘤微環(huán)境（tumormicroenvironment，TME）被認(rèn)為與腫瘤增殖、血管生成、侵襲、遷移、耐藥性等密切相關(guān)［4-8］。TME與腫瘤細(xì)胞間存在著復(fù)雜的相互作用機(jī)制，對(duì)其進(jìn)行無創(chuàng)成像可促進(jìn)腫瘤機(jī)制的基礎(chǔ)研究及改善臨床治療效果。目前腫瘤微環(huán)境響應(yīng)性磁共振納米探針主要包括pH響應(yīng)、酶響應(yīng)、氧化還原響應(yīng)等，本文對(duì)常見類型響應(yīng)性磁共振納米探針在腫瘤診治領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀進(jìn)行闡述。

腫瘤微環(huán)境

腫瘤微環(huán)境指腫瘤細(xì)胞所處的內(nèi)環(huán)境，包括間質(zhì)細(xì)胞、微血管、細(xì)胞外基質(zhì)、大量的分泌因子等。與正常組織相比，腫瘤微環(huán)境具有異常的生理生化特征，如胞外pH值呈酸性、缺氧、過量谷胱甘肽等。其生理特征、腫瘤細(xì)胞與間質(zhì)細(xì)胞的相互作用、細(xì)胞外基質(zhì)等影響腫瘤的發(fā)生發(fā)展，包括增殖、血管生成、侵襲、遷移、耐藥性等［4-8］。

取決于細(xì)胞外間質(zhì)的不同，分子表型相似的腫瘤可能具有不同的預(yù)后。例如，腫瘤微環(huán)境被認(rèn)為在肺癌的進(jìn)展中具有關(guān)鍵性作用［9］，腫瘤重塑的肺微環(huán)境通過促進(jìn)炎癥、血管生成、免疫調(diào)節(jié)和治療反應(yīng)來促進(jìn)原發(fā)肺腫瘤和肺外腫瘤肺轉(zhuǎn)移。

腫瘤血管發(fā)育不良導(dǎo)致的異常灌注、結(jié)構(gòu)異常使細(xì)胞外pH呈酸性，可誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞極化，促進(jìn)腫瘤的發(fā)生發(fā)展［10-11］。

復(fù)雜的腫瘤微環(huán)境通過分泌因子和細(xì)胞外基質(zhì)能夠調(diào)控細(xì)胞的可塑性，從而介導(dǎo)藥物抗性的產(chǎn)生。癌癥相關(guān)成纖維細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、炎癥、和血管密度/分布都與藥物抗性的產(chǎn)生相關(guān)［12］。

鑒于腫瘤微環(huán)境對(duì)腫瘤的發(fā)生發(fā)展具有重要作用，有助于早期發(fā)現(xiàn)癌灶、指導(dǎo)治療，因此對(duì)腫瘤微環(huán)境的精確無創(chuàng)檢測(cè)十分重要。

微環(huán)境敏感的MRI納米探針

1.p H響應(yīng)

實(shí)體腫瘤的pH值因腫瘤生長(zhǎng)代謝旺盛所致的乏氧、乳酸堆積和灌注不良而呈酸性，腫瘤酸性微環(huán)境可驅(qū)動(dòng)腫瘤生長(zhǎng)、局部浸潤(rùn)［13］。正常機(jī)體細(xì)胞的胞外pH維持在7.4，而TME的pH則維持在6.5～6.8［14-15］。因此這種差異可作為開發(fā)腫瘤成像、研究腫瘤新陳代謝及治療效果的有價(jià)值靶點(diǎn)。

Ward等提出利用化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移（chemicalexchangesaturationtransfer，CEST）技術(shù) 可用于MRI測(cè)量pH值［16］，但靈敏度仍較低。隨后ParaCEST技術(shù)通過應(yīng)用順磁性鑭系金屬螯合物來提高靈敏度，但其探測(cè)限度仍較高［17］。pH敏感的響應(yīng)性探針在未到達(dá)靶向組織前處于“關(guān)閉狀態(tài)”，可不產(chǎn)生信號(hào)或減少周圍噪聲；在腫瘤酸性微環(huán)境的刺激下，轉(zhuǎn)變?yōu)椤伴_放狀態(tài)”，產(chǎn)生顯著增強(qiáng)的成像信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)高敏感的原位靶向成像。此類磁共振納米探針一般分為兩類：①在酸性環(huán)境下，析出離子（如Mn2+）產(chǎn)生弛豫信號(hào)；②在酸性環(huán)境下，探針的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變或表層修飾溶解產(chǎn)生成像信號(hào)。

錳基和鐵氧化合物是最常用的響應(yīng)性磁共振納米探針核心。Huang等［18］采用水熱共沉淀法，以Mn（NO3）2和Fe（NO3）3為前體，合成了錳鐵層狀雙氫氧化物（MnFe-LDH）。其能響應(yīng)實(shí)體腫瘤的酸性微環(huán)境，釋放順磁性Mn2+、Fe3+離子，使腫瘤區(qū)的T1信號(hào)增強(qiáng)。此外，該層狀結(jié)構(gòu)能以pH控制的方式有效地傳遞化療藥物，從而能夠同時(shí)抑制實(shí)體瘤的生長(zhǎng)。Chen等［19］以鐵錳硅酸鹽［FeMn（Si O4）］空心納米球?yàn)榛w，合成了可在酸性環(huán)境中釋放Mn2+離子的pH響應(yīng)型T1-T2*磁共振雙模造影劑，顯示了良好的磁共振和紅色熒光成像性能。

類似地，Jin等將介孔二氧化硅涂層Co-P納米復(fù)合材料與MnO2納米片功能化，應(yīng)用于T1/T2雙模MRI引導(dǎo)的體外和體內(nèi)化學(xué)光熱聯(lián)合抗癌治療［20］。在腫瘤酸性環(huán)境中，MnO2納米片溶解釋放Mn2+，不僅實(shí)現(xiàn)pH響應(yīng)性的按需釋藥，可作為激活T1/T2雙模MRI的開關(guān)。生成的順磁性Mn2+離子和Co-P納米復(fù)合材料的本征磁性使其具有MRI雙模成像功能，該探針的r1值為9.05 L·mmol-1·s-1，r2’值為253.44 L·mmol-1·s-1，顯著增強(qiáng)MRI弛豫。

Mn2+離子在中性pH條件下仍存在緩慢釋出的情況，因此Fe3+離子對(duì)機(jī)體來說更加安全。Zhang等［21］利用Kramers-Anderson超交換效應(yīng)，引入了一種不飽和Fe3+配位/沒食子酸結(jié)構(gòu)，使該以上轉(zhuǎn)換發(fā)光（UCL）為核心的納米探針只能在腫瘤微環(huán)境中對(duì)微酸性的pH值作出反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了可激活的MRI增強(qiáng)。

Yi等［22］報(bào)道了一種自組裝NaGdF4和CaCO3納米共軛物組成的新型納米MRI造影劑。由于質(zhì)子和晶格之間的相互作用不足，T1源（Gd3+）的空間限制導(dǎo)致磁共振信號(hào)“關(guān)閉”。然而，當(dāng)處于弱酸性腫瘤微環(huán)境中時(shí)，嵌入的碳酸鈣納米顆粒會(huì)產(chǎn)生二氧化碳?xì)馀?，并隨后斷開納米結(jié)合物，從而“開放”磁共振信號(hào)。與商用造影劑Magnevist相比，這些納米結(jié)合物的體內(nèi)對(duì)比增強(qiáng)效應(yīng)超過60倍。

多模成像也是響應(yīng)性MRI納米探針的研究熱點(diǎn)。Liu等［23］報(bào)道了一種多孔金納米簇修飾的氧化錳納米復(fù)合材料，可用于酸性微環(huán)境可激活的MR/光聲/CT腫瘤成像。多孔結(jié)構(gòu)提高了Mn中心對(duì)近端水分子的可達(dá)性，大大增加了T1加權(quán)MRI的對(duì)比度。與傳統(tǒng)的錳基造影劑相比，MnO@Au納米顆粒表面的多孔Au納米團(tuán)簇可以延緩Mn2+離子的釋放，有效增加診斷時(shí)間窗。

2. 氧化還原響應(yīng)

正常組織、細(xì)胞及體液中的氧化還原環(huán)境由大量濃度相對(duì)較高的氧化還原對(duì)維持。其中谷胱甘肽（GSH）是細(xì)胞內(nèi)主要的硫醇-二硫鍵氧化還原緩沖液，谷胱甘肽二硫化物-谷胱甘肽對(duì)（GSSG/2GSH）可作為細(xì)胞內(nèi)氧化還原環(huán)境的指標(biāo)。腫瘤內(nèi)異常表達(dá)的氧化還原性物質(zhì)還包括半胱氨酸、H2S、H2O2等。因腫瘤微環(huán)境中存在顯著過量的谷胱甘肽，大部分研究將GSH作為氧化還原響應(yīng)性探針的觸發(fā)靶點(diǎn)。GSH響應(yīng)性的納米探針主要利用GSH大量存在時(shí)斷裂二硫鍵，從而使探針結(jié)構(gòu)改變或釋出磁性離子以達(dá)到成像目的。Gao等［24］通過原位交聯(lián)反應(yīng)肽序列修飾的Fe3O4納米顆粒，將腫瘤靶向的Arg-Gly-Asp肽和作為“自我標(biāo)記”的自身肽通過二硫鍵連接起來，最外層的自體肽可延遲納米顆粒在血液中的清除，當(dāng)自身肽在腫瘤微環(huán)境中被谷胱甘肽裂解后，可使納米顆粒原位交聯(lián)，極大提高了T2信號(hào)強(qiáng)度；該探針還通過99mTc標(biāo)記實(shí)現(xiàn)了SPECT/MRI雙模成像。

GSH氧化還原MnO2納米片的能力使研究人員能使用MRI檢測(cè)到細(xì)胞內(nèi)的GSH?；诖?，Shi等［25］設(shè)計(jì)了一種MnO2納米片狀-Ru（Ⅱ）配合物納米探針，當(dāng)暴露于GSH時(shí)大量Mn2+釋出同時(shí)被猝滅的磷光恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)了GSH響應(yīng)的雙峰磷光/MRI腫瘤成像。Song等［26］將發(fā)光的β-二酮-Eu3+配合物錨定在層狀MnO2納米片上，構(gòu)建了谷胱甘肽時(shí)間門控發(fā)光/磁共振納米探針BHHBB-Eu3+@MnO2，在GSH作用下，MnO2納米片被快速選擇性地還原為Mn2+離子，導(dǎo)致TGL和MR信號(hào)同時(shí)顯著增強(qiáng)。該納米探針可檢測(cè)寬濃度范圍（1～1 000μmol/L）的谷胱甘肽，可用于TGL/MRI雙模腫瘤成像。

由于GSH存在條件下Mn2+的弛豫率較低，Li等［27］引入釓基造影劑改善靈敏度，設(shè)計(jì)了一種基于GSH作用下T1和T2造影劑距離變化引起的MRI信號(hào)變化的新型可激活MRI納米探針，由于聚乙二醇包覆氧化釓納米粒子和羧基功能化氧化鐵納米粒子相近，導(dǎo)致T1信號(hào)猝滅；而在GSH存在時(shí)，連接這二者的二硫鍵斷裂而使圖像“亮起”。多數(shù)研究探測(cè)GSH時(shí)采用MRI結(jié)構(gòu)成像（T1WI/T2WI），Wang等［28］提出了一種基于距離相關(guān)磁交換耦合效應(yīng)的磁共振能量轉(zhuǎn)移（MRET）策略，通過磁化率加權(quán)成像（SWI）實(shí)現(xiàn)體內(nèi)腫瘤內(nèi)GSH的檢測(cè)。該探針由Fe3O4納米粒子和偶聯(lián)半胱胺的CoFe2O4納米粒子組成，腫瘤中過量的GSH破壞二硫鍵后，兩納米粒子間距離的增加將導(dǎo)致總磁化率降低和SWI信號(hào)的變化，提高了檢測(cè)靈敏度。

部分研究也將H2S作為氧化還原響應(yīng)性探針的靶點(diǎn)。Lin等［29］開發(fā)了一種鞣花酸-鐵-牛血清白蛋白（EA-Fe@BSA）納米粒子，結(jié)腸癌細(xì)胞中豐富的H2S可將該納米粒中Fenton反應(yīng)催化活性較低的Fe（Ⅲ）快速轉(zhuǎn)化為更高效的Fe（Ⅱ），提高化學(xué)光動(dòng)力治療效率，是一種結(jié)合光熱與光動(dòng)力治療的T1加權(quán)磁共振診療探針。

3. 酶響應(yīng)

癌細(xì)胞侵襲和遷移的能力代表著腫瘤的最致命的兩個(gè)表型特征。腫瘤細(xì)胞侵襲和遷移需要細(xì)胞-細(xì)胞間黏附的清除，侵入周圍結(jié)締組織，從血管外滲，最后形成轉(zhuǎn)移灶。腫瘤細(xì)胞分泌的蛋白質(zhì)分解酶有部分在分泌時(shí)沒有活性，只能被細(xì)胞外基質(zhì)的成分或間質(zhì)細(xì)胞激活［30］。因此，非侵襲性地對(duì)酶的降解過程成像可以研究腫瘤的侵襲性、評(píng)估蛋白水解酶抑制劑的治療效果。

基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）在腫瘤的侵襲與遷移中起重要作用。Shi等［31］設(shè)計(jì)了一種血管整合素αvβ3和MMP-2雙靶向的可激活MRI/熒光雙模納米探針，通過cRGD和MMP-2可切割的熒光底物共價(jià)修飾Gd摻雜的CuS膠束納米顆粒，首次實(shí)現(xiàn)了術(shù)中小鼠原位胃腫瘤的準(zhǔn)確檢測(cè)和激光照射引發(fā)的光熱消融。

Guo等［32］通過靜電作用誘導(dǎo)自組裝，構(gòu)建了大小可調(diào)的胰蛋白酶響應(yīng)性近紅外熒光和磁共振雙成像復(fù)合納米顆粒/多肽凝聚納米探針，當(dāng)胰蛋白酶水解修飾Fe3O4納米顆粒的聚-L-賴氨酸時(shí)，近紅外熒光信號(hào)比淬滅狀態(tài)下的自組裝探針強(qiáng)度高18倍，MRI信號(hào)也隨凝聚納米探針的解體而顯著增強(qiáng)。

Zhou等［33］制備了透明質(zhì)酸（HA）包裹的Fe3O4納米顆粒，該納米顆粒具有良好的穿透能力，可以獲得清晰的腫瘤T1WI，而在酸性腫瘤微環(huán)境中，可響應(yīng)透明質(zhì)酸酶，降解探針表面的HA使Fe3O4核心聚集，減弱T1信號(hào)而增強(qiáng)T2信號(hào)，從而可以在腫瘤的不同時(shí)空獲得T1和T2圖像，有助于相關(guān)診斷。

4. 多重響應(yīng)

納米探針經(jīng)過適當(dāng)?shù)墓こ淘O(shè)計(jì)，可對(duì)多種刺激產(chǎn)生反應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更高的特異性，從而達(dá)到更好的功效。Li等［34］通過將超微錳鐵氧體納米粒子（UMFNPs）與腫瘤靶向五肽CREKA（Cys-Arg-Glu-Lys-Ala）結(jié)合，合成了一種超靈敏的T1加權(quán)MR造影劑UMFNP-CREKA。其表現(xiàn)出趨化的“靶向激活”能力，通過CREKA與腫瘤周圍豐富的纖維蛋白-纖維連接蛋白復(fù)合物結(jié)合，然后在病理參數(shù)（弱酸性和H2O2升高）下釋放Mn2+，被招募到腫瘤轉(zhuǎn)移的邊緣。Mn2+的局部釋放及其與蛋白質(zhì)的相互作用影響T1加權(quán)磁共振信號(hào)的顯著放大。該探針可以準(zhǔn)確地檢測(cè)到超小乳腺癌轉(zhuǎn)移（0.39 mm），極大地?cái)U(kuò)展了以往報(bào)道的MRI探針探測(cè)下限。

展 望

在腫瘤發(fā)展和治療過程中，腫瘤微環(huán)境會(huì)隨之改變，因此使用非侵襲性成像方法檢測(cè)腫瘤微環(huán)境非常重要。對(duì)腫瘤微環(huán)境的無創(chuàng)實(shí)時(shí)探測(cè)有助于探究腫瘤細(xì)胞與腫瘤微環(huán)境間復(fù)雜的相互作用機(jī)制，了解腫瘤發(fā)生發(fā)展的過程，將治療過程中腫瘤微環(huán)境的變化與個(gè)體特征相結(jié)合，從而提高癌癥治療水平。目前已有一部分研究證明了腫瘤微環(huán)境響應(yīng)性的MRI納米探針具有潛在的臨床應(yīng)用價(jià)值，但其仍極具挑戰(zhàn)性。例如，目前的多數(shù)納米探針有賴于腫瘤區(qū)域的EPR效應(yīng)實(shí)現(xiàn)聚集，但EPR效應(yīng)的有效性存在爭(zhēng)議［35］。隨著腫瘤微環(huán)境作用機(jī)制及納米顆粒轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制研究的深入、動(dòng)物模型數(shù)據(jù)及臨床轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果的增多，這種可控制的、特異性靶向的響應(yīng)性納米探針將成為腫瘤個(gè)體化治療的重要組成部分。