基于釓的納米對比劑MRI應用進展

蔡雯雯，王靈杰，岳華杰，張瑞平

(山西醫科大學第一醫院影像科，山西 太原 030001)

基于釓的納米對比劑MRI應用進展

蔡雯雯，王靈杰，岳華杰，張瑞平*

(山西醫科大學第一醫院影像科，山西 太原 030001)

目前應用于臨床的MRI對比劑主要是基于釓的小分子配合物，如Gd-dTPA、Gd-dOTA等，但其在弛豫性能和早期診斷中仍存在缺陷。隨著納米技術的發展，分子納米探針不僅具有粒徑小、生物相容性好、增強滲透滯留(EPR)效應及半衰期長等優勢，其弛豫率也要高于目前常用的釓對比劑。本文對以脂質體、樹枝狀大分子、介孔氧化硅、聚合物膠束、碳納米管、納米金及順磁性納米粒子為主的MR分子探針的應用進行綜述。

磁共振成像；釓；對比劑；納米材料；弛豫率

MRI作為一種無創、非侵入性的成像技術，可提供解剖和功能雙重成像信息，同時具有時間和空間分辨率高、無輻射等優勢[1]。臨床上近1/3的MR檢查為增強掃描，且以釓對比劑應用最為廣泛[2]。與X線、CT等傳統成像技術相比，MRI在功能成像方面具有獨特優勢，這使得通過MRI發現病變、示蹤移植細胞及進行分子和細胞水平成像成為可能。MR對比劑一般分兩類，以超順磁性氧化鐵(superparamagnetic iron oxid， SPIO)為代表的陰性對比劑(T2對比劑)和以金屬離子(釓、錳等)螯合物為代表的陽性對比劑(T1對比劑)。在T2WI圖像中，SPIO表現為低信號，體內成像時很難將其與周圍低信號組織或出血相區分[3-4]，且SPIO標記細胞后會產生毒性、影響細胞活性[5-6]。鑭系金屬釓是一類稀土金屬，外層含有7個未成對電子，具有極強的順磁性，能夠明顯縮短T1，在臨床應用廣泛[7]。但游離Gd3+活體使用毒性大，將Gd3+與某些配體結合后形成復合物能夠有效降低毒性。臨床應用較多的是DTPA、DOTA等小分子物質。

釓對比劑有以下特點[8]：①高弛豫率，能夠極大提高疾病的檢出率；②高穩定性，可避免游離釓離子的釋放，從而有效減少不良反應；③特定的生物分布，能夠提高特定疾病檢出率；④具有清除能力，能夠從體內排出，避免殘留產生慢性毒性；⑤低毒性。

納米科學技術在醫學領域的研究與應用廣泛，如納米藥物、藥物載體、組織修復和再生醫學中的納米材料等[9]，其中納米對比劑具有粒徑小，形狀、粒徑、成分和組裝可控，EPR效應及半衰期長，易于修飾等特性。MR納米對比劑主要分為兩種：①將順磁性物質嵌入納米框架結構中，如脂質體、樹枝狀大分子、介孔氧化硅及碳納米管等；②順磁性納米粒子[10]。本文主要對基于Gd3+的納米對比劑在MR成像中的應用和研究進展進行綜述。

1 商業用釓對比劑

目前臨床應用的釓對比劑多為親水性物質，以Gd-dTPA為例，其同細胞膜表面均帶有負電荷，因此很難直接進入細胞內，限制了其在細胞及分子水平的應用。Shuai等[11]利用磷酸鈣、脂質體2000及Effectene作為轉染劑，將Gd-dTPA成功轉染入人臍帶間充質干細胞(human umbilical cord mesenchymal stem cells， hUCMSCs)中，結果表明3種轉染劑均能成功轉染Gd-dTPA，其中Effectene的轉染效率最高；同時發現轉染后的干細胞增殖和分化潛能不受影響。Shen等[4]通過脂質體轉染Gd-dTPA，發現其標記率達90%，且標記信號可持續15天左右。

目前臨床應用的釓對比劑弛豫效能較低[12]，產生良好的對比增強效果則需提高劑量[13]，但毒性較大，且對早期病變診斷的敏感度和特異度較低；此外，對比劑在血液中的循環時間較短(半衰期短)。

2 脂質體

脂質體是一種由脂質雙分子層形成的球形自封閉納米結構，具有親兩性特征，是目前納米載藥系統中的代表[14]。脂質體溶于水后形成雙分子層囊泡結構，可作為載體包裹不同的物質。此外，脂質體的膜與細胞膜類似，適用于生物醫學研究。脂質體還具有靶向性、緩釋性和降低藥物毒性等優勢[15]。

小分子對比劑經靜脈給藥后體內半衰期短，腎功能正常情況下約為1.5 h，會不可避免地從血管中滲出，尤其是受損血管。Aryal等[16]合成Gd(DOTA)-脂質體納米粒，將其與紅細胞共孵育30 min后成功標記形成Gd-RBCs，通過鼠尾靜脈注射后測得血液循環時間延長至2天，且縱向弛豫時間顯著縮短，弛豫率達20 mM-1s-1。由于對比劑不能通過正常血腦屏障，對早期腦膠質瘤患者無法達到早期診斷的目的。Liu等[17]將Gd-dTPA包裹于IL-13脂質體內，合成了粒徑約(137±43)nm的IL-13-liposome-Gd-dTPA，發現該粒子能夠通過正常血腦屏障，有助于早期發現腦膠質瘤。

3 樹枝狀大分子

由于具有獨特可調節的三維立體結構，樹枝狀大分子具有優于傳統線性結構的一些特征,如單分散性、可調控納米粒徑、立體結構、表面基團豐富、內腔封裝等優勢[18]。此外，樹枝狀大分子表面可偶聯多種功能基團，能夠與靶向配體、成像探針、藥物等共軛結合，提高血液循環時間、增加靶向性，從而實現疾病的診療一體化[19-20]。

樹枝狀大分子可螯合大量Gd3+，從而提高弛豫率。Sousa等[21]合成聚酰胺-胺型樹枝狀大分子，與順磁性物質結合后進行診斷成像和化學治療。Xiong等[22]利用第4代丙烯亞胺樹枝狀大分子與Gd-dOTA螯合，發現其縱向弛豫效能較單純Gd-dOTA提高約3倍，合成的PPI-MAL DS-dOTA(Gd)復合物能夠有效應用于腫瘤細胞體外成像及動物體內主動脈、腎動脈、腎臟及膀胱成像，且在注射48 h后從活體內代謝。

4 介孔氧化硅

介孔氧化硅納米材料具有比表面積高、孔徑均一可調、易于表面修飾和生物相容性好等優勢[23]，但由于整體粒徑較大、溶于介質后易團聚等缺陷，臨床應用受到一定限制，盡管目前已合成粒徑約50 nm的介孔氧化硅，但仍無法解決團聚問題[24-25]。

Hu等[26]成功合成粒徑約10～50 nm、弛豫率高、可雙模態成像(光學成像和核磁成像)且具有靶向性的Gd-MSN-RGD納米探針，該探針單分散性好，能夠準確發現病灶并進行術中導航。Chen等[27]合成一種多功能靶向納米顆粒(MSN-ss-GHA)，負載抗癌藥物阿霉素(Doxorubicin， DOX)，發現4T1細胞能夠有效攝取DOX@MSN-ss-GHA；此外，該納米探針還能夠靶向藥物傳輸并MR成像。

5 聚合物膠束

聚合物膠束是由兩親性聚合物分子在水中自組裝形成，其內核為疏水性，外殼由親水性鏈段構成，藥物載體包裹疏水性物質，而外層的親水性分子增加了生物相容性且延長了血漿半衰期[28]。聚合物膠束能夠攜帶水溶性差的藥物，提高生物利用率；與靶向配體連接后具有靶向性[29]。

Johnson等[30]應用膠體NaGdF4納米晶體合成一種極高弛豫率的微膠，粒徑約2.8～12.5 nm，其弛豫率達80 mM-1s-1，同時能夠實現粒徑可控。由于GD-dTPA分子量低，易于被機體清除，Lee等[31]將mPEG作為親水性配體，十六烷基銨作為親脂性配體，與琥珀酰亞胺(Polysicciniminde， PSI)和GD-dTPA形成聚合物膠束——SI-mPEG-c16-(DTPA-Gd)，發現其弛豫性能較GD-dTPA高5倍，且穩定性更好、半衰期更長。

6 碳納米管

碳納米管是一種由石墨烯片卷曲成圓柱狀片層、具有納米級直徑的結構，可分為單層碳納米管(single-walled carbon nanotubes， SWCNTs)和多層碳納米管(multi-walled carbon nanotubes, MWCNTs)。碳納米管具有張力高、縱橫比高及作為惰性材料仍能被功能化等優勢[32]。

Avti等[33]通過化學氣相沉淀法合成Gd-SWCNTs，并通過聚乙二醇(polyethylene glycol， PEG)修飾形成穩定且生物相容性好的Gd-SWCNT-dSPE-PEG，細胞毒性試驗發現其濃度低于25 μg/ml后基本不影響細胞活性、增殖及分化能力，且標記細胞產生的MRI信號強度較未標記細胞高4倍。碳納米管還可作為靶向藥物輸送系統應用于疾病診療一體化中。Yan等[34]利用天冬酰胺-甘氨酸-精氨酸肽修飾SWCNTs后，可負載抗癌藥物(如DOX)和MR對比劑(如Gd-dTPA)，形成的復合物既具有細胞毒性作用，也可進行MR成像，實現了診療一體化。

7 納米金

金是一種生物相容性極好的金屬物質，形態多樣，目前合成和研究較多的是金納米棒和金納米簇。Nicholls等[35]研究發現脫氧腺苷寡核苷酸修飾的金納米粒能與Gd3+結合，并與cy3熒光染料結合后，形成的DNA-Gd@AuNPs可以在活體內示蹤移植神經干細胞。Qin等[36]合成雙模態分子探針——釓(Ⅲ)-金納米棒Gd(Ⅲ)-GNRs，進行MR和光聲雙模態成像觀察，并成功標記巨噬細胞后進行MR成像。

8 順磁性納米粒

除上述材料外，還有較多磁性納米粒子應用于MR成像中。Faucher等[7]制備的超順磁性PEG-Gd2O3納米顆粒，粒徑在5 nm以下，由于比表面積小，釓密度大而產生強T1信號，該納米粒子在成功標記F98大鼠膠質瘤細胞后植入大鼠體內，48 h后即可觀察到信號。

如何對腫瘤進行精確定位及術中導航是目前精準醫療研究的關鍵。Lim等[37]合成一種pH敏感的芘-釓納米顆粒(Py-Gd)，該納米粒在腫瘤酸性環境中能產生較中性環境更高的信號強度。該項研究是未來分子探針合成的方向之一。

研究[38]發現，以人體內源性物質——黑色素為基礎，利用其緊密螯合金屬離子的特性，設計合成黑色素-釓納米粒(MNP-Gd)，能夠成功標記大鼠骨髓間充質干細胞，且在濃度低于800 μg/ml時幾乎無細胞毒性。

總之，由于目前臨床應用的釓對比劑多為小分子配合物，存在弛豫效能低且半衰期短的問題，而納米材料具有諸多優勢，因此納米分子探針將成為未來的研究和應用趨勢，且MR分子探針合成著重于弛豫率和安全性的問題。

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ApplicationprogressesofGadolinium-basednanomaterialscontrastmediainMRI

CAIWenwen,WANGLingjie,YUEHuajie,ZHANGRuiping*
(DepartmentofRadiology,theFirstHospitalofShanxiMedicalUniversity,Taiyuan030001,China)

Recently clinical MR contrast media consists mainly of gadolinium-based small molecule complexes, such as Gd-dTPA, Gd-dOTA, etc, but small molecule complexes are defective in the relaxation and early diagnosis. With the development of nanotechnology, molecular nanoprobes not only have the advantages of small particle size, good biocompatibility, enhanced penetration and retention (EPR) effect and long half-life, but also their relaxation rates are higher than that of common gadolinium contrast media. The application of current MR molecular probe, such as liposomes, dendrimers, mesoporous silica, polymer micelles, carbon nanotubes, nano-gold and paramagnetic nanoparticles were mainly introduced in this paper.

Magnetic resonance imaging; Gadolinium; Contrast media; Nanomaterials; Relaxation

10.13929/j.1003-3289.201703073

R445.2

A

1003-3289(2017)10-1475-04

國家自然科學基金(81571747、81371628)、山西省重點研發計劃(201603D121021)、山西省留學回國人員擇優資助項目(2015057)。

蔡雯雯(1991—)，女，山西臨汾人，在讀碩士。研究方向：分子影像學。E-mail： caiwenwen0914@sina.com

張瑞平，山西醫科大學第一醫院影像科，030001。E-mail： zrp_7142@163.com

2017-03-15

2017-06-04