介孔硅納米粒超聲影像及治療研究進展

莫新海 綜述，張 波 審校

(同濟大學附屬東方醫(yī)院醫(yī)學超聲科，上海 200120)

介孔硅納米粒超聲影像及治療研究進展

莫新海 綜述，張 波*審校

(同濟大學附屬東方醫(yī)院醫(yī)學超聲科，上海 200120)

介孔硅納米粒熱/化學穩(wěn)定性強，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)構等可控，在醫(yī)學領域引起廣泛關注。本文對介孔硅納米粒在超聲影像和超聲治療方面的研究進展進行綜述。

介孔硅；超聲檢查；超聲治療

超聲檢查具有便捷、低價、無電離輻射、非侵入性實時及快速成像等優(yōu)勢。超聲造影劑可提高超聲圖像信噪比和對比度，增強高強度聚焦超聲(high intensity focused ultrasound， HIFU)的熱效應、空化效應及療效。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，但上述有機材料熱/化學穩(wěn)定性差、抗壓強度低且易破裂，導致血循環(huán)半衰期短。與有機材料相比，無機材料介孔硅因耐腐蝕、熱/化學穩(wěn)定性強、比表面積大且適合載藥的特點而備受關注[1]；介孔硅納米粒可降解為單體硅酸和聚合硅酸等無毒產(chǎn)物[2]，并已通過美國食品和藥品管理局(Food and Drug Administration， FDA)的安全認證[1]。介孔硅納米粒表面有豐富的羥基，易于進行修飾，修飾后可改善納米粒血液相容性、延長血池循環(huán)時間[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)構具有良好的可調(diào)控性。本文對介孔硅納米粒在超聲影像及超聲治療領域的研究進展進行綜述。

1 介孔硅納米粒的基本特征及制備

根據(jù)國際純粹與應用化學協(xié)會的定義[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。現(xiàn)將介孔硅納米粒制備方法介紹如下。

圖1 化學刻蝕法制備具有中空介孔結(jié)構的納米硅粒[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.刻蝕過程中調(diào)整中空介孔硅納米粒孔徑的示意圖

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，傾向于離開水；自行組裝成穩(wěn)定的超分子結(jié)構——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，通過靜電、氫鍵及配位鍵等與無機硅相互作用，引導前驅(qū)體間進行縮合反應[8]。而后選擇合適的方法脫去模板，即可獲得相應形貌的介孔結(jié)構。

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，去除模板后即可獲得相應形貌的介孔結(jié)構[9]。

1.3 化學刻蝕法 通過酸、堿溶液溶解或破壞Si—O—Si鍵，對納米硅粒進行刻蝕，制備具有中空介孔結(jié)構的納米硅粒(圖1)，即為化學刻蝕法[10-11]。采用St?ber法制備實心納米硅粒，即“核”，并以其為模板，以十八烷基三氯硅烷為結(jié)構導向劑，與正硅酸乙酯在模板表面沉積和縮聚，形成具有介孔結(jié)構的硅殼層，即“殼”。去除“核”，留下“殼”后，即可構建具有中空結(jié)構的介孔硅納米粒[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代表有機官能團，R'O代表烷氧基團[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，將官能團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，將有機官能團引入介孔硅納米粒[8,11]。

將有機硅烷的官能團引入介孔硅納米粒是為了進行后續(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行縮合反應，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]；此時如再加入巰基化的PEG(mPEG-SH)，mPEG-SH與Au結(jié)合，即可對納米粒子進行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)皮組織的識別，可有效延長血循環(huán)時間[13]。

3 介孔硅納米粒在超聲顯像中的應用

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)血池中通過血管內(nèi)皮屏障滲出而聚集在腫瘤部位[5]。為構建穩(wěn)定性強、單分散性的納米級造影劑，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，可增強超聲散射，從而實現(xiàn)超聲造影；此外，該實驗還證實在無HIFU輻照時，P-hMSN不會產(chǎn)生背景信號。盡管P-hMSN會產(chǎn)生溶血效應，但可忽略不計；同時，P-hMSN性質(zhì)穩(wěn)定，易于儲藏。雖然P-hMSN具有諸多優(yōu)勢，但需高機械指數(shù)(mechanical index， MI)的HIFU激發(fā)，該MI值(MI=9.4)遠超過FDA規(guī)定的診斷應用推薦值(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納米粒進行修飾，構建疏水性納米粒子(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，增強超聲散射，實現(xiàn)超聲造影；且當MI=1.0時，超聲造影時間可長達至少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，采用嫁接法將有機硅烷連接于介孔硅上； B.介孔硅合成時直接功能化修飾，采用共縮聚法對介孔硅進行有機化修飾 圖3 介孔硅納米粒釋藥系統(tǒng)與磁響應系統(tǒng)工作機制[6,22] A.介孔硅納米粒雙重響應釋藥系統(tǒng)反應過程示意圖； B.載PFH磁性介孔硅納米粒合成過程及在交變磁場中響應過程示意圖

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)合表達相應受體的細胞或組織，增強超聲造影的特異性。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，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HER2+的乳腺癌細胞，且平均像素密度高，可獲得高質(zhì)量的超聲圖像。

干細胞移植作為再生醫(yī)學的一種治療手段，具有廣闊的應用前景。但能否將干細胞準確移植到病變部位，是影響干細胞治療效果的主要因素之一。實時超聲影像可作為引導干細胞治療的備選方式。Chen等[16]通過軟模板法合成了凹形結(jié)構的介孔硅納米粒，可提供更有效的背散射界面，增強超聲信號，實現(xiàn)干細胞超聲示蹤。干細胞移植區(qū)發(fā)生缺血及炎性反應[17]，可導致干細胞死亡，影響治療效果。為提高干細胞的生存率，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胞可用于超聲、MRI引導下干細胞定向移植，且載IGF介孔硅納米粒可顯著提高干細胞存活率。

4 介孔硅納米粒在超聲治療中的應用

目前癌癥仍是人類死亡的首要原因。臨床對腫瘤擴散和轉(zhuǎn)移患者多選擇化療作為治療手段，但化療藥物可通過循環(huán)系統(tǒng)在體內(nèi)廣泛分布，且多數(shù)化療藥物無特異性，在殺傷腫瘤細胞的同時也影響正常細胞的分裂和生長，引起多種不良反應。超聲波產(chǎn)生的機械效應和熱效應可激發(fā)納米藥物載體釋藥[19]，從而實現(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堿基互補配對，因DNA2富含鳥嘌呤，可形成G-四鏈體結(jié)構，將藥物封裝在介孔通道；HIFU輻照后，溫度達到雙螺旋DNA解鏈溫度，G-四鏈體結(jié)構松解，實現(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)，見圖3A；在4℃時，聚合物呈卷曲構象，介孔通道打開，裝載藥物；在37℃時，聚合物呈折疊構象，介孔通道關閉，可運輸藥物；在超聲輻照下，聚合物的構象再次改變，重新打開介孔通道，實現(xiàn)藥物釋放；此外，即使這種載藥納米粒被細胞吞噬進入細胞內(nèi)，仍可對超聲輻照做出響應而釋放藥物。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，從而保護正常組織免受藥物不良反應影響。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用

盡管介孔硅納米粒可作為超聲造影劑、細胞示蹤劑、熱敏釋藥載體等，但能否實現(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。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，構建納米膠囊。利用Au的熱學性能、PFH相變特性，納米膠囊實現(xiàn)了整合超聲造影、釋藥、HIFU消融治療于一體。由于超聲波無法穿透骨骼，且易受氣體干擾，為了彌補超聲影像的不足，Li等[4]通過構建巰基介孔硅納米粒，再將Au通過巰基與納米粒連接后裝載PFH，最后mPEG-SH通過Au與納米粒連接，合成納米粒子HAPP，實驗結(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，實驗結(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]為彌補骨骼及氣體阻礙超聲治療的局限性，構建了載PFH及超順磁性Fe3O4介孔硅納米粒(PFH-encapsulated magnetic mesoporous particles with a hollow space， MDs)，MDs在交變磁場的作用下，可將電磁能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽|發(fā)PFH相變；同時，MDs產(chǎn)生的熱能可用于腫瘤熱消融治療(圖3B)；結(jié)果表明，在交變磁場作用2 min后，MDs溫度高達77℃，PFH發(fā)生相變，顯著增強超聲成像信號；動物實驗顯示，MDs產(chǎn)生的熱效應，可致腫瘤細胞死亡、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題及展望

超聲影像相對于其他影像技術，具有價格低、實時成像、移動便捷等優(yōu)勢。造影劑可提高超聲圖像的對比度和HIFU治療的效果。介孔硅納米粒以其獨特的形貌結(jié)構和穩(wěn)定性，在超聲成像及治療領域均具有優(yōu)勢。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)成像有望成為未來的研究熱點。在治療領域，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，但仍有一些急需解決的問題。進一步提高介孔硅納米粒藥物包封率，載藥系統(tǒng)穩(wěn)定性、靶向性及釋藥響應性等均可影響介孔硅納米粒的治療效果。相信隨著對介孔硅納米粒研究的深入，介孔硅納米粒的應用領域?qū)⑦M一步擴展。

[1] Chen Y, Chen H, Shi J. In vivo bio-safety evaluations and diagnostic/therapeutic applications of chemically designedmesoporous silica nanoparticles. Adv Mater, 2013,25(23):3144-3176.

[2] He Q, Zhang Z, Gao Y, et al. Intracellular localization and cytotoxicity of sphericalmesoporous silica nano- and microparticles. Small, 2009,5(23):2722-2729.

[3] He Q, Zhang J, Shi J, et al. The effect of PEGylation of mesoporous silica nanoparticles on nonspecific binding of serum proteins and cellular responses. Biomaterials, 2010,31(6):1085-1092.

[4] Li X, Xing L, Zheng K, et al. Formation of goldnanostar-coated hollow mesoporous silica for tumor multimodality imaging and photothermal therapy. ACS Appl Mater Interfaces, 2017,9(7):5817-5827.

[5] Milgroom A, Intrator M, Madhavan K, et al. Mesoporous silica nanoparticles as a breast-cancer targeting ultrasound contrast agent. Colloids Surf B Biointerfaces, 2014,116:652-657.

[6] Paris JL, Cabaas MV,Manzano M, et al. Polymer-grafted mesoporous silica nanoparticles as ultrasound-responsive drug carriers. ACS Nano, 2015,9(11):11023-11033.

[7] Dabbagh A, Abdullah BJ, Abu Kasim NH, et al. A new mechanism of thermal sensitivity for rapid drug release and low systemic toxicity in hyperthermia and thermal ablation temperature ranges. Int J Hyperthermia, 2015,31(4):375-385.

[8] Hoffmann F, Cornelius M, Morell J, et al. Silica-basedmesoporous organic-inorganic hybrid materials. Angew Chem Int Ed Engl, 2006,45(20):3216-3251.

[9] Huang CC, Huang W, Yeh CS. Shell-by-shell synthesis of multi-shelledmesoporous silica nanospheres for optical imaging and drug delivery. Biomaterials, 2011,32(2):556-564.

[10] Wang X, Chen H, Chen Y, et al. Perfluorohexane-encapsulatedmesoporous silica nanocapsules as enhancement agents for highly efficient high intensity focused ultrasound (HIFU). Adv Mater, 2012,24(6):785-791.

[11] Chen Y, Chen H, Shi JL. Construction of homogenous/heterogeneous hollowmesoporous silica nanostructures by silica-etching chemistry: Principles, synthesis, and applications. Acc Chem Res, 2014,47(1):125-137.

[12] Chen Y, Chen H, Guo L, et al. Hollow/rattle-typemesoporous nanostructures by a structural difference-based selective etching strategy. ACS Nano, 2010,4(1):529-539.

[13] Liu J, Luo Z, Zhang J, et al. Hollowmesoporous silica nanoparticles facilitated drug delivery via cascade pH stimuli in tumor microenvironment for tumor therapy. Biomaterials, 2016,83:51-65.

[14] Yildirim A, Chattaraj R, Blum NT, et al. Stable encapsulation of air in mesoporous silica nanoparticles: Fluorocarbon-free nanoscale ultrasound contrast agents. Adv Healthc Mater, 2016,5(11):1290-1298.

[15] Jin Q, Lin CY, Kang ST, et al.Superhydrophobic silica nanoparticles as ultrasound contrast agents. Ultrason Sonochem, 2017,36:262-269.

[16] Chen F, Ma M, Wang J, et al. Exosome-like silica nanoparticles: A novel ultrasound contrast agent for stem cell imaging. Nanoscale, 2017,9(1):402-411.

[17] Nguyen PK, Lan F, Wang Y, et al. Imaging: Guiding the clinical translation of cardiac stem cell therapy. Circ Res, 2011,109(8):962-979.

[18] Kempen PJ, Greasley S, Parker KA, et al. Theranostic mesoporous silica nanoparticles biodegrade after pro-survival drug delivery and ultrasound/magnetic resonance imaging of stem cells. Theranostics, 2015,5(6):631-642.

[19] Sirsi SR, Borden MA. State-of-the-art materials for ultrasound-triggered drug delivery. Adv Drug Deliv Rev, 2014,72:3-14.

[20] 何敏瑜，冉海濤，馬明，等.超聲介導DNA門控空心介孔二氧化硅納米粒的藥物釋放.中國醫(yī)學影像技術,2015,21(2):191-195.

[21] Wang X, Chen H, Zheng Y, et al. Au-nanoparticle coatedmesoporous silica nanocapsule-based multifunctional platform for ultrasound mediated imaging, cytoclasis and tumor ablation. Biomaterials, 2013,34(8):2057-2068.

[22] Teng Z, Wang R, Zhou Y, et al. A magnetic droplet vaporization approach using perfluorohexane-encapsulated magneticmesoporous particles for ultrasound imaging and tumor ablation. Biomaterials, 2017,134:43-50.

書訊

由南昌大學第一附屬醫(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《縣級醫(yī)院影像科醫(yī)生手冊》已由人民衛(wèi)生出版社出版并在全國發(fā)行。這本手冊是人民衛(wèi)生出版社組織編寫的《全國縣級醫(yī)院系列實用手冊》大型系列叢書之一，本書的編者除港澳臺地區(qū)外，覆蓋全國32個省市，讀者對象主要為縣級醫(yī)院影像科醫(yī)生，以常見病和多發(fā)病為主，突出基本理論、基本知識和基本技能；全書采用導圖、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，因此適用于各個層次的影像科醫(yī)生。本手冊為口袋書，但其內(nèi)容全面，涵蓋了本專業(yè)的各個系統(tǒng)，構思新穎、內(nèi)容豐富,指導性和實用性強。同時，手冊收集了一些與影像診斷相關常用的解剖數(shù)值及臨床檢驗的生化指標、常見的影像學“病征”和診斷用計算“公式”。因此，既可作為日常工作的手頭書，又可作為平時學習的參考書。

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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

國家自然科學基金面上項目(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，同濟大學附屬東方醫(yī)院醫(yī)學超聲科，200120。E-mail: zhangbodongfang@qq.com

2017-04-14

2017-07-11