超順磁性納米材料在分子影像中的研究進展

岳文怡,盛復庚

分子影像可以在組織和細胞水平反映疾病的某些生物學變化。分子探針是分子影像的核心,它能夠與活體細胞內(nèi)某一靶向目標特異性結合后,用來檢測其結構、性質(zhì)并產(chǎn)生可以通過設備檢測的信號[1]。磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)具有高空間、時間分辨率及軟組織分辨率,無電離輻射,可快速提供患者全身任意部位及任何斷層的高分辨率解剖圖像,已經(jīng)成為大多數(shù)疾病的首選診斷方法,常需要對比劑輔助成像。鐵磁性物質(zhì)由于磁化率很高,即使在沒有外界磁場的環(huán)境下也能保留其磁性,可以加速鄰近組織氫核的弛豫,使T2信號減低。鐵磁性微粒的直徑一般為0.1～10 μm,當鐵的氧化物如Fe3O4微粒遠小于鐵磁性微粒時,就能呈現(xiàn)出超順磁性。超順磁性材料作為MRI的對比劑,對組織中T2的弛豫速率高于釓對比劑[2]。超順磁性氧化鐵微粒(superparamagnetic iron oxide,SPIO)作為T2WI負性對比劑,最早是為MRI分子成像而設計開發(fā)的,作為對比劑具有良好的生物相容性、易觀察性、可塑性、毒副作用小、穩(wěn)定性高等優(yōu)點[3]。血液中30～54 nm的顆粒被網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)(reticuloendothelial system,Res)當作異物清除,因SPIO直徑約50～150 nm,因此特別適合于肝、脾、骨髓、肺、腦、淋巴結等有Res的器官和組織,使正常組織T2信號減弱,而病變部位缺乏吞噬SPIO的能力,使得T2信號相對高于其他正常組織;超小型SPIO(ultrasmall superparamagnetic iron oxide,USPIO)直徑小于40 nm,可以不被Res吞噬,在血液中的半衰期長,易于在細胞內(nèi)移動,適合于特定分子的細胞組織成像[4],常用于血管或血池造影劑、干細胞、祖細胞或巨噬細胞的研究[5],有利于淋巴造影和炎癥成像[6]。微米級超順磁性氧化鐵顆粒(micron-sized superparamagnetic iron oxide particle,MPIO)通常用于追蹤增殖細胞,由于不降解的屬性,隨著細胞分裂,鐵不會被稀釋,因此具有最高的鐵含量,可以用于檢測數(shù)目較少的細胞或含有較少顆粒的細胞[7]。下面將從超順磁性納米材料在分子影像學的應用闡述它的近期進展。

在原發(fā)腫瘤診斷中的應用

SPIO可以直觀地發(fā)現(xiàn)早期癌癥[8],以其為對比劑的MRI最早應用于肝癌的成像。正常肝臟網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)內(nèi)存在大量Kupffer細胞,可以攝取SPIO,導致T2信號減低,形成陰性對照,惡性腫瘤Kupffer細胞很少,二者攝取含量的不同導致肝臟正常組織和惡性腫瘤在MRI信號上有明顯差別。經(jīng)過氯離子通道蝎毒素修飾的SPIO納米顆粒能夠通過基質(zhì)金屬蛋白酶2與肝癌建立靶向聯(lián)系,得到肝癌的特異性對比劑,實現(xiàn)肝癌的早期影像診斷[9]。Yukihiro等[10]評估了SPIO在肝癌MRI中的優(yōu)缺點,比較了42例患者在穩(wěn)態(tài)旋進快速成像(fast imaging with steady- state precession,FISP)中使用SPIO前后的腫瘤和正常肝臟的信號比,發(fā)現(xiàn)在FISP中看不見的腫瘤可以通過使用SPIO變得可視化,這也代表為肝癌的早期診斷提供了新思路。劉國順等[11]研究了二硫鍵優(yōu)化透明質(zhì)酸介導的SPIO靶向納米探針在動物體內(nèi)水平的顯像性,發(fā)現(xiàn)其可在分子影像水平實現(xiàn)對腫瘤療效的早期監(jiān)測。

另外在其他腫瘤方面,胰腺癌是一種高度侵襲性的惡性腫瘤,提高早期診斷率是關鍵,目前糖類抗原19-9(carbohydrate antigen 19-9,CA19-9)是最常用的血清腫瘤標志物,但缺乏敏感性和特異性。He等[12]利用CXC趨化因子受體4能與胰腺癌發(fā)展侵襲和轉(zhuǎn)移密切相關的特點,采用USPIO與CXC趨化因子受體4單克隆抗體相連接制造探針,研究其主動靶向性磁共振成像,為探針在細胞生物水平的應用打開了新視野。利用尿激酶型纖溶酶原激活物激活因子受體的特異性結合配體連接氧化鐵納米顆粒,通過MRI顯示的信號差異,可以有效實現(xiàn)胰腺癌和其轉(zhuǎn)移灶的良好顯影,用作檢測早期及轉(zhuǎn)移胰腺癌。Chen等[13]使用SPIO和Plectin-1抗體創(chuàng)建了多功能靶向納米顆粒探針,實驗結果表明該納米顆?？梢栽谀[瘤細胞中高度聚集,而在正常的胰腺中沒有,這個結果顯示了SPIO可以使胰腺腫瘤優(yōu)先聚集而使胰腺癌可視化,提高了檢測的能力。Liu等[14]構建了可與鼻咽癌細胞偶聯(lián)的C225-USPIO納米顆粒,對照組為IgG-USPIO,進行MRI體外成像試驗,結果顯示C225-USPIO納米顆?？梢耘c高表達EGFR的鼻咽癌細胞特異性靶向結合,這為C225-USPIO應用于臨床EGFR高表達的鼻咽癌的MR成像及評估鼻咽癌后續(xù)療效提供了可能。綜上所述,SPIO在原發(fā)腫瘤的診斷和療效預測方面起到了可視化作用,研究其在多種原發(fā)腫瘤的應用仍是未來的熱點。

在轉(zhuǎn)移性淋巴結中的應用

正常人淋巴結含巨噬細胞,會攝取SPIO,癌癥轉(zhuǎn)移的淋巴結內(nèi)因均是腫瘤細胞,對SPIO的吞噬減少,導致正常的淋巴結和腫瘤轉(zhuǎn)移的淋巴結MRI信號產(chǎn)生差異。淋巴結的轉(zhuǎn)移是早期胃癌及預后的一項重要評估指標,Chen等[15]對裸鼠皮下注射SGC-7901細胞懸液以形成實體瘤,鐵標記的細胞在MRI中表現(xiàn)為大面積的低信號或離散的信號空洞區(qū)域。注射標記MPIO的SGC-7901細胞懸液的腫瘤在第14～35天中能觀察到持續(xù)的信號空白區(qū),這些信號空白區(qū)主要位于正在生長的腫瘤的中央部,而對照組(未標記)沒有顯示信號空白區(qū),盡管存在一些信號不均勻的區(qū)域,但與實驗組相比,對照組的信號顯著增加。在胃癌發(fā)展過程中,通過追蹤MPIO標記的細胞,觀察到癌轉(zhuǎn)移淋巴結中信號空白區(qū)的持續(xù)時間長達5周,這比正常在體外觀察的時間長得多。這項研究為檢測早期胃癌淋巴結轉(zhuǎn)移提供了方向。Mirzaei等[16]使用低劑量的SPIO檢測了15名黑色素瘤患者的前哨淋巴結,發(fā)現(xiàn)淋巴結轉(zhuǎn)移的偽影與SPIO劑量有相關性,這為腫瘤患者的前哨淋巴結狀態(tài)的非侵入性評估開辟了通道。

還有報道稱可以使用SPIO可以對乳腺癌患者術前的腋窩淋巴結定位定性,實現(xiàn)選擇性清掃腋窩內(nèi)的轉(zhuǎn)移性淋巴結[17]。Kimura等[18]使用USPIO進行高分辨率MRI淋巴結造影,將成像結果與組織病理學結果比較,發(fā)現(xiàn)使用UPSIO作為對比劑獲得了良好的腋窩淋巴結評估效果,這種成像方法更有助于術前淋巴結分期。前哨淋巴結被定義為“直接引流原發(fā)腫瘤灶的第一站淋巴結”,可以較準確地預測前列腺癌區(qū)域淋巴結的轉(zhuǎn)移情況。Winter等[19]在50名前列腺癌患者身上實現(xiàn)了SPIO追蹤前列腺癌前哨淋巴結成像,所有患者均可檢測到前哨淋巴結,其診斷率達100%。通常前列腺癌轉(zhuǎn)移的前哨淋巴結大部分位于髂外和下腹部區(qū)域,該研究令人意外地發(fā)現(xiàn)大量前哨淋巴結位于骶前和直腸旁區(qū)域。由于MRI對極低濃度的SPIO具有高敏感性,使得檢測出的前哨淋巴結數(shù)量增加。超順磁性氧化鐵納米粒子和MRI結合的技術為術前和術中前哨淋巴結定位提供了一種完全無輻射的技術。這也是SPIO在人體內(nèi)檢測前列腺癌前哨淋巴結轉(zhuǎn)移情況的首例結果。對于淋巴結轉(zhuǎn)移情況的評估,SPIO對于術前分期及定位提供了方向。

在干細胞中的應用

干細胞是一類具有良好增殖能力和多向分化潛能的細胞,能在受損的器官、組織發(fā)揮修復作用。由于磁性氧化鐵材料具有良好的磁導向性及生物相容性,SPIO與干細胞結合也是分子影像學的常用追蹤方法[20]。間充質(zhì)干細胞治療人類中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病具有一定潛力,用SPIO納米粒子標記骨髓間充質(zhì)干細胞并通過MRI進行追蹤是評價中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療效果的一種可行性方法。Rami等[21]跟蹤創(chuàng)傷性腦損傷小鼠模型體內(nèi)被SPIO標記的間充質(zhì)干細胞,鼻內(nèi)給藥24小時后,T2WI圖像顯示皮質(zhì)損傷內(nèi)側(cè)為低信號區(qū)域,表明被SPIO標記的間充質(zhì)干細胞向損傷部位遷移。雖然細胞分裂會稀釋細胞內(nèi)的SPIO濃度,影響標記干細胞的檢測,但在動物模型的大腦中,移植后數(shù)周仍可以檢測到標記的干細胞。 此方案為骨髓間充質(zhì)干細胞的輸送和跟蹤提供了一種非侵入性的有效方法,為通過干細胞治療腦損傷疾病的療效預判提供了新的思路。

Scharf等[22]報道稱,追蹤SPIO標記的間充質(zhì)干細胞可作為評價肌腱損傷治療療效的一種有效方法,將超順磁性氧化鐵納米顆粒(SPIONs)和熒光蛋白雙重標記骨髓間充質(zhì)干細胞,并移植入肌腱損傷的大型動物模型體內(nèi),證明SPIONs標記細胞是在大型動物體內(nèi)示蹤細胞的有效途徑,且濃度為25 μg/mL或50 μg/mL的SPIONs標記細胞時,細胞活性不受明顯影響,并且追蹤時間可長達間充質(zhì)干細胞注射治療后7天。間充質(zhì)干細胞還被證明過有腫瘤歸巢的特征,Qin等[23]做了相關實驗,利用MRI圖像評估間充質(zhì)干細胞在肝癌中的腫瘤歸巢能力,用SPIO顆粒和4,6-二氨基-2-苯基吲哚標記骨髓間充質(zhì)干細胞,然后注射移植到兔VX2肝腫瘤中,MRI顯示給藥的間充質(zhì)干細胞可以靶向趨于肝腫瘤部位,早期干細胞分散在整個腫瘤內(nèi)部,后期逐漸遷移到腫瘤邊緣,該研究提供了一種可視化體內(nèi)追蹤間充質(zhì)干細胞的方法。祖細胞,即前體細胞,相當于具有增殖能力的原始細胞,但已失去了多向分化能力,只能定向增殖分化,故也稱定向干細胞。內(nèi)皮祖細胞可以對抗危險因素導致的內(nèi)皮損傷,促進缺血后血管的恢復。Wei等[24]用SPIO標記內(nèi)皮祖細胞,研究標記細胞的細胞內(nèi)鐵含量、標記效率和細胞活力,采用MRI進行分析,為自體移植內(nèi)皮祖細胞的體內(nèi)應用以及在體內(nèi)治療心肌梗死奠定了理論基礎。但是SPIO作為細胞標記存在著一些局限性,隨著細胞的有絲分裂,SPIO的圖像會不斷減弱甚至消失。當細胞在體內(nèi)遷移時,SPIO的MRI敏感性也會降低。當細胞死亡時,SPIO仍會存在于體內(nèi)并產(chǎn)生相應的圖像,會對細胞示蹤產(chǎn)生錯誤的引導。

在免疫系統(tǒng)中的應用

樹突狀細胞(dendritic cell,DC)被認為是最有效的抗原呈遞細胞,能觸發(fā)T細胞介導的免疫反應。足夠的DC遷移到淋巴結才能促進免疫反應,但是檢測它的體內(nèi)遷移很困難。SPIO可以用來標記DC,在MRI下檢測其向淋巴組織的遷移。Shen等[25]發(fā)現(xiàn),乳糖化的氮烷基聚乙烯亞胺與SPIO復合的納米粒子用于DC的標記,可作為一種低毒性伴高效率標記細胞的MRI探針。實驗組的DC中SPIO納米粒子明顯增加。相關數(shù)據(jù)顯示乳糖化的氮烷基聚乙烯亞胺與SPIO納米粒子形成的聚合物可以誘導DC的自噬,有利于DC成熟,由此提高呈遞抗原的能力。一些基于DC的抗癌疫苗是為了誘導腫瘤特異性有效T細胞,從而減少腫瘤體積。Yu等[26]通過SPIO-NIR797對DC進行了培養(yǎng)、標記和追蹤,SPIO-NIR797標記對細胞活力、細胞增殖和遷移能力幾乎沒有不利影響。

Tremblay等[27]報道將SPIO標記的細胞注射到植入了人乳頭瘤病毒的宮頸癌模型的小鼠中,標記的細胞為細胞毒性CD8+T細胞、調(diào)節(jié)性T細胞(Tregs)和髓源抑制細胞(MDSCs),一部分未經(jīng)處理的小鼠作為對照組,一部分接種DPX-R9F疫苗作為實驗組。通過MRI圖像表明,接種DPX-R9F疫苗可以減少針對腫瘤的抑制細胞類型(MDSCs和Tregs)的募集,并適度增加作為免疫系統(tǒng)的第一道防線細胞毒性T淋巴細胞(cytotoxic T lymphocytes,CTLs)。CTL細胞由CD8+T細胞活化后分化而來,具備抗腫瘤應答的作用。MDSCs和Tregs的募集與最終腫瘤體積呈正相關,通過該實驗,可以改進疫苗的應用和制定更個性化的治療方案。

Coda等[28]利用[18F]DPA-714-PET、SPIO和體外免疫組化,評估多模態(tài)PET/CT和MRI對復發(fā)緩解型多發(fā)性硬化小鼠模型急性期的腦巨噬細胞和小膠質(zhì)細胞激活的可行性和敏感度。這項研究表明,激活的巨噬細胞和小膠質(zhì)細胞都存在于大腦的脆弱區(qū)域,對于疾病的嚴重程度有著參考價值,SPIO標記的MR成像有利于中樞系統(tǒng)炎性病變的臨床研究。

在移植及炎癥中的應用

SPIO在人體中可被巨噬細胞吞噬,并在巨噬細胞浸潤組織中的增強MRI上顯示延長的T2效應,因此由于巨噬細胞攝取SPIO對MRI的影響使得其可應用于炎癥和感染的成像,提高了MRI檢測的準確性,實現(xiàn)炎性疾病的早期臨床干預[29]。Yong等[30]為了克服將胰島細胞植入肝臟治療糖尿病時由于細胞直接接觸血液而引起的瞬時炎癥反應,而不能直接監(jiān)測到治療后的預后情況這一問題,通過肝素固定的SPIO附著在胰島細胞表面建立一種具有抗凝活性的新型磁共振對比劑,作為一種可視化監(jiān)測體內(nèi)植入胰島細胞的手段。干細胞移植是治療阿爾茨海默病(Alzheimer disease,AD)的一種探索途徑,在活體中動態(tài)監(jiān)測干細胞移植后AD宿主體內(nèi)的遷移和分化是分子影像學的研究方向。杜磊等[31]通過觀察聚乙二醇/聚乙烯亞胺修飾SPIO標記的脂肪源性干細胞移植后的AD大鼠模型內(nèi)MR活體示蹤成像,發(fā)現(xiàn)單次干細胞移植可有效改善AD模型大鼠的行為學表現(xiàn),這種技術可以提供有效的無創(chuàng)性評估手段,但本次觀察時間點內(nèi)未達到正常大鼠的行為學水平,仍需進一步研究。間充質(zhì)干細胞(mesenchymal stem cells,MSCs)因其免疫調(diào)節(jié)特性,對于膿毒癥有明顯的治療作用,但其療效很大程度上取決于MSCs的歸巢作用,SPIO作為MSCs最常用的示蹤劑之一,因其安全性、低毒性和代謝性可以在體內(nèi)監(jiān)測MSCs。Pan等[32]測定了SPIO標記的MSCs在健康小鼠和膿毒癥小鼠中的時空分布,發(fā)現(xiàn)其可受微環(huán)境影響并改變,這為MSCs的應用提供了新的視角。

Millon等[33]發(fā)現(xiàn),使用SPIO應用于MRI檢測服用阿托伐他汀藥物治療后兔主動脈壁巨噬細胞浸潤的信號改變效果良好并得到組織學證實。SPIO還可以檢測人類新血管系統(tǒng)的炎癥,有助于顯示梗死和梗死后心肌炎,通過MRI檢測到的梗死后巨噬細胞的長期存在可以增加預測心力衰竭的可能性[34]。Tang等[35]針對在急性缺血性中風中,中性粒細胞在腦缺血區(qū)釋放活性氧可能導致缺血性卒中后再灌注損傷這一現(xiàn)象,使用選擇性脾酪氨酸激酶抑制劑和SPIO共負載的血小板模擬納米粒子成功識別和監(jiān)測了中性粒細胞。在多發(fā)性硬化(multiple sclerosis,MS)的診斷與分期中,MRI已被相對廣泛地用于評估血腦屏障的完整性并定位腦中的炎性病變,使用SPIO優(yōu)于釓對比劑的關鍵優(yōu)勢是前者可顯示單核細胞/巨噬細胞浸潤,這是MS進展的標志。USPIO可被中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的巨噬細胞吸收,與單獨使用釓對比劑相比,在MS患者中聯(lián)合使用USPIO和釓對比劑能夠檢測額外的活動性病變從而改善患者的病變識別[36]。

SPIO在診斷軟組織炎癥中也發(fā)揮了作用。Baraki等[37]證實SPIO標記的粒細胞經(jīng)靜脈注射后,在T2WI上能夠在感染部位顯示信號降低的區(qū)域,該應用提高了早期診斷急性軟組織感染的敏感性和特異性。另外,SPIO的一個重要的潛在應用是在腹部區(qū)分腫瘤和感染性腫塊(膿腫),Seyfer等[38]發(fā)現(xiàn),使用SPIO的T2WI中,膿腫顯示的對比噪聲比腫瘤小,這是由于巨噬細胞浸潤膿腫所致。

結論和展望

超順磁性納米材料具備低毒性、生物相容性以及與生物大分子或細胞結合的可修飾性等特點,有廣闊的發(fā)展前景,為分子影像學夯實了基礎,在醫(yī)學各方面都取得了很大的進展,在疾病的檢測和治療過程中提供了許多有價值的信息,部分可以用于藥物遞送應用。但是存在一些需要克服的問題:目前的研究絕大多數(shù)仍處于動物實驗模擬階段,真正進入臨床試驗階段還有一定的困難;敏感度及與載體藥物合成的穩(wěn)定性、靶向定位的準確性有待提高;部分合成的探針需減少對人體的毒副作用;用SPIO標記是否影響某些疾病的進展及細胞的增殖、分化和活力等,仍需要多方位探索對比劑在各種疾病的早期診斷、預后判斷以及制定更精細的治療方案的潛能,在已有成果的心臟、肝臟、腎臟和神經(jīng)系統(tǒng)進一步完善和優(yōu)化,拓寬未來應用的范圍,分子影像從現(xiàn)在到未來一定是是精準醫(yī)學的必經(jīng)之路。