腫瘤微環(huán)境響應(yīng)型磁共振納米造影劑的研究進(jìn)展

劉 壯，彭衛(wèi)軍

復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院放射診斷科，復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院腫瘤學(xué)系，上海 200032

惡性腫瘤嚴(yán)重危害人類健康。早期診斷和準(zhǔn)確的腫瘤分期有助于提高腫瘤患者療效和生存率［1-2］。影像學(xué)檢查在惡性腫瘤的診斷和療效評價方面發(fā)揮著重要的作用，其中磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）是當(dāng)今腫瘤影像學(xué)的研究熱點，具有較高的空間分辨率和軟組織分辨力，能無創(chuàng)性地監(jiān)測腫瘤的發(fā)生、發(fā)展過程。

隨著納米生物醫(yī)學(xué)的快速發(fā)展和腫瘤微環(huán)境研究的深入，基于腫瘤微環(huán)境設(shè)計的響應(yīng)型磁共振納米造影劑在腫瘤特異性成像方面展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。該類響應(yīng)型造影劑在體內(nèi)穩(wěn)定運輸?shù)竭_(dá)腫瘤組織后，在腫瘤微環(huán)境的刺激下會發(fā)生納米結(jié)構(gòu)響應(yīng)型改變，成像效果顯著增強(qiáng)，從而實現(xiàn)對腫瘤的特異性成像［3-5］。進(jìn)一步將此類造影劑與抗腫瘤藥物結(jié)合，能夠制備出兼具腫瘤特異性成像和治療功能的納米診療劑，具有潛在的臨床應(yīng)用價值［6-7］。

常見的響應(yīng)型磁共振納米造影劑包括pH響應(yīng)、還原響應(yīng)及酶響應(yīng)型磁共振納米造影劑等。本文對腫瘤微環(huán)境響應(yīng)型磁共振納米造影劑在腫瘤領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀進(jìn)行闡述。

1 腫瘤微環(huán)境的生理特性

腫瘤組織的微環(huán)境與正常組織相比存在顯著差異［8］。其內(nèi)在刺激因素主要包括以下幾點：一是在腫瘤發(fā)生、發(fā)展過程中，由于腫瘤組織生長、代謝旺盛，消耗大量葡萄糖和氧氣，氧氣的大量消耗與不成熟的新生血管之間難以達(dá)到平衡，導(dǎo)致腫瘤組織呈現(xiàn)出乏氧狀態(tài)［9］。產(chǎn)生過量的乳酸和氫離子聚集在細(xì)胞外液中，造成腫瘤組織處于弱酸性環(huán)境，與正常組織相比，腫瘤細(xì)胞外液pH值降低，細(xì)胞內(nèi)pH值升高，腫瘤組織細(xì)胞外弱酸性（pH為5.5～6.8）被認(rèn)為是腫瘤的特征性表現(xiàn)［10-11］；二是腫瘤細(xì)胞在生長過程中產(chǎn)生過量的谷胱甘肽（glutathione，GSH）等還原性物質(zhì)，并且遠(yuǎn)高于正常組織，使腫瘤組織呈現(xiàn)出還原性特點［12］；三是腫瘤細(xì)胞外及腫瘤內(nèi)存在過度表達(dá)的酶，如基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）、酯酶、淀粉酶和組織蛋白酶B等［13］。

雖然腫瘤的類型各不相同，在不同發(fā)展階段的表現(xiàn)也不盡相同，但是腫瘤微環(huán)境的理化特點和內(nèi)在刺激因子卻保持相對穩(wěn)定［14-15］。因此，基于腫瘤組織的理化特性及共同的內(nèi)在刺激因子，研發(fā)對腫瘤微環(huán)境敏感的磁共振納米造影劑，有望解決腫瘤在早期診斷、監(jiān)測甚至治療中的難題［16-17］。

2 pH響應(yīng)型磁共振納米造影劑

pH響應(yīng)型磁共振納米造影劑利用正常組織與腫瘤微環(huán)境之間pH值的差異，在正常組織中呈關(guān)閉狀態(tài)，不產(chǎn)生磁共振增強(qiáng)效應(yīng)或增強(qiáng)效果較低（關(guān)閉狀態(tài)），而到達(dá)pH值較低的腫瘤組織中，造影劑的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變表現(xiàn)出顯著增強(qiáng)效果（開放狀態(tài)）［18］，與傳統(tǒng)磁共振造影劑相比，此類pH響應(yīng)型磁共振納米造影劑對腫瘤具有更高的特異性。

pH響應(yīng)型磁共振納米造影劑的設(shè)計主要可以分為以下兩種：一是當(dāng)環(huán)境pH值改變時，造影劑裂解并釋放出離子；二是造影劑本身在環(huán)境pH值改變時發(fā)生形態(tài)改變，如變小、變大或“解體”等［18］。這兩種方式均可增強(qiáng)MRI效果。

錳（Mn）基造影劑是一類最為常見的pH響應(yīng)型磁共振納米造影劑，對弱酸性和還原性條件下的腫瘤微環(huán)境較為敏感，在弱酸性環(huán)境中可以釋放出含有5個未成對電子的Mn（Ⅱ）離子，并增加Mn（Ⅱ）的順磁中心與水分子的接觸概率，從而明顯縮短水質(zhì)子的縱向弛豫時間，達(dá)到MRI-T1增強(qiáng)效果。此外，Mn元素作為人體內(nèi)一種必需微量元素，廣泛參與人體的各種生理過程，具有相對較好的生物安全性［19-20］。

Chen等［21-22］將氧化錳納米粒子（MnOx）均勻地分散在空心介質(zhì)氧化硅（SiO2）孔道中，該材料在弱堿性環(huán)境中（pH=7.4）MRI-T1增強(qiáng)效果較低［r1=0.79 L/（mmol·s）］，但在酸性條件下（pH=5.0），MnOx發(fā)生溶解并釋放出Mn（Ⅱ），產(chǎn)生明顯T1增強(qiáng)效果［r1=8.81 L/（mmol·s）］，與中性條件下相比，該材料的r1值可增加近11倍，是臨床常用的Gd（Ⅲ）基造影劑的2倍。此外，空心介質(zhì)SiO2的多孔道性和較大的比表面積使其具有良好的藥物運輸特性?？鼓[瘤藥物鹽酸多柔比星（doxorubicin，DOX）分散在孔道中，可在血液循環(huán)（pH=7.4）中保持穩(wěn)定運輸，抵達(dá)酸性的腫瘤微環(huán)境時，DOX響應(yīng)性釋放，從而賦予pH響應(yīng)型磁共振納米造影劑緩慢藥物釋放的特性［23-24］。

除介質(zhì)SiO2外，多孔性介質(zhì)碳原位負(fù)載MnOx納米粒子也可以用于制備pH響應(yīng)型磁共振納米造影劑。采用氧化還原反應(yīng)方法，將具有氧化性的高錳酸鉀均勻地分散在具有還原性的介質(zhì)碳納米粒子孔道中，原位負(fù)載的MnOx納米粒子對腫瘤組織的弱酸性有響應(yīng)特性：在弱酸性環(huán)境中，MnOx納米粒子裂解，釋放出Mn（Ⅱ），增加了水分子與順磁中心的接觸機(jī)會，從而增強(qiáng)T1信號強(qiáng)度，弛豫率r1從中性條件下的0.2 L/（mmol·s）升高到酸性條件下的10.5 L/（mmol·s），可顯著提高M(jìn)RI-T1增強(qiáng)效果［25］。

二維納米片層材料擁有一系列獨特的優(yōu)勢，如較大的比表面積、優(yōu)異的物理/化學(xué)/生物學(xué)特性及良好的生物相容性。近期研究發(fā)現(xiàn)，二維納米片層材料也能夠?qū)崿F(xiàn)pH響應(yīng)成像。有研究報道，二維無機(jī)金屬二氧化錳（MnO2）納米片在弱酸性、還原性的腫瘤微環(huán)境中可發(fā)生自身溶解，釋放出來的Mn（Ⅱ）能產(chǎn)生明顯的T1增強(qiáng)效果，并克服了無機(jī)非金屬氧化物體內(nèi)難以降解的弊端［26］。此外，MnO2納米片在近紅外光（near infrared，NIR）區(qū)域具有強(qiáng)吸收特性，最大吸收峰位于808 nm，因此還可以作為一種高性能的近紅外光熱劑用于腫瘤的熱消融治療。體內(nèi)、體外實驗均證實這種超薄MnO2納米片可以有效提高磁共振增強(qiáng)效能，并具有良好的光熱治療效果，從而實現(xiàn)腫瘤MRI-T1成像引導(dǎo)下的腫瘤光熱治療［27］。

表面修飾是實現(xiàn)納米顆粒功能化的常用方法。使用具有pH敏感性的官能團(tuán)或表面活性劑對材料表面進(jìn)行修飾，能賦予其在腫瘤酸性環(huán)境中的響應(yīng)功能［28］。除Mn基造影劑外，聚合物、樹狀大分子表面修飾的Gd（Ⅲ）基材料也表現(xiàn)出對腫瘤酸性環(huán)境的敏感性：在酸性環(huán)境中，納米材料形態(tài)改變、水解或質(zhì)子化，改變了鄰近水分子中質(zhì)子弛豫時間，從而實現(xiàn)磁共振增強(qiáng)效果［29-30］。

過渡金屬氧化物，尤其是鐵氧化物，具有較好的生物相容性，在磁共振造影劑研究領(lǐng)域備受關(guān)注［31］。Fe（Ⅲ）具有5個未配對電子，在磁場中會重新排列，并產(chǎn)生較多的凈磁矩干擾局部磁場，造成T1和（或）T2弛豫時間改變，從而實現(xiàn)MRI增強(qiáng)效果［32］。Yang等［33］使用對酸性敏感的膠體包裹氧化鐵納米粒子，在pH＜6.8的腫瘤弱酸性環(huán)境中迅速解體，釋放出氧化鐵納米粒子用于增強(qiáng)MRI-T2成像。

已有研究證實，將鐵氧化物的粒徑減小可以有效地抑制T2增強(qiáng)效果并獲得較高的T1弛豫率，從而增強(qiáng)T1顯像效能。Ling等［34］使用極小氧化鐵納米粒子（ESION）與pH敏感的聚合物相連接，在腫瘤的酸性環(huán)境中觸發(fā)表面電荷反轉(zhuǎn)，原本“自組裝”的納米顆粒解體，并“開啟”MRI功能。研究結(jié)果證實，粒徑小于3 nm的ESION能夠顯著增強(qiáng)MRI-T1成像效果，該體系產(chǎn)生的單線態(tài)氧還可用于殺傷腫瘤細(xì)胞，從而實現(xiàn)pH響應(yīng)下腫瘤成像和治療一體化策略。

3 還原響應(yīng)型磁共振納米造影劑

腫瘤細(xì)胞代謝異常導(dǎo)致腫瘤組織存在較強(qiáng)的還原性，腫瘤細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生過量GSH，是正常細(xì)胞內(nèi)濃度的4倍。腫瘤細(xì)胞內(nèi)的主要還原性物質(zhì)除GSH外，還有Fe（Ⅱ）、硫氧還原蛋白還原酶（thioredoxin reductase，TrxR）和半胱氨酸等［35］。利用腫瘤細(xì)胞還原性的差異設(shè)計的還原響應(yīng)型磁共振納米造影劑，為腫瘤微環(huán)境敏感型磁共振增強(qiáng)顯像提供了新思路。

目前發(fā)現(xiàn)，Mn基的pH響應(yīng)型磁共振納米造影劑大多數(shù)同時具備還原響應(yīng)型的特質(zhì)，這類Mn（Ⅲ）、Mn（Ⅳ）或Mn復(fù)合物在中性條件下能夠保持穩(wěn)定，而在酸性或還原性條件下釋放出Mn（Ⅱ），能顯著增強(qiáng)MRI-T1信號強(qiáng)度。Chen等［36］設(shè)計了pH還原響應(yīng)型MRI-T1和T2造影劑，在二維石墨烯表面生長Fe3O4納米粒子，再利用氧化還原反應(yīng)繼續(xù)生長MnOx，這種納米造影劑在腫瘤的酸性、還原性環(huán)境中釋放Mn（Ⅱ）并暴露出鐵氧顆粒，能顯著增強(qiáng)MRI-T1和T2的成像性能。

二價銅離子（Cu2+）具有一個未成對電子，在還原性條件下Cu（Ⅱ）向Cu（Ⅰ）改變，r1弛豫率也發(fā)生相應(yīng)的變化。根據(jù)這一特點，Dunbar等［37］設(shè)計了基于Cu基復(fù)合物的還原響應(yīng)型磁共振納米造影劑，證實該造影劑在還原性條件下可顯著增強(qiáng)MRI-T1成像效果，并具有還原性敏感型MRI的潛能。

目前研究發(fā)現(xiàn)，利用對還原性條件敏感的化學(xué)鍵可構(gòu)建還原響應(yīng)型造影劑，常用的化學(xué)鍵包括二硫鍵、二硒鍵和琥珀酰亞胺-硫醚鍵等［38-41］。Mu?oz úbeda等［42］使用二硫鍵將介質(zhì)SiO2復(fù)合微球與Gd螯合物相連，二硫鍵在血液循環(huán)中可以保持相對穩(wěn)定，到達(dá)還原性的腫瘤微環(huán)境（GSH）時二硫鍵發(fā)生斷鍵反應(yīng)，釋放出Gd基螯合物用于MRI-T1成像，二硫鍵的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)造影劑的還原響應(yīng)性。Ye等［43］使用二硫鍵連接自組裝的大分子和Gd基納米粒子，在細(xì)胞內(nèi)還原性GSH的作用下，二硫鍵迅速斷裂，暴露出Gd基納米粒子，弛豫率可高達(dá)r1=34.2 L/（mmol·s），與中性環(huán)境中相比r1增加60%，顯著提高了MRI-T1增強(qiáng)效果。

4 酶響應(yīng)型磁共振納米造影劑

腫瘤細(xì)胞的發(fā)生、發(fā)展會導(dǎo)致某些基因過度表達(dá)，從而引起腫瘤微環(huán)境中相應(yīng)酶的表達(dá)和活性改變。研究人員根據(jù)這一特性設(shè)計了酶響應(yīng)型磁共振納米造影劑，用來實現(xiàn)腫瘤微環(huán)境響應(yīng)型成像。

MMP在眾多酶響應(yīng)型納米材料中研究報道最多，其在多種腫瘤基質(zhì)中過度表達(dá)，并促進(jìn)腫瘤的發(fā)展和轉(zhuǎn)移。Ansari等［44］將MMP-14與鐵氧顆粒結(jié)合，使造影劑在腫瘤區(qū)域中選擇性聚集，鐵氧顆粒也可用于腫瘤MRI。

天冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白酶3/7（caspase-3/7）在細(xì)胞凋亡中發(fā)揮重要作用，可以用來評價腫瘤放化療的效果。Ye等［43］以二硫鍵為連接臂，將大分子和Gd納米粒子進(jìn)行“自組裝”，構(gòu)建響應(yīng)型MRI-T1造影劑，在還原性的腫瘤微環(huán)境中二硫鍵斷裂，與caspase-3/7反應(yīng)接觸后的酶促反應(yīng)增加了Gd基與水分子接觸概率，并顯著提高了r1弛豫率。

Westmeyer等［45］設(shè)計出一種對分泌型堿性磷酸酶（secreted alkaline phosphatase，SEAP）敏感的MRI-基因探針，SEAP是一種常見的報告基因，在腫瘤細(xì)胞外液中含量較高，與MRI結(jié)合后可提高診斷的靈敏度和特異度。該探針以金屬卟啉Mn（Ⅲ）為核心，在其表面修飾親水性基團(tuán)，當(dāng)載體通過增強(qiáng)滲透性和保留（enhanced permeability and retention，EPR）效應(yīng)聚集在腫瘤組織中，親水性基團(tuán)被SEAP的酶促反應(yīng)降解，變?yōu)槭杷缘膱F(tuán)聚物，通過親水-疏水的變化來增強(qiáng)MRI-T1成像效果。

二硫化物異構(gòu)酶具有氧化還原酶和催化形成二硫鍵的活性，可作為早期發(fā)現(xiàn)氧化應(yīng)激反應(yīng)的標(biāo)志物，Loving等［46］將Gd基螯合物與纖維蛋白標(biāo)記的多肽結(jié)合，構(gòu)建靶向二硫鍵的磁共振造影劑，當(dāng)該造影劑與二硫化物異構(gòu)酶接觸時形成新的二硫鍵。因此，該造影劑對二硫化物異構(gòu)酶含量較高的氧化應(yīng)激反應(yīng)具有T1成像效果，同時r1弛豫率增加70%。

5 腫瘤微環(huán)境響應(yīng)型磁共振納米造影劑目前存在的問題及發(fā)展方向

目前，腫瘤微環(huán)境響應(yīng)型磁共振納米造影劑仍處于初步研究階段，存在以下幾點問題亟待解決：一是需進(jìn)一步提高腫瘤微環(huán)境響應(yīng)型磁共振納米造影劑對不同腫瘤的特異性，如多肽、抗體等一系列主動靶向腫瘤的配體應(yīng)用或能增強(qiáng)其腫瘤特異性結(jié)合能力；二是需提高造影劑在體內(nèi)弛豫率，并且減少磁化偽影，這需要納米材料和MRI技術(shù)的進(jìn)步作為支撐；三是需明確納米造影劑的藥代動力學(xué)并解決其生物相容性問題，包括生物降解性、細(xì)胞毒性、體內(nèi)分布和排泄等。只有深入系統(tǒng)地對納米造影劑的安全性進(jìn)行評價，并在不同動物模型中證明其安全性，納米造影劑才有機(jī)會應(yīng)最終用于臨床。

盡管腫瘤微環(huán)境響應(yīng)型磁共振納米造影劑還存在一些問題，但隨著納米醫(yī)學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，此類問題有望逐步解決。

綜上所述，腫瘤微環(huán)境響應(yīng)型磁共振納米造影劑巧妙地利用腫瘤微環(huán)境獨特的內(nèi)在因素，可實現(xiàn)腫瘤的特異性成像。與傳統(tǒng)磁共振造影劑相比，能夠有效地解決磁共振造影劑敏感性較低的問題。隨著新型腫瘤微環(huán)境響應(yīng)型磁共振造影劑研究的不斷深入，有望為腫瘤的早期診斷和治療提供新的手段。