磁共振納米對(duì)比劑在癲癇灶定位中的應(yīng)用

杜成娟 張 軍

癲癇是最常見的腦功能障礙性疾病之一，其一般的治療方式是服用抗癲癇藥物，但是大約有20%～30%的癲癇患者因?yàn)閷?duì)藥物療效不佳而發(fā)展為難治性癲癇[1]。顳葉癲癇（temporal lobe epilepsy，TLE）是最常見的成人難治性癲癇，對(duì)于這部分患者而言，手術(shù)切除致癇灶是減少癲癇發(fā)作頻率和改善患者生活質(zhì)量的有效方法[2]，而患者的預(yù)后又依賴于術(shù)前對(duì)致癇灶的精確定位，以盡可能減少對(duì)周圍正常腦組織的切除[3]。雖然腦電圖（electroencephalography，EEG）仍然是臨床診斷癲癇的首選方法，但其無法精確定位致癇灶。磁共振成像因其對(duì)腦和軟組織分辨率高、多種成像參數(shù)以及無電離輻射等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為神經(jīng)系統(tǒng)疾病診斷的首選影像工具。然而常規(guī)MRI難以達(dá)到對(duì)病灶的準(zhǔn)確診斷，因此常使用對(duì)比劑來提高病灶與周圍正常組織的對(duì)比度，從而精確診斷疾病。隨著納米科技的發(fā)展，納米對(duì)比劑也越來越多應(yīng)用于磁共振成像中。

磁共振納米對(duì)比劑概述

1.T1-MR對(duì)比劑研究進(jìn)展

1.1釓基納米粒子：磁共振成像中最常用的T1-MR對(duì)比劑是釓基納米粒子，即釓的螯合物，因其具有順磁性。目前常用的釓基納米探針有Gd2O3、GdF3、GdPO4及 NaGdF4等[4-5]。例如有研究使用NaGdF4納米粒子和上轉(zhuǎn)換納米顆粒（upconversion nanopraticles，UCNPs）在高溫下反應(yīng)形成核殼結(jié)構(gòu)，再嫁接具有雙靶向功能的多肽Angiopep-2，同時(shí)藕聯(lián)有機(jī)熒光素5-氨基乙酰丙酸（5-ALA），形成最終的雙模態(tài)納米探針（記為ANG/PEG-UCNPs），其不僅可以通過受體介導(dǎo)的方式高效穿過血腦屏障，并且可以特異性地靶向腦膠質(zhì)瘤細(xì)胞，從而進(jìn)行術(shù)前T1-MR成像和術(shù)中上轉(zhuǎn)換發(fā)光成像（UCL），對(duì)膠質(zhì)瘤的臨床手術(shù)切除有重要指導(dǎo)意義[6]。

臨床上釓基納米粒子雖然使用廣泛，但是有其缺點(diǎn)，如血液半衰期較短，無法進(jìn)行特異性成像，并且臨床用釓劑有引起腎源性系統(tǒng)性纖維化（nephrogenic systemic fibrosis，NSF）的風(fēng)險(xiǎn)，尤其是對(duì)于腎功能較差的患者[7]。目前在癲癇定位中也較少使用釓基納米粒子對(duì)比劑。

1.2錳基納米粒子：另一類常用作T1-MR對(duì)比劑的是錳基納米粒子，主要是指氧化錳納米粒子，其于2007年被首次報(bào)道用于腦部疾病磁共振成像，之后便有大量研究致力于提高M(jìn)nO納米粒子的弛豫率和生物相容性，以便更好地應(yīng)用于影像診斷。例如有研究報(bào)道通過一鍋法制備的親水性PEG-MnO納米粒子，T1弛豫率可以達(dá)到12.942 s-1mM-1，并且具有較高的生物安全性，再嫁接靶向分子后，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)腎癌的特異性診斷[8]。另外，將MnO納米顆粒和香豆素-545T同時(shí)包裹在介孔二氧化硅里，制備出熒光-MR雙模態(tài)成像對(duì)比劑，納米探針和葉酸結(jié)合后，還可以靶向富集到葉酸受體陽性的腫瘤部位，同時(shí)可以利用腫瘤微環(huán)境的弱酸性特點(diǎn)，觸發(fā)錳離子釋放進(jìn)行pH響應(yīng)型T1-MR成像[9]。雖然錳基納米探針在腫瘤成像中有較多的應(yīng)用，但是目前在難治性癲癇中還未曾使用過錳基納米探針進(jìn)行致癇灶的定位。

1.3鐵基納米粒子：鐵基納米粒子通常是作為T2-MR對(duì)比劑，但是當(dāng)鐵基納米顆粒的粒徑＜5nm時(shí)，便可以作為T1-MR對(duì)比劑[10]，通過合成不同粒徑的鐵納米粒子，還發(fā)現(xiàn)3.6nm粒徑的四氧化三鐵納米顆粒有最好的T1-MR成像效果[11]。已經(jīng)有多篇文獻(xiàn)報(bào)道超小鐵基納米顆粒用于T1-MR影像診斷[12-13]，例如通過熱分解法首先合成超小四氧化三鐵鐵納米粒子，用聚乙二醇進(jìn)行親水性改性后，嫁接靶向配體RGD，可以進(jìn)行肝癌的特異性陽性MR成像，并且T1弛豫率高達(dá)7.18 s-1mM-1[14]。

2.T2-MR對(duì)比劑研究進(jìn)展

磁共振成像中常用的T2-MR對(duì)比劑是氧化鐵納米粒子（superparamagnetic iron oxide nanoparticles，SPIONs），根據(jù)粒子的尺寸大小不同，總共分為三種類型，分別是尺寸在50nm以 下 的 USPIO（ultrasmall superparamagnetic iron oxide）、尺寸在幾百納米左右的SPIO（superparamagnetic iron oxide）和尺寸到達(dá)微米的 MPION（micrometer-sized paramagnetic iron oxide），目前常用于磁共振成像的鐵基納米粒子是SPIO，其用聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）改性后在表面嫁接不同的靶向配體，還可以達(dá)到在病灶的特異性富集和MR成像。例如有研究人員通過使用不同功能團(tuán)（苯鄰二酚、二磷酸、 異羥肟酸）修飾Fe3O4納米顆粒，最后證實(shí)異羥肟酸-聚乙二醇修飾的Fe3O4的成像效果最好[15]。與傳統(tǒng)的釓基納米對(duì)比劑相比，SPIONs具有許多重要優(yōu)勢(shì)，如粒子磁性可因粒徑大小而控制、表面易改性、生物相容性好[16]、具有較長的血液循環(huán)半衰期等[17]。在癲癇定位的影像診斷中，磁性氧化鐵納米粒子的應(yīng)用也是最多的，嫁接特定的靶向短肽后可以達(dá)到在致癇灶的最大化富集，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)致癇灶的特異性成像，因此后文也主要圍繞鐵基納米粒子在癲癇定位中的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

3.T1-T2 雙模對(duì)比劑研究進(jìn)展

單模態(tài)的T1-MR或者T2-MR對(duì)比劑都各有其不足，因此T1-T2雙模態(tài)對(duì)比劑就在人們的需求下應(yīng)運(yùn)而生。雙模態(tài)的對(duì)比劑分兩種，一種是磁性納米粒子同時(shí)具有陽性和陰性磁共振成像效果，另外一種是磁性納米粒子和釓基或者錳基納米粒子結(jié)合，構(gòu)成雙模態(tài)的對(duì)比劑。例如，通過高溫共沉淀法合成粒徑在3.3nm左右的超小磁性氧化鐵納米粒子（ultrasmall magnetic iron oxide nanoparticles，UMIONs），該納米粒子在4.7T的磁場(chǎng)下T1弛豫率高達(dá)8.3 s-1mM-1，同時(shí)T2弛豫率有35.1 s-1mM-1，體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)均證明其有良好的陽性和陰性MR成像效果。另一項(xiàng)研究中使用Fe3O4/MnO雜化納米晶體，由Fe3O4進(jìn)行T2-MR成像，MnO進(jìn)行pH響應(yīng)型T1-MR成像，實(shí)現(xiàn)了單一對(duì)比劑無法達(dá)到的對(duì)肝癌的準(zhǔn)確診斷[18]。

鐵基納米探針在癲癇灶定位中的應(yīng)用

1.基于致癇灶腦組織代謝成像

研究人員首先合成了一種磁性納米粒子（magnetonanoparticles，MNP），由氧化鐵納米粒子作為核心和葡聚糖包被，再共價(jià)連接非放射性α-甲基色氨酸（Nonradioactive alpha methyl tryptophan，AMT）作為配體，因?yàn)樵撆潴w可以特異性地被癲癇發(fā)生區(qū)腦組織以受體介導(dǎo)的方式攝取。作者將該MNP從尾靜脈注射入大鼠癲癇模型體內(nèi)，以沒有偶聯(lián)AMT的納米粒子作為對(duì)照組，通過在MRI上觀察兩組實(shí)驗(yàn)中的大鼠單側(cè)和雙側(cè)大腦的對(duì)比劑攝取差異，發(fā)現(xiàn)這種納米粒子不僅可以穿過血腦屏障，而且實(shí)現(xiàn)了對(duì)大鼠致癇灶的準(zhǔn)確勾畫，該方法首次實(shí)現(xiàn)了利用MRI進(jìn)行基于配體的成像，并且作者認(rèn)為這種方法適用于任何生物活性分子基于配體磁共振成像以發(fā)現(xiàn)大腦功能異常區(qū)[19]。

研究發(fā)現(xiàn)，癲癇患者大腦皮質(zhì)中無氧糖酵解率大幅增加[20]，因此可以將非放射性糖酵解抑制劑2-脫氧葡萄糖（non-radioactive 2-deoxy glucose，2DG）偶聯(lián)到磁性納米粒子（magnetonanoparticles，MNP）上合成2DG-MNPs，然后將其分別在發(fā)作間期和發(fā)作期注入癲癇大鼠模型中，通過對(duì)比注射前和注射后的磁共振圖像發(fā)現(xiàn)，該納米粒子能夠穿過血腦屏障，并且在發(fā)作期聚集到致癇區(qū)域，與用放射性核素14C-2DG行正電子發(fā)射掃描（positron emission tomography，PET）檢查的結(jié)果一致，作者認(rèn)為，這種方式定位癲癇灶在任何有MRI設(shè)備的機(jī)構(gòu)均可進(jìn)行，比用PET檢查更經(jīng)濟(jì)和方便，并且2DGMNPs對(duì)比劑的儲(chǔ)存更持久和簡便[21]。

2.基于致癇灶過表達(dá)的P-糖蛋白成像

難治性癲癇的主要原因是致癇區(qū)P-糖蛋白（P-glycoprotein，P-gp）的過度表達(dá)，其可以將抗癲癇藥物泵出血腦屏障外，減少病灶區(qū)的有效藥物濃度[1]。同時(shí)也是由于致癇區(qū)P-糖蛋白的大量表達(dá)，可以合成一種能夠特異性靶向血腦屏障處P-糖蛋白的多模態(tài)超順磁性氧化鐵納米探針（該探針記為SPION-PA），這種納米粒子偶聯(lián)了對(duì)P-糖蛋白有特異性親和力的短肽Pepstatin A，再嫁接IR783熒光探針，可以同時(shí)對(duì)大鼠海倫酸模型進(jìn)行T2-MR和活體光學(xué)成像，為難治性癲癇的早期分子成像和癲癇患者腦部P-糖蛋白過表達(dá)分子機(jī)制的揭示提供了思路[22]。

3.基于致癇灶高磁場(chǎng)成像

電流通過導(dǎo)線時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，同樣電流在神經(jīng)纖維中傳播也會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，而在癲癇患者腦功能異常部位由于神經(jīng)元過度放電，則會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)度較高的磁場(chǎng)[23]。除了利用腦磁圖測(cè)量這種神經(jīng)元興奮所伴隨的磁場(chǎng)變化外，利用磁性納米粒子在磁場(chǎng)中會(huì)聚集到致癇灶的特性，同樣可以在MRI上看到信號(hào)強(qiáng)度變化[24]。因此，在癲癇發(fā)作期，注射入體內(nèi)的超順磁性納米粒子（superparamagnetic nanoparticles，SPMNs）由于病灶部位神經(jīng)元的高電場(chǎng)和高磁場(chǎng)性而大量聚集，在癲癇發(fā)作間期則立即使用磁共振設(shè)備進(jìn)行顯像，Maysam等利用這一原理實(shí)現(xiàn)了在低場(chǎng)強(qiáng)的條件下對(duì)致癇灶的精確定位[25]。另一項(xiàng)研究中，使用超順磁性納米粒子作為傳感材料，利用MR磁場(chǎng)使其穿過血腦屏障聚集到大腦磁場(chǎng)異常區(qū)域，同樣可以定位致癇灶[26]。

4.基于骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成像

因骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）強(qiáng)大的多能性和可忽略的免疫原性，多篇報(bào)道顯示其對(duì)治療顳葉癲癇再發(fā)作有重要的潛在價(jià)值[27-28]。在體外先用USPIONs標(biāo)記BMSCs，然后將細(xì)胞從右側(cè)腦室注射入TLE大鼠模型，再利用MRI進(jìn)行細(xì)胞追蹤，他們發(fā)現(xiàn)在MR圖像上可以看到明顯的USPIONs的黑色信號(hào)從右側(cè)腦室一直遷移到大鼠海馬區(qū)，即致癇灶區(qū)，作者表示這是第一次實(shí)現(xiàn)了利用MRI觀察用USPIONs標(biāo)記的BMSCs在大鼠中的可視化追蹤，證明了USPIONs標(biāo)記對(duì)定位致癇灶的重要價(jià)值[29]。

5.基于致癇灶炎癥細(xì)胞成像

研究發(fā)現(xiàn)，炎癥可能參與了癲癇發(fā)作，因?yàn)樵诎d癇患者腦組織中，癲癇發(fā)生區(qū)有大量炎癥細(xì)胞浸潤，如巨噬細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞[30]，因此有研究人員就利用氟硼熒（boron-dipyrromethene，BODIPY）標(biāo)記氧化鐵納米粒子，形成非功能化的磁性氧化鐵納米粒 子（nonfunctionalized magnetic nanoparticles，MNPs）后，將其注射入癲癇小鼠模型，該納米粒子被病灶周圍活化的免疫細(xì)胞攝取后可以同時(shí)進(jìn)行MR和光學(xué)成像，不僅可以在術(shù)前精確定位致癇灶，也為進(jìn)一步揭示炎癥在癲癇發(fā)作中的機(jī)理提供了幫助[31]。明確炎癥在癲癇發(fā)作中的作用對(duì)于抗炎治療可以控制癲癇發(fā)作的患者來說至關(guān)重要[32]。癲癇發(fā)生區(qū)活化的炎癥細(xì)胞如星形膠質(zhì)細(xì)胞還會(huì)表達(dá)白介素-1β（IL-1β），因此有文獻(xiàn)報(bào)道，利用聚乙二醇化后的SPIONs耦合抗白介素-1β單克隆抗體合成anti-IL-1βmAb-SPIONs，其不僅可以穿越血腦屏障，利用受體介導(dǎo)的胞吞方式在致癇灶特異性聚集，在MRI上清楚地勾畫致癇灶，而且可以改善IL-1β在致癇區(qū)域積累，達(dá)到同時(shí)診斷-治療難治性癲癇的效果[33]。

總結(jié)和展望

致癇灶的精確定位對(duì)外科醫(yī)生確定病灶切除范圍至關(guān)重要，盡可能地減少對(duì)周圍正常腦組織的損害是定位致癇灶的主要目的。雖然腦電圖仍然是癲癇檢出最常用的手段，但是利用納米影像探針從細(xì)胞水平和分子水平上定位致癇灶具有重要的意義，隨著對(duì)納米粒子的不斷深入研究和制備，相信納米科技和神經(jīng)影像的結(jié)合在揭示癲癇患者腦部功能活動(dòng)和結(jié)構(gòu)變化上會(huì)有越來越重要的作用，例如可以將釓基納米探針用于癲癇定位的T1-MR成像，而釓基和鐵納米探針可以結(jié)合起來，達(dá)到對(duì)致癇灶的T1和T2-MR雙模態(tài)成像，不僅可以提高致癇灶的檢出率，同時(shí)為發(fā)現(xiàn)癲癇發(fā)生區(qū)新的生物靶點(diǎn)做出貢獻(xiàn)，未來利用這些定位手段會(huì)幫助外科醫(yī)生精確勾畫難治性癲癇患者致癇灶切除范圍，盡可能保證術(shù)后患者不再有癲癇發(fā)作。