CT納米造影劑的腫瘤診斷研究進(jìn)展

郭晉綱，張曉麗，鄭永明，莊坤，王東新

1.山西省腫瘤醫(yī)院 核醫(yī)學(xué)科，山西 太原 030013；2.山西煤炭中心醫(yī)院 婦產(chǎn)科，山西 太原 030008；3.山西醫(yī)科大學(xué) 公共衛(wèi)生學(xué)院，山西 太原 030010

引言

上個世紀(jì)前葉，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)碘溶液可以在X射線照射下使膠片顯影，即碘溶液具有吸收X射線的特性。因此，醫(yī)學(xué)家們利用碘的特性制成了專用于醫(yī)學(xué)放射檢查的造影劑。初期的造影劑，是離子型造影劑，其中的碘是以離子方式存在于溶液中。自由移動的碘離子，非常容易與血管壁接觸，當(dāng)人體血管壁或其他組織的細(xì)胞對碘過敏時，使用造影劑者就會發(fā)生過敏反應(yīng)。為了減少碘過敏反應(yīng)的發(fā)生，醫(yī)學(xué)工作者經(jīng)過不斷的探索，發(fā)現(xiàn)如果將游離的碘離子用一些特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)包裹起來，就像人們把很黏的物體用紙包裹起來以免粘手一樣，離子碘就變成了非離子碘，這樣它就很難再與血管壁或組織細(xì)胞接觸，這種造影劑稱為非離子造影劑。

增強(qiáng)掃描的時候，需要在患者的靜脈內(nèi)注入大量的造影劑。一般來說造影劑對人體是安全的。但是由于人體的個體差異性，在特定的情況下，有些人會對造影劑會產(chǎn)生一些不良反應(yīng)，包括過敏反應(yīng)及神經(jīng)毒性、血管毒性、腎毒性等，其中過敏反應(yīng)是最常見的。過敏反應(yīng)根據(jù)輕重程度，可分為輕、中、重度。

輕度過敏反應(yīng)：發(fā)生率為3%～4%，主要表現(xiàn)為皮膚發(fā)紅、蕁麻疹、惡心、頭暈、喉嚨發(fā)熱發(fā)癢、打噴嚏。中度過敏反應(yīng)：發(fā)生率為1%～1.5%，主要表現(xiàn)為全身大量蕁麻疹、輕微喉頭水腫、血壓一過性下降等。重度過敏反應(yīng)：很少見，發(fā)生率僅為0.01%～0.05%，主要表現(xiàn)為血壓明顯下降，休克，嚴(yán)重的氣管、支氣管水腫痙攣，嚴(yán)重的喉頭水腫，甚至可能引起死亡。非離子型造影劑的不良反應(yīng)率明顯低于離子型造影劑的不良反應(yīng)率，現(xiàn)代新型非離子型造影劑不良反應(yīng)的發(fā)生率更低。

一般來說，離子型造影劑在使用之前全部需要做過敏試驗。非離子型造影劑相對來說，比較安全。按照我國最新頒布的藥典規(guī)定，這些造影劑在注射之前無需做過敏試驗。但也有部分非離子型造影劑在使用說明書上，還是說明需要做過敏試驗。對于那些有碘過敏史的人，雖非絕對禁忌癥，但注射時需非常謹(jǐn)慎。所以，為保險起見，醫(yī)生通常會按絕對禁忌癥處理。有高危因素的老年人、幼兒，患支氣管哮喘、心臟或肝腎功能不全、甲狀腺功能亢進(jìn)等疾病者，或病人血清肌酐超過3 mg/dL時也需慎用。一般病人做完造影后宜觀察1 h，因偶有過敏反應(yīng)延遲發(fā)生者。

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)目前還沒有能力完全避免造影劑對人體的傷害。我國有關(guān)醫(yī)療法規(guī)均要求，醫(yī)療機(jī)構(gòu)的CT室要有健全的針對造影劑副作用的救治體系。正規(guī)醫(yī)療部門的CT檢查室，應(yīng)具備完善的急救設(shè)施，相關(guān)醫(yī)護(hù)人員也應(yīng)具備良好的技術(shù)培訓(xùn)和豐富的搶救經(jīng)驗，以確?；颊咴诔霈F(xiàn)過敏反應(yīng)時，能在最短時間內(nèi)得到積極正確的救治，以最大限度保證患者的生命安全[1]。

如果注射的造影劑是碘普羅胺注射液，水腫則是該藥的不良反應(yīng)之一。靜脈注射造影劑有關(guān)的不良反應(yīng)通常是輕微至中等程度而且是暫時的，但嚴(yán)重反應(yīng)，甚至致命性的反應(yīng)也曾被報告過。惡心、嘔吐、紅斑、疼痛和溫?zé)岣惺亲畛Ｒ姷姆磻?yīng)，溫?zé)岣谢驉盒母锌梢酝ㄟ^減慢注射速率，或暫停注射來改善。其它可能發(fā)生的癥狀是：寒顫、發(fā)熱、出汗、頭痛、暈眩、面色蒼白、虛弱、窒息感、喘氣、血壓升高或降低、蕁麻疹、各類皮疹、水腫、痙孿、發(fā)抖、噴嚏和流淚。

隨著生物納米技術(shù)的發(fā)展，基于納米探針的CT造影劑有望改善上述缺點[2-4]。納米顆粒的尺寸小，與生物分子大小匹配，可作為造影劑來探測體內(nèi)的病理，還可設(shè)計能操縱生物功能的納米探針[5]。目前對納米造影劑靶向輸送到腫瘤部位的研究主要有兩類：一是利用腫瘤附近的新生血管對10～400 nm的納米顆?？蓾B透和滯留到腫瘤組織附近[6]，達(dá)到被動靶向輸送納米探針的途徑，即腫瘤新生血管的高通透性和滯留效應(yīng)；另一類是利用腫瘤新生血管過表達(dá)血管內(nèi)皮生長因子，以及腫瘤細(xì)胞與正常細(xì)胞的細(xì)胞膜上一些小分子、多肽、蛋白、適配體或抗體的受體等的表達(dá)不同，在納米造影劑表面偶聯(lián)或吸附適當(dāng)?shù)目贵w或配體[7]（如抗血管內(nèi)皮生長因子[8-9]、RGD[10-11]、葉酸[12]、半乳糖[13]、磺胺[14]、促黃體激素釋放激素[15]等），可將納米載體特異性的靶向到腫瘤部位，加強(qiáng)腫瘤細(xì)胞對納米造影劑的內(nèi)吞，使其能更好的定位于腫瘤組織，對癌變區(qū)域成像。納米造影劑在成像診斷技術(shù)中的應(yīng)用研究成為熱點。

1 CT納米造影劑的研究熱點

目前，CT納米造影劑的研究主要集中在以下幾個方面。

（1） 瘤轉(zhuǎn)移是造成腫瘤致死的主要原因之一，已有大量研究試圖解決這一問題，有鑒于此，Gilam等報道了通過納米技術(shù)輔助miRNA防止乳腺癌轉(zhuǎn)移的最新成果。miRNA作為一種有效的基因表達(dá)調(diào)控因子，對于防止和杜絕腫瘤轉(zhuǎn)移具有重要作用。研究發(fā)現(xiàn)[16]，在含鈀蛋白內(nèi)部，一種常見的核苷酸多態(tài)性（rs1071738）就能破壞miR-96或miR-182結(jié)合位點處的miRNA: miRNA結(jié)合作用，從而通過這些miRNA減弱含鈀蛋白的調(diào)控作用，減少乳腺癌細(xì)胞的遷移和擴(kuò)散。以小白鼠為模型體系，研究人員利用一種水凝膠包覆的Au納米顆粒作為靶向輸送平臺，實現(xiàn)了miR-96或miR-182在腫瘤部位的局部、選擇性、持續(xù)性釋放，極大地抑制了乳腺癌的轉(zhuǎn)移。進(jìn)一步，在釋放miRNA的同時，還靶向控釋一種順鉑化療藥物，一邊縮小腫瘤，一邊防止轉(zhuǎn)移。這項研究結(jié)果表明，miR-96或miR-182有望作為抵抗腫瘤轉(zhuǎn)移的藥物。

（2）將碘通過化學(xué)手段修飾到納米載體上制備成碘的納米造影劑。合成一種新型納米CT造影并對其樣本進(jìn)行表征。研究CT造影劑的毒性，同時研究該造影劑在小鼠體內(nèi)分布和代謝情況。為其臨床應(yīng)用提供可行性依據(jù)。

（3）尋找新的材料代替碘。大量的研究表明，將碘共價偶聯(lián)到有機(jī)高分子（如樹枝狀聚合物[16]等）上或負(fù)載在一些生物材料（如脂質(zhì)體、明膠等）上，制成納米造影劑來提高其在靶組織附近的聚集，從而增強(qiáng)顯影。但是該方法無法從根本上解決碘的腎臟毒性和碘劑過敏患者限用等問題。另外研究發(fā)現(xiàn)Au對X射線的吸收系數(shù)遠(yuǎn)大于碘，且造影效果好[17]，故其作為CT造影劑具有良好的應(yīng)用前景[18]，但由于其造價較高，增加了檢測的成本，不利于推廣。

相對于碘的高分子聚合物和金納米材料，易于制備和廉價等優(yōu)點的納米氧化鎢用作CT造影劑的材料引起人們的關(guān)注[19-20]。研究表明氧化鎢納米顆粒對X射線具有較高的光衰減能力，遠(yuǎn)大于碘對X射線的吸收系數(shù)，這為氧化鎢納米顆粒作為CT造影劑來提高檢測靈敏度提供理論依據(jù)。Huo等[20]使用氧化鎢納米顆粒作為CT造影劑，對荷瘤小鼠和兔子的淋巴組織進(jìn)行了研究，結(jié)果表明氧化鎢納米顆粒的CT成像靈敏度高于分子碘造影劑。體外MTT實驗表明聚乙二醇（Polyethylene Glycol，PEG）修飾后的氧化鎢無細(xì)胞毒性，這些研究結(jié)果為氧化鎢納米顆粒作為CT造影劑用于疾病的診斷檢測提供了有力的實驗依據(jù)，同時也表明通過CT成像可以跟蹤氧化鎢納米顆粒在體內(nèi)的行為。納米顆粒與蛋白或具有生物活性的配體偶聯(lián)，能提高它們的穩(wěn)定性和細(xì)胞吸收的有效性[21]，適合偶聯(lián)納米顆粒的葉酸，是一種維生素小分子，主要通過葉酸受體介導(dǎo)途徑運送到細(xì)胞內(nèi)[12]。葉酸受體在多種人體腫瘤細(xì)胞表面過表達(dá)[22]，如乳腺癌、卵巢癌、子宮內(nèi)膜癌等，葉酸-葉酸受體專一性結(jié)合已成為一種有效的藥物轉(zhuǎn)運途徑，其介導(dǎo)納米顆粒的運輸廣為研究，包括量子點、碳納米管、磁性納米粒子、金納米以及多孔硅納米顆粒等[23-27]，都證明葉酸修飾后的納米顆粒具有腫瘤靶向性。而對于葉酸偶聯(lián)的氧化鎢基納米顆粒靶向腫瘤CT診斷的還未見報道。

2 CT納米造影劑的研究目標(biāo)

近年來，納米醫(yī)藥和CT納米造影劑在癌癥的診斷和治療中取得了較大的進(jìn)展，也存在一些重大議題亟待解決，譬如腫瘤生物學(xué)中的復(fù)雜性和多相性，對納米-生物相互作用機(jī)理的理解不夠深入，以及化學(xué)、制造、臨床轉(zhuǎn)化、商業(yè)化等問題。鑒于此，F(xiàn)arokhzad課題組綜述了癌癥納米藥物近年來的進(jìn)展，挑戰(zhàn)與機(jī)遇，著重討論了如何深入理解腫瘤生物學(xué)和納米-生物相互作用，從而發(fā)展更加有效的癌癥治療納米技術(shù)[28]。

納米技術(shù)在腫瘤治療和顯像中的主要優(yōu)勢在于：① 通過增強(qiáng)效率或者降低毒性，提高藥物治療指數(shù)；② 對組織，細(xì)胞或者細(xì)胞器官特異性的靶向輸送；③ 增強(qiáng)治療性分子的藥學(xué)特性，譬如穩(wěn)定性、溶解性、循環(huán)半周期以及腫瘤富集性能；④ 持續(xù)性的或刺激引發(fā)的藥物釋放；⑤ 有利于生物大分子藥物（譬如DNA、siRNA、mRNA和蛋白質(zhì)等）向細(xì)胞外活性位點的傳遞；⑥ 通過對各種藥物的時空暴露以及輸送藥物的比例進(jìn)行更準(zhǔn)確的控制，實現(xiàn)多種藥物的共同傳遞，增強(qiáng)治療效果，并避免抗藥性；⑦ 藥物經(jīng)過胞吞轉(zhuǎn)運作用可穿透緊密的上皮和內(nèi)皮障礙；⑧ 癌癥診斷和成像更加靈敏；⑨ 通過對治療藥物和成像的結(jié)合，使藥物輸送位點可視化，可對體內(nèi)治療藥劑的效果進(jìn)行實時反饋；⑩ 為合成疫苗提供新方法；? 用于癌癥診斷，藥物篩選和遞送的器件更加微型化；? 部分金或氧化鐵等納米材料本身具有刺激響應(yīng)的治療特性。

納米線的導(dǎo)電、導(dǎo)熱以及力學(xué)性能都堪稱一絕。但是金屬或金屬氧化物納米線的制備方法向來就不簡單，要么就是需要苛刻的控制條件，要么就是價格昂貴，極大地限制了其實際應(yīng)用。鑒于此，Lei等[29]報道了一種簡單的氧化物納米線批量制備技術(shù)，在不需要催化劑或者外部條件的情況下，直接將體相的合金材料轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸锛{米線。

研究人員首先通過醇溶劑從微米級Al或Mg合金顆粒中析出Li元素，得到具有高度反應(yīng)活性的Al或Mg原子，從而形成烷氧化物納米線，再經(jīng)過高溫處理，最終得到氧化物納米線。據(jù)此，研究人員開發(fā)了一種基于Al2O3納米線的分離器，對提高鋰離子電池的安全性起到重要作用[30]。

3 CT納米造影劑解決的關(guān)鍵問題

癌癥的早診斷和治療要想達(dá)到最佳效果，必須將正確的藥物（或顯像劑）輸送到正確的腫瘤部位，并僅僅在局部產(chǎn)生殺傷力，而對人體產(chǎn)生最小的副作用。因此，如何將診斷與治療有效結(jié)合，是癌癥治療的重中之重。近年來，隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展，一系列新興的納米診療技術(shù)平臺為癌癥治療提供了新的思路和希望。鑒于此，范旭等[18]就納米診療技術(shù)在癌癥治療領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了仔細(xì)的梳理和深入的討論。

傳統(tǒng)的納米診療試劑同時具有診斷和治療的功效，而新研發(fā)的一些單獨的納米診斷試劑和納米治療試劑也表現(xiàn)出特殊的納米診療效果。為了增強(qiáng)納米顆粒的藥物性，納米診療試劑往往會披上一層防垢的外衣，或者連接一些配體，用于主動標(biāo)靶。在納米診療試劑中，納米藥物往往具有成像功能。

隨著藥物靶向傳遞、藥物釋放、靶向成像、后處理，納米-生物相互作用、生物毒性等議題研究的不斷深入，納米診療技術(shù)在癌癥治療中扮演著越來越重要的地位，部分納米診斷試劑已經(jīng)實現(xiàn)了臨床轉(zhuǎn)化。另外，腫瘤的特性對不同尺寸納米顆粒在腫瘤細(xì)胞內(nèi)的行為起到重要影響作用。血管的動態(tài)破裂、血流速度等等影響，都關(guān)系著納米顆粒和腫瘤細(xì)胞的相互作用，影響納米顆粒在腫瘤部位的富集、在血液中的循環(huán)、從體內(nèi)排除析出等一系列問題。

4 CT納米造影劑的使用和展望

使用靶向氧化鎢基納米顆粒作為CT造影劑為腫瘤的早期診斷有效的方法，是一項利國利民的事，加強(qiáng)對此方面的研究和開發(fā)必將給民族企業(yè)帶來越來越多的經(jīng)濟(jì)利益，并對人類的健康做出重要貢獻(xiàn)。一般而言CT球管平均壽命為30萬秒，每個球管售價在100萬元人民幣以上，最大化的利用CT球管，有利于節(jié)約醫(yī)療成本，控制CT球管的曝光時間很有必要，這能直接減少CT球管更換次數(shù)，使用靶向氧化鎢基納米顆粒作為CT造影劑可降低設(shè)備球管的曝光時間有利的節(jié)約了醫(yī)療成本及維修金額，節(jié)省了科室、醫(yī)院的成本支出。

納米技術(shù)診斷和治療癌癥，已產(chǎn)生許多的成果，并幫助傳統(tǒng)的癌癥治療技術(shù)實現(xiàn)了一些突破性進(jìn)展。雖然如此，納米診療技術(shù)仍然有很長的路要走，如何實現(xiàn)納米診療試劑的批量生產(chǎn)、如何進(jìn)行長期的生物毒性評估與生命周期管理，都是納米診療技術(shù)全面進(jìn)入臨床和實用，并實現(xiàn)個性化治療的關(guān)鍵[31]。

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