核磁共振成像造影劑的發(fā)展現(xiàn)狀

于兆臻，黃建雨，周贊民，李曉偉

(山東理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,山東 淄博 255049)

1 核磁共振成像

1.1 核磁共振成像的原理

磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，即MRI)，是利用生物磁自旋成像的一種斷層成像技術(shù)。其成像原理為做自旋運(yùn)動(dòng)的原子核在外加磁場(chǎng)下被射頻脈沖激發(fā)后會(huì)產(chǎn)生信號(hào)，該信號(hào)被捕捉檢測(cè)后經(jīng)電腦的進(jìn)一步處理可轉(zhuǎn)化為屏幕上顯示的圖像[1-2]。目前多組織的MRI信號(hào)源首選為氫原子核，因?yàn)樗鼘?duì)磁共振的靈敏度比較高，信號(hào)也比較強(qiáng)，而且氫原子本身遍布人的全身。而在人體組織的成像中，核磁共振成像最多是是使用以下幾個(gè)參數(shù)間的差異成像：不同組織之間的參數(shù)差異以及正常組織與這個(gè)組織中的病變部分之間的參數(shù)差異[3]。氫原子核帶有正電，且會(huì)進(jìn)行自旋，它的自旋軸的排列一般是沒(méi)有規(guī)律的，但它的自旋軸在外加磁場(chǎng)的作用下可以逐漸過(guò)渡到有序狀態(tài)并最終達(dá)到平衡狀態(tài)。在此狀態(tài)下，如果核自旋系統(tǒng)受到射頻脈沖的激發(fā)，就會(huì)引起共振效應(yīng)。而當(dāng)射頻脈沖這個(gè)外界刺激消失后，已被激化的原子核會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的平衡狀態(tài)，這個(gè)過(guò)程被稱為弛豫，原子核在恢復(fù)到原來(lái)的平衡狀態(tài)這一過(guò)程會(huì)伴隨能量的釋放，能量的主要釋放形式為射電信號(hào)，其頻率與激勵(lì)波相同，這種現(xiàn)象就是核磁共振。射電信號(hào)經(jīng)捕捉與處理后就轉(zhuǎn)化成了屏幕上的圖像。

1.2 核磁共振成像的優(yōu)點(diǎn)

在安全性上，核磁共振成像既沒(méi)有外部創(chuàng)傷也沒(méi)有輻射損傷。在靈活性上，核磁共振成像也具有可以掃描任意方位斷層的特點(diǎn)，即核磁共振成像可以得到大多數(shù)成像技術(shù)得不到的圖像。在分辨率方面，核磁共振成像對(duì)比其他成像技術(shù)也具有明顯的優(yōu)勢(shì)，尤其是在軟組織部分如直腸，關(guān)節(jié)與肌肉部分。而且核磁共振成像的成像參數(shù)較其他成像技術(shù)也比較多，而更多的參數(shù)往往便意味著更高的精確度以及更加寬廣的應(yīng)用領(lǐng)域與應(yīng)用前景[4]。核磁共振成像已經(jīng)是目前最有力的日常成像手段之一[5]。

1.3 核磁共振成像的發(fā)展歷程

核磁共振現(xiàn)象由美國(guó)學(xué)者Bloch與Purcell于1946年首次發(fā)現(xiàn)，1972美國(guó)學(xué)者Paul C.Lauterbur首次提出核磁共振現(xiàn)象可以應(yīng)用于成像，1973年第一張人體核磁共振掃描圖像被獲取，而僅僅十年之后，1983年核磁共振成像便出現(xiàn)了商業(yè)產(chǎn)品。在這之后，基于核磁共振現(xiàn)象開(kāi)發(fā)的成像技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。而自上世紀(jì)80年代以來(lái)，近四十年間電子技術(shù)與磁體技術(shù)也在不斷地發(fā)展，軟件編寫(xiě)技術(shù)也是日新月異，核磁共振成像技術(shù)的應(yīng)用范圍也隨著這些技術(shù)的發(fā)展而越來(lái)越廣，推動(dòng)的一大批學(xué)科的研究進(jìn)程，其精準(zhǔn)度也在不斷提高，甚至于還可以檢測(cè)過(guò)去無(wú)法檢測(cè)的疑難雜癥。而隨著時(shí)間的推移，核磁共振成像技術(shù)必然會(huì)越發(fā)的完善與精確，它的應(yīng)用范圍與前景也將更加廣闊。

2 造影劑

2.1 核磁共振成像造影劑

核磁共振成像技術(shù)雖然具有高分辨率，參數(shù)較多，掃描斷面較靈活以及較高的安全性等諸多優(yōu)點(diǎn)，但臨床醫(yī)學(xué)發(fā)現(xiàn)，一些組織與腫瘤組織的弛豫時(shí)間是相互重疊的，幾近無(wú)差別，非常容易使腫瘤組織與正常組織相混淆，這導(dǎo)致診斷及其困難。所以，為了使病變局部的信號(hào)與正常組織的信號(hào)之間對(duì)比更加明顯，提高核磁共振成像診斷的準(zhǔn)確性，靈活性與特異性，人們?cè)诤舜殴舱癯上裰幸肓嗽煊皠6]。簡(jiǎn)而言之，造影劑就是為了提高病變組織與正常組織間的差別，主要為成像后的明暗對(duì)比，增強(qiáng)觀察觀察效果的對(duì)比劑。

造影劑用于臨床必須符合以下幾個(gè)條件：(1)足夠的穩(wěn)定性，在完成成像前不會(huì)被人體降解；(2)對(duì)人體的傷害較小或者根本對(duì)人體沒(méi)有傷害，即低于臨床允許的對(duì)人體的最低傷害；(3)具有較高的弛豫率；(4)在人體具有恰到好處的停留時(shí)間，而且在這之后能在一定的時(shí)間后排出體外，排出體外較為容易；(5)具有一定的組織器官選擇性。

2.2 造影劑的原理

核磁共振成像的信號(hào)源多為氫原子，因?yàn)闅湓硬坏休^強(qiáng)的信號(hào)與較高的靈敏度度，而且還遍布人的全身。而核磁共振成像造影劑本身并不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)，而是通過(guò)改變?nèi)梭w內(nèi)某一后某些區(qū)域組織中的氫原子的弛豫效率，使成像后這些組織在圖像中可以與周圍組織形成比較鮮明的對(duì)比，這樣間接地提高成像質(zhì)量。核磁共振成像造影劑是順磁性與超順磁性物質(zhì)，它們與氫原子核之間存在磁性的相互作用，其中一項(xiàng)表現(xiàn)為縱向弛豫率(1/T1)與橫向弛豫率(1/T2)的改變，從而改善成像質(zhì)量，提高成像的對(duì)比度與分辨率。而造影劑的弛豫率越大，它的造影效果就越好。

2.3 造影劑的分類

每一種分子成像都有其特有的造影劑，核磁共振成像也不例外。依照造影劑的作用機(jī)理，核磁共振造影劑主要分為T(mén)1加權(quán)的造影劑與T2加權(quán)的造影劑兩大類別。而兩種造影劑的差別便在于，這種造影劑影響的是縱向弛豫時(shí)間還是橫向弛豫時(shí)間。對(duì)縱向弛豫時(shí)間影響較高的就是T1加權(quán)的造影劑，對(duì)橫向弛豫時(shí)間影響較高的便是T2加權(quán)的造影劑。特別的，因?yàn)門(mén)1加權(quán)的造影劑會(huì)使其影響的區(qū)域的信號(hào)變強(qiáng)從而使得其變得比其他區(qū)域更明亮，所以又稱陽(yáng)性造影劑，目前廣泛使用的多為釓離子的螯合物；而T2加權(quán)的造影劑則會(huì)削弱其影響區(qū)域的信號(hào)從而使這一區(qū)域的圖像變暗，故而可以叫做陰性造影劑，T2加權(quán)的造影劑中比較有代表性的多為以Fe3O4為基底開(kāi)發(fā)的造影劑。

另外，雖然T2加權(quán)的造影劑比較廉價(jià)，在人體內(nèi)的循環(huán)時(shí)間比較長(zhǎng)，同時(shí)也可以提高成像的對(duì)比度，但它使作用區(qū)域信號(hào)減弱的行為本身也會(huì)降低這些區(qū)域的成像質(zhì)量，同時(shí)也容易與組織出血等圖像混淆[7]，所以就目前來(lái)講T1加權(quán)的造影劑的應(yīng)用范圍更加廣泛。而T1加權(quán)的造影劑多為順磁性物質(zhì)，它們大多數(shù)分布于元素周期表中的鑭系元素與第四周期的過(guò)渡元素中，因?yàn)樗鼈儞碛写罅坎怀蓪?duì)的電子，這大大提高了它們的弛豫性能，其中單以結(jié)構(gòu)論Gd3+是核磁共振成像造影劑的最佳選擇之一。

2.4 造影劑的研究現(xiàn)狀

核磁共振成像造影劑幾乎是隨著核磁共振成像技術(shù)的出現(xiàn)而出現(xiàn)的，早在1973年人類獲取第一份人體核磁共振掃描圖像時(shí)，最早提出核磁共振現(xiàn)象可以應(yīng)用于成像的Paul C.Lauterbur便在他的文章中提出MnSO4可以作為核磁共振成像的對(duì)比劑來(lái)提高成像質(zhì)量。但遺憾的是，早期的臨床診斷中并沒(méi)有意識(shí)到造影劑對(duì)診斷結(jié)果的影響，直到在臨床應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)一些組織與腫瘤組織的弛豫時(shí)間是相差無(wú)幾的，可能使腫瘤組織與正常組織的信號(hào)強(qiáng)度相似，這導(dǎo)致診斷難度增加。從這時(shí)起，造影劑的研究才開(kāi)始提上日程。而最初投入市場(chǎng)使用的核磁共振成像造影劑，是釓離子的一種螯合物，Gd-DTPA ( 釓-二乙三胺五乙酸)，這種核磁共振成像造影劑在血腦屏障破裂和血管、血流動(dòng)力學(xué)方面具有較高的靈敏度[8]，同時(shí)也是目前臨床最常用的核磁共振成像造影劑之一。

但是，大量的臨床病例表明，Gd-DTPA作為造影劑也有許多不理想的地方。首先Gd-DTPA對(duì)于組織器官?zèng)]有選擇性，對(duì)成像質(zhì)量的提高幅度不大，這使Gd-DTPA的應(yīng)用受到了一定的局限；其次釓基核磁共振成像造影劑在體內(nèi)的循環(huán)時(shí)間較短，可經(jīng)由人體的泌尿系統(tǒng)以較快的速度排出體外；最后，釓基核磁共振成像造影劑的價(jià)格一般較為昂貴，這使得釓基核磁共振成像造影劑在大規(guī)模使用時(shí)成本較高，從另外的方面限制了釓基核磁共振成像造影劑的應(yīng)用。此外，釓離子本身還有一定的毒性。雖然目前的研究并不能揭示釓基造影劑與腎源系統(tǒng)纖維化這一病癥之間的關(guān)系，但目前幾乎所有的腎源系統(tǒng)纖維化病例都有過(guò)使用釓基核磁共振造影劑的經(jīng)歷，這值得警惕。在此同時(shí)，由于釓基造影劑的廣泛使用，釓元素可能會(huì)在城市排水系統(tǒng)中富集，可能對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成影響。因此，我們需要一種能夠代替釓基核磁共振成像造影劑的造影劑。而在研究的過(guò)程中，人們逐漸將資源投入到了錳基納米材料造影劑與鐵基納米材料造影劑的研發(fā)中。其中錳基造影劑主要作為T(mén)1加權(quán)的造影劑使用，鐵基造影劑大多為T(mén)2加權(quán)的造影劑，它們作為造影劑擁有較高的弛豫率以及較為低廉的價(jià)格，同時(shí)作為納米材料，相比于常用的大分子造影劑來(lái)說(shuō)，它們?cè)谌梭w內(nèi)的循環(huán)時(shí)間也更長(zhǎng)。

其中，對(duì)錳基材料研究開(kāi)始的時(shí)間極早，早在1973年P(guān)aul C.Lauterbur便在他發(fā)表的文章中提及MnSO4，認(rèn)為它可以作為核磁共振成像的對(duì)比劑來(lái)提高成像質(zhì)量，但在這之后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，基于造影劑的研究進(jìn)展緩慢的緣故，對(duì)錳基材料的核磁共振成像造影劑的研究一直沒(méi)有什么比較大的進(jìn)展，直至1997年，Lin等人[9-10]發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)在生物體內(nèi)直接引入外源性的錳離子來(lái)增強(qiáng)核磁共振成像信號(hào)，從而提高核磁共振成像質(zhì)量，在他們的研究中，引入的錳離子被用來(lái)神經(jīng)細(xì)胞功能活動(dòng)的研究。近二十年來(lái)錳基核磁共振成像造影劑的發(fā)展主要為動(dòng)物的腦成像，主要可概括為追蹤神經(jīng)纖維，研究大腦形態(tài)學(xué)以及對(duì)腦功能的成像。另外，一些對(duì)肝臟組織具有靶向性的含錳造影劑還可以被應(yīng)用于對(duì)肝臟組織的成像研究，在檢測(cè)胰腺細(xì)胞的數(shù)量從而診斷糖尿病這一領(lǐng)域，含錳造影劑也有一定程度的應(yīng)用[11]。目前主要使用的含錳造影劑多為錳離子的小分子化合物，但這些造影劑都有著毒性過(guò)大這一問(wèn)題，過(guò)量的錳離子會(huì)在大腦的黑質(zhì)還有基底節(jié)等區(qū)域富集并沉積，排出體外較為困難，這會(huì)導(dǎo)致腦細(xì)胞死亡，進(jìn)而引發(fā)帕金森綜合癥等臨床癥狀，所以現(xiàn)在這些含錳離子的核磁共振成像造影劑還不能應(yīng)用與人體核磁共振成像掃描。而其他商業(yè)化的錳基核磁共振成像造影劑大多為小分子或螯合物，它們的弛豫率比較低，而且在人體內(nèi)的保留時(shí)間過(guò)于短暫，經(jīng)人體的循環(huán)系統(tǒng)與泌尿系統(tǒng)后可能會(huì)以較快的速度排出。所以現(xiàn)在錳基造影劑的使用頻率并不如其他種類的造影劑。

2.5 錳基造影劑的可行性以及研究現(xiàn)狀

錳元素是人體必要的微量元素中的一種，因而人身體內(nèi)部的錳元素的濃度可以被人體自身的循環(huán)系統(tǒng)自我調(diào)控，同時(shí)作為人體的必需元素之一，它對(duì)人體的破壞也比較小，即毒性較釓元素等大大降低。錳元素本身在元素周期表的第四周期過(guò)渡元素中，二價(jià)錳元素的最外層有5個(gè)未成對(duì)電子，這意味著錳元素的弛豫時(shí)間較短，可以顯著降低周圍氫原子核的弛豫周期。而對(duì)于造影劑而言，它的弛豫時(shí)間縮短，便意味著更高的弛豫率，它的成像效果就越好，能夠更好地提高成像的對(duì)比度，從而明顯提高成像質(zhì)量?；谝陨蟽?yōu)勢(shì)，錳基造影劑有可能成為最有希望代替釓基造影劑的T1造影劑[12-13]。

而自從1997年時(shí)MnCl2作為研究神經(jīng)細(xì)胞的造影劑被首次報(bào)道以來(lái)，這二十年來(lái)又出現(xiàn)了新一批可作為T(mén)1加權(quán)的造影劑的錳基造影劑，比如MnO，Mn3O4，Mn3O4@SiO2和 MnO@mSiO2等[14-17]，但這些錳基造影劑的弛豫率(r1<0.5 mM-1·s-1)全部都不如目前投入商業(yè)使用的釓基造影劑(r1≈3.4 mM-1·s-1)。目前的研究發(fā)現(xiàn)，錳基造影劑的弛豫率可以通過(guò)提高錳離子的順磁中心和水分子的相互作用效率來(lái)提高[18]，所以，目前設(shè)計(jì)效果更好的T1加權(quán)的造影劑的錳基造影劑的關(guān)鍵就在于提高錳的順磁中心與水分子間的相互作用效率。介孔納米材料由于它具備較大的比表面積，較大的孔徑以及孔容高而在生物醫(yī)藥領(lǐng)域尤其是藥物控釋方面被大量應(yīng)用[19]。在近幾十年來(lái)，我們對(duì)于介孔結(jié)構(gòu)在藥物控釋方面的機(jī)理有了深刻的研究與認(rèn)識(shí)。而如果我們能夠?qū)㈠i的順磁中心大量均勻地分布于介孔結(jié)構(gòu)中，勢(shì)必能夠大大加強(qiáng)錳順磁中心與水分子間的相互作用，從而提高錳基造影劑的縱向弛豫率[20-21]。近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所施劍林研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究組在探索新型的氧化硅介孔結(jié)構(gòu)MRI造影材料方面做了諸多工作,開(kāi)發(fā)了多種錳基介孔MRI造影劑[22,23]。研究人員利用高錳酸鉀分別對(duì)介孔材料MCM-41和SBA-15的表面活性劑進(jìn)行氧化，在孔道表面成功負(fù)載了大量氧化錳納米粒子，使材料的r1值達(dá)到2.28 mM-1·s-1，遠(yuǎn)高于單純MnO納米顆粒的r1值[22]。采用同樣方法，利用氧化硅空心介孔球作為造影劑基體制備出了錳基介孔空心微球，獨(dú)特的空腔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對(duì)藥物分子的高效裝載，雖然在中性(pH值=7.4)環(huán)境下r1較低(0.79 mM-1·s-1)，但在弱酸性(pH值=5.0)環(huán)境下的r1達(dá)到了8.81 mM-1·s-1的高值，大大提高了造影劑的成像效果[23]。

另外，最近的一些研究表明，硅酸根與某些金屬離子如鈣離子鎂離子等可以發(fā)生簡(jiǎn)單的硅酸鹽反應(yīng)，而且對(duì)反應(yīng)條件的要求也不高，反應(yīng)生成的大量納米級(jí)的金屬硅酸鹽相互堆積，就會(huì)產(chǎn)生擁有不同形貌特征具備多孔結(jié)構(gòu)的而且材料表面均勻分布有大量金屬離子的金屬硅酸鹽材料，很多時(shí)候多孔結(jié)構(gòu)便意味著更高的比表面積，而金屬離子在材料表面的大量均勻分布則意味著其順磁中心與水分子間更強(qiáng)的相互作用。我們課題組在介孔硅酸錳的制備及應(yīng)用上做了大量的工作，我們不使用表面活性劑，在包裹了氧化鐵的氧化硅外表面原位生長(zhǎng)出多孔結(jié)構(gòu)硅酸鎳，一步合成出了一類粒徑可調(diào)的核殼結(jié)構(gòu)的磁性復(fù)合硅酸鎳多孔微球，利用孔道表面豐富的Ni2+對(duì)組氨酸重組蛋白的特異性螯合作用，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)重組蛋白的高效、快速磁分離及純化[24]。此外，我們?cè)谘趸柰獗砻嬖簧L(zhǎng)出多孔結(jié)構(gòu)硅酸錳，一步合成出了一類硅酸錳多孔微球，利用高比表面積的多孔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對(duì)抗癌藥物鹽酸阿霉素的裝載，同時(shí)利用孔道表面豐富的Mn2+分布以及對(duì)腫瘤微環(huán)境的響應(yīng)性，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)荷瘤鼠腫瘤的高效T1-MRI增強(qiáng)造影[25]。我們?cè)诔爻核嘀?，利用硅酸鹽反應(yīng)一步合成出一類硅酸錳納米顆粒造影劑，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)荷瘤鼠腫瘤響應(yīng)性的T1-MRI增強(qiáng)造影，靜脈注射該造影劑72 h后被小鼠完全排除體外，表現(xiàn)出優(yōu)異的生物可降解性能[26]。

3 發(fā)展與展望

不過(guò)，錳元素畢竟只是人體所必需的微量元素而非常量元素，因而錳元素的毒性較低也只是相對(duì)釓元素而言，事實(shí)上目前幾乎所有的錳基核磁共振成像造影劑都存在著毒性過(guò)大這一問(wèn)題，而過(guò)量的錳元素有可能在大腦中的某些腦區(qū)富集并沉積，變得不利于排出體外。這些錳元素會(huì)殺死腦細(xì)胞，進(jìn)而可能會(huì)誘發(fā)帕金森綜合癥等病癥。目前主要的應(yīng)對(duì)方式或者說(shuō)研究方向有以下幾條：像處理釓離子一樣，選擇能夠與錳離子形成穩(wěn)定配合物的較好的配體來(lái)降低毒性；還有一種方法是在錳基核磁共振成像造影劑中引入鈣離子，鈣離子在進(jìn)入人體的過(guò)程中會(huì)與錳離子競(jìng)爭(zhēng)，可以從物理方面降低人體對(duì)錳離子的吸收量，但這種方法因?yàn)椴簧婕皩?duì)錳基核磁共振成像造影劑本身結(jié)構(gòu)的修飾，所以對(duì)這種方法的研究與 使用較少。

納米材料是三維中至少有一維尺寸在100 nm以下的材料或者直接由納米單元構(gòu)成的材料，其中我們稱尺度至少在一個(gè)維度上達(dá)到納米范圍的材料為低維納米材料。而其中納米粒子材料憑借其特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，成為了越來(lái)越多研究者研究的重點(diǎn)。將納米顆粒與順磁性金屬結(jié)合，不但可以提高它的弛豫率從而提高成像質(zhì)量，還能提高其生物兼容性，另外，我們還可以設(shè)計(jì)一些納米系統(tǒng)對(duì)某些組織特異性響應(yīng)，從而極大地提高造影劑的對(duì)組織器官的選擇性。比如腫瘤組織的檢測(cè)，腫瘤組織相較于正常組織來(lái)講它的化學(xué)微環(huán)境與正常組織間有一定的差異，它的pH值(5.4～6.8)[27]更低，以及谷胱甘肽的濃度2～7倍于甚至更高于正常組織(GSH=2～10 mM)[28]，這些特點(diǎn)使得存在設(shè)計(jì)納米系統(tǒng)使其對(duì)腫瘤組織特異性響應(yīng)的可能性。然而，就目前文獻(xiàn)報(bào)道的多數(shù)納米造影劑來(lái)講，它們的制作工藝普遍較為復(fù)雜，這使得這些材料的制作成本居高不下，甚至相同成本下這些材料的弛豫率也比較低，這對(duì)于納米造影劑以后的大規(guī)模生產(chǎn)以及更加廣泛的應(yīng)用較為不利。