分子對比劑磁共振成像在炎癥性腸病中的應(yīng)用研究進展

駱逸凡 許茂盛

炎癥性腸?。╥nflammatory bowel disease，IBD）是慢性、可反復(fù)發(fā)作的腸道炎性疾病，包括克羅恩病（Crohn’s disease，CD）與潰瘍性結(jié)腸炎（ulcerative colitis，UC）。近年來，IBD的發(fā)病率在世界各個地區(qū)呈現(xiàn)不斷增加的趨勢[1-2]。影像學(xué)檢查特別是增強MRI有較高的軟組織分辨力和豐富的成像序列，有助于早期診斷IBD和評估疾病活動情況，并且其無電離輻射，適合隨訪[3]，在IBD的診斷中有重要價值。臨床上IBD患者的增強MRI檢查常用含釓順磁性對比劑，其特點是安全、增強效果好。但釓劑分子量較小易被腎臟代謝，成像時間窗較短，且其具有親水性，難以穿透細胞膜，無法利用腸道特有的吸收功能直接給藥[4-5]。

隨著納米技術(shù)的發(fā)展，分子對比劑被開發(fā)應(yīng)用于靶向成像。大多數(shù)分子對比劑通過巨噬細胞的吞噬作用而起到被動靶向效果，主要用于與巨噬細胞異常相關(guān)的心血管和神經(jīng)系統(tǒng)炎癥。主動靶向探針通過細胞特異性攝取來追蹤病灶，主要用于癌癥和心血管疾病[6]。巨噬細胞異常增生也存在于炎癥腸道中，加上炎癥部位的黏膜屏障受損，腸壁通透性增加，為分子對比劑在腸道中的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)[7]。本文就分子對比劑MRI在IBD中的應(yīng)用研究進展作一綜述，介紹分子影像學(xué)在早期診斷和定量評估IBD炎癥活動度的優(yōu)勢和特點以及未來臨床轉(zhuǎn)化的可能性。

1 分子對比劑吸收機制

白細胞通常在炎癥反應(yīng)時大量聚集，因此它們的遷移可以通過分子對比劑進行追蹤。菌群的變化或微生物清除過程的缺陷可能導(dǎo)致腸道菌群失調(diào)和促炎過程的激活[8]。樹突狀細胞與幼稚T細胞（Th0）相互作用，在CD中Th0激活后分化為輔助性T細胞1（Th1）與Th17，在UC中分化為Th2與自然殺傷T細胞，他們可以生成多種干擾素、白細胞介素等細胞因子參與免疫反應(yīng)。受刺激的腸上皮細胞可分泌細胞間黏附分子-1（intercellular cell adhesion molecule-1，ICAM-1） 招募單核細胞參與炎癥反應(yīng)[9]。

大部分對比劑只能通過靜脈注射給藥，但固體脂質(zhì)納米粒（solid lipid nanoparticles，SLNs）具備腸道吸收的特性，因此可口服給藥。淋巴濾泡上的M細胞和Peyer’s集合淋巴結(jié)可能是SLNs從腸黏膜吸收的主要途徑，約70%被吸收的SLNs通過淋巴循環(huán)進入循環(huán)系統(tǒng)，其余部分可能通過毛細血管或腸上皮細胞旁路途徑直接進入血液循環(huán)[10]。SLNs口服給藥時胃吸收僅占不到5%，大部分通過小腸被吸收[11]。約50%的SLNs可直接通過腸黏膜或細胞間隙吸收，且在一定濃度內(nèi)呈線性相關(guān)[10]。在病理狀態(tài)下SLNs的吸收有所不同，Wu等[12]研究結(jié)果表明在二甲基乙內(nèi)酰脲（dimethyl hydantoin，DMH）處理的小鼠中，SLNs主要在腸黏膜受損的腸段中被直接吸收進入黏膜下毛細血管網(wǎng)，這可能與細胞緊密連接蛋白-1（zonula occludens-1，ZO-1）在炎癥狀態(tài)下受損、從而導(dǎo)致細胞連接擴張和滲透性增加有關(guān)[7]。通過淋巴運輸SLNs可以避免靜脈給藥的肝臟首過效應(yīng)，增加負載藥物吸收、提高療效。

也有學(xué)者對SLNs的吸收機制提出了不同觀點。Hu等[13]的研究表明，使用水淬近紅外熒光探針很難檢測到腸上皮細胞中的SLNs復(fù)合物。Chen等[14]的實驗中則發(fā)現(xiàn)SLNs負載的藥物可以通過上皮細胞進入腸毛細血管，而載體主要滯留在細胞內(nèi)。但不同材料的表面修飾以及制造工藝可能會影響SLNs的特性。有更多的動物實驗證實SLNs可以大幅度提高腸上皮細胞對負載藥物的攝取和轉(zhuǎn)運效率[15]。

Perera 等[16]利用聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）對納米材料（nanoparticles，NPs）表面進行修飾，從而達到藥物緩釋效果。無論是動物實驗[17]還是臨床研究[18]，均發(fā)現(xiàn)經(jīng)PEG修飾的藥物更傾向于沉積病變部位，這可能與炎癥期間腸黏膜的異常狀態(tài)有關(guān)。此外，普魯士藍也可以用來增強藥物的滲透性[19]。

2 分子對比劑選擇

目前用于MRI的分子對比劑主要有磁性納米顆粒（magnetic nanoparticles，MNPs）、釓相關(guān)分子探針和全氟化碳（perfluorocarbon，PFC）乳劑。在定量分析上，信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）被廣泛運用[20-22]，IBD 中評估SNR的計算方法是將腸壁的平均強化程度信號強度除以背景信號的標準差[23]，與腸道同層面的肌肉或肝臟可被選取作為背景信號參照。

2.1 MNPsMNPs是一種以鐵氧化物為核心的NPs，其弛豫度較高，對局部磁場的影響更強[24]。MNPs包括超順磁氧化鐵（superparamagnetic iron oxide，SPIO）和超微超順磁氧化鐵顆粒（ultra-small superparamagnetic iron oxide particles，USPIO）。SPIO 是一種直徑＞20nm，以 Fe3O4或Fe2O3為核心的NPs，如鐵羧葡胺（Ferucarbotran）、菲立磁（Ferumoxides）。SPIO在肝臟和脾臟中被網(wǎng)狀內(nèi)皮細胞攝取，而USPIO因為直徑＜20nm可以進入淋巴循環(huán)和骨髓[24]，如 SHU555C（商業(yè)名：Supravist）。根據(jù)核心磁性物質(zhì)、材料直徑的不同，MNPs可分為T1和T2加權(quán)對比劑[25]。SPIO屬于T2加權(quán)對比劑，而USPIO具有更強的T1效應(yīng)，這使USPIO更適合于診斷應(yīng)用，另一方面USPIO能夠通過循環(huán)系統(tǒng)進入結(jié)腸網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)[21]。但對比劑局部濃度過高時可導(dǎo)致信號失真影響診斷[21]。

Frericks等[21]給予二硝基苯磺酸（2,4-dinitrobenzene sulfonic acid，DNBS）誘導(dǎo)的結(jié)腸炎Lewis大鼠SHU555C，在2.4T MRI設(shè)備中觀察到了活動性炎癥的腸壁T1WI信號明顯增高并可以進行定量分析。Wu等[26]在小鼠建模時用葡聚糖硫酸鈉（dextran sodium sulfate，DSS）誘導(dǎo)的腸道炎癥，在2.4T MRI設(shè)備中應(yīng)用T1加權(quán)黑血成像序列，觀察到給予對比劑Ferumoxides后腸壁T1WI信號降低程度與炎癥程度正相關(guān)。Calle等[27]使用了同時負載具有超順磁性的Nanotex與抗炎藥ω-3脂肪酸乙酯的NPs，用DSS誘導(dǎo)小鼠結(jié)腸炎，觀察到實驗組較對照組不僅腸壁增厚程度降低，而且增強掃描信號強化程度也大幅度降低，達到了診療一體化作用。

MNPs對腸道的作用可以通過普魯士藍染色在組織學(xué)上確認腸道上皮細胞中對比劑是否被吸收。

2.2 釓相關(guān)NPs 釓相關(guān)NPs不存在磁化率偽影，它的載體通常為蛋白質(zhì)、樹突狀物質(zhì)或脂質(zhì)體。釓相關(guān)NPs直徑通常在50到1 000nm之間，具有生物相容性高、生物降解性好和易被消化道吸收的特點[10]。

Sun等[20]使用了同時負載釓噴酸葡胺與異硫氰酸熒光素（fluorescein isothiocyante，F(xiàn)ITC）的 SLNs，通過灌腸給藥，觀察到造模小鼠受累腸壁強化程度顯著高于對照組，證明了SLNs為載體的分子材料可被腸壁病灶特異性吸收，該現(xiàn)象通過FITC在組織學(xué)上的熒光顯像得到確認。

2.3 PFC19F具有核磁高敏感性，用19F標記細胞可在MRI中用于追蹤細胞遷移。相比金屬離子對比劑PFC無生物毒性，并已運用于臨床。Shin等[22]使用含19F的PFC乳劑對巨噬細胞進行體外標記并回輸，通過11.7T MRI的弛豫增強快速采集（rapid acquisition with refocused echoes，RARE）序列與Paravision軟件將19F信號施加偽彩與1H信號結(jié)合，根據(jù)巨噬細胞的遷徙分布定位、定量評估炎癥情況。

3 成像優(yōu)化

在IBD動物建模中，DSS無特異性誘導(dǎo)腸道炎癥；而 2,4,6-三硝基苯磺酸（2，4，6-trinitrobenzene sulfonic acid，TNBS）和DNBS可通過局部給藥誘導(dǎo)局限性結(jié)直腸炎癥。因此，TNBS和DNBS的建模動物為觀察同一節(jié)段正常組織和炎癥腸組織的差異提供了機會。

大多數(shù)研究采用5～8周的小鼠，這個年齡段的小鼠對炎癥誘導(dǎo)更敏感。急性IBD模型適用于研究腸黏膜屏障短期變化和固有免疫反應(yīng)，慢性IBD模型適用于探究適應(yīng)性免疫反應(yīng)、腫瘤形成和纖維組織增生[28]。大鼠及兔因體型優(yōu)勢更易獲得高質(zhì)量的成像效果，小鼠若使用合適的線圈亦能在臨床3.0T MRI中獲得清晰的腸道成像[12，20]。

腸道蠕動和腸腔內(nèi)氣體可引起非特異性低信號偽影，影響SPIO在腸道疾病診斷中的應(yīng)用。Wu等[26]給予小鼠MnCl2口服顯示腸道輪廓，使SPIO能夠區(qū)分腸壁和腸腔，MnCl2的安全性已通過美國食品藥品監(jiān)督管理局的認證。

有研究提出液體衰減反轉(zhuǎn)恢復(fù)（fluid attenuated inversion recovery，F(xiàn)LAIR）序列對低濃度釓成像更敏感[29]。Wu等[12]在研究中使用臨床1.5T MRI設(shè)備與FLAIR序列，采集到了清晰的小鼠腸道圖像。

4 局限性與未來展望

IBD的MRI分子成像研究仍存在一定的局限性：（1）當前研究仍限于動物實驗階段，需要進一步探索MRI分子成像在臨床診斷IBD方面的優(yōu)勢；（2）動物實驗中動物數(shù)量不多；（3）MRI分子成像靈敏度為微摩爾級，與正電子發(fā)射斷層成像（positron emission computed tomography，PET）的皮摩爾級存在差距。

未來隨著分子生物學(xué)、納米材料學(xué)、生物工程技術(shù)的發(fā)展以及MRI序列的優(yōu)化，MRI分子成像的靈敏度不斷提高，使用分子對比劑的MRI將適用于IBD的臨床診斷和評價。且NPs可同時負載對比劑與藥物從而達到診療一體化，已有研究使用體內(nèi)成像系統(tǒng)或MRI在動物實驗中實現(xiàn)了這一目標[15，30]。NPs作為載體時的優(yōu)勢還在于部分情況下可通過口服給藥，相比靜脈注射給藥可減少不良反應(yīng)。

5 小結(jié)

基于分子對比劑的MRI可以提高實驗動物模型IBD診斷的靈敏度和特異度，分子影像學(xué)用于IBD的研究有助于將復(fù)雜的生物學(xué)過程變成直觀的圖像，在分子水平更好地理解IBD生理、病理機制及特征，同時還可在體動態(tài)觀察藥物治療效果。進一步的臨床應(yīng)用轉(zhuǎn)化將是其未來研究的發(fā)展方向。