智能響應(yīng)性19F磁共振納米分子成像探針診斷腫瘤研究進(jìn)展

劉 爽，孫夕林，王 凱，吳麗娜*

(1.哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第四醫(yī)院TOF-PET/CT/MR中心，黑龍江 哈爾濱 150028；2.哈爾濱醫(yī)科大學(xué)分子影像研究中心，黑龍江 哈爾濱 150028)

智能響應(yīng)探針能在病變部位實(shí)現(xiàn)響應(yīng)性應(yīng)答，達(dá)到精準(zhǔn)診斷和治療，提高活體應(yīng)用安全性，在腫瘤多模態(tài)成像、診斷和治療(光動(dòng)力/光熱、化療)等[1-3]方面具有潛在臨床轉(zhuǎn)化前景。近年來，隨著多核氟、鈉、磷等探針和成像技術(shù)的發(fā)展以及MR設(shè)備和序列的優(yōu)化，多核MR迅速崛起，19F-MRI在分子影像與臨床研究中的應(yīng)用更是引起廣泛關(guān)注。智能響應(yīng)性MRI探針具有刺激響應(yīng)能力，病變微環(huán)境可作為其突釋的智能響應(yīng)條件，使納米分子成像探針累計(jì)釋放率激增，提高在體成像效率和藥物利用度，改善病變位點(diǎn)與正常組織的示蹤信噪比。

1 19F-MRI

MRI具有高靈敏度、空間分辨率和軟組織分辨率等優(yōu)勢(shì)，臨床應(yīng)用前景廣闊[4]。近年來，隨著多核MR的崛起，對(duì)于心血管、腫瘤等多種疾病，已從傳統(tǒng)影像學(xué)形態(tài)學(xué)診斷模式轉(zhuǎn)向早期分子影像精準(zhǔn)診治模式。19F是1H后最適于MRI的原子核，自然豐度100%[5]，無放射性，旋磁比和靈敏度分別為1H的94%和83%。人體內(nèi)含氟量很少，使19F-MRI用于活體研究幾乎不受本底信號(hào)干擾[6]，免于靈敏度低、背景信號(hào)復(fù)雜等給1H-MRI造成的困境，在藥物遞送[7]、原位氧分壓測(cè)定[8]以及腫瘤靶向[9]等方面顯示出巨大優(yōu)勢(shì)。開發(fā)多模態(tài)、多重刺激智能響應(yīng)性19F-MRI納米分子成像探針，對(duì)促進(jìn)分子影像和診療一體化的發(fā)展具有重要作用。

2 智能響應(yīng)性19F-MR納米分子成像探針診斷腫瘤

智能響應(yīng)性探針可在外界環(huán)境作用下針對(duì)腫瘤細(xì)胞或正常細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境之間的生物學(xué)差異及腫瘤特征[10]而特異性地靶向目的細(xì)胞。外界刺激包括生物分子(酶、谷胱甘肽和抗體)、化學(xué)物質(zhì)(pH值、氧氣)和外部條件(光、熱、磁性)[11-12]等。采用各種智能響應(yīng)性19F-MR納米分子成像探針觀察藥物在組織內(nèi)的分布代謝和腫瘤可視化成像正逐步成為功能性納米醫(yī)藥材料的發(fā)展趨勢(shì)之一?；?9F-MRI，智能響應(yīng)性納米探針可為精確診斷和治療腫瘤提供技術(shù)平臺(tái)。

2.1 pH響應(yīng)性19F-MR納米分子成像探針 基于腫瘤細(xì)胞快速生長(zhǎng)導(dǎo)致糖酵解增強(qiáng)和乳酸過度積累，腫瘤細(xì)胞外pH值(6.5～7.2)略低于正常組織和血液pH值(7.4左右)[13]，現(xiàn)已開發(fā)pH響應(yīng)性腫瘤探針。

酸性pH值是腫瘤微環(huán)境的重要特征。GUO等[14]設(shè)計(jì)的響應(yīng)性探針FNPs-PEG由金屬有機(jī)框架(metal organic framework, MOF)和4-三氟甲基咪唑組成，將氟原子引入納米顆粒內(nèi)部，以增強(qiáng)腫瘤成像效果。根據(jù)MOF的pH響應(yīng)特性，在pH值>7.4的溶液中探針的氟原子流動(dòng)性差，T2較短，無19F信號(hào)；隨著pH值降低，探針分解，氟原子流動(dòng)性增強(qiáng)，T2逐漸延長(zhǎng)，19F信號(hào)增強(qiáng)，表現(xiàn)出明顯pH值依賴的19F信號(hào)變化特性。體外和活體腫瘤19F-MRI結(jié)果表明，基于MOF的納米探針用于19F-MRI具有高度潛力。

腫瘤細(xì)胞與循環(huán)血液內(nèi)的pH值差異也可作為開關(guān)調(diào)節(jié)19F-MRI信號(hào)。CHEN等[15]報(bào)道一種pH響應(yīng)19F納米探針，以介孔二氧化硅納米顆粒包裹19F對(duì)比劑，19F信號(hào)在pH值為中性的細(xì)胞內(nèi)被關(guān)閉，而在酸性(pH值<6.0)細(xì)胞內(nèi)對(duì)比劑被釋放，19F信號(hào)“打開”。該探針作為腫瘤高靈敏度MRI和熒光多模態(tài)生物傳感器擁有巨大潛力。

HUANG等[16]開發(fā)的探針對(duì)特定pH值轉(zhuǎn)變存在雙(開/關(guān))響應(yīng)。每個(gè)pH值轉(zhuǎn)換均有特定19F編碼，通過激活條形碼即可讀出pH值。pH>pKa時(shí)，疏水段自組裝成膠束，運(yùn)動(dòng)受限導(dǎo)致19F信號(hào)被抑制；而pH

2.2 酶響應(yīng)性19F-MR納米分子成像探針 特異性酶(如蛋白酶或糖苷酶)表達(dá)變化是病理狀態(tài)的另一特征。高靈敏度組織酶活性成像可為研究哺乳動(dòng)物生物學(xué)功能提供有用信息。

MRI可用于可視化體內(nèi)酶活性。GUO等[17]合成了一種可檢測(cè)磷脂酶A2(phospholipase A2, PLA2)活性的殼核結(jié)構(gòu)納米探針，由磷脂包裹全氟15-冠-5-乙醚(perfluoro-15-crown-5-ether, PFCE)疏水核心和摻釓(Gd3+)的NaYF4:Yb3+/Er3+上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米顆粒組成。高自旋順磁金屬離子(Gd3+)在順磁弛豫增強(qiáng)(paramagnetic relaxation enhancement, PRE)效應(yīng)下縮短19F橫向弛豫時(shí)間(T2)，抑制PFCE的19F信號(hào)，在PLA2作用下水解釋放Gd3+而“打開”信號(hào)。該探針由此通過19F-MR檢測(cè)腫瘤PLA2活性(圖1)。

圖1 荷瘤鼠1H，19F-MRI及融合圖像[17]

Caspase-1、-3和-7是細(xì)胞凋亡標(biāo)志物，MRI檢測(cè)活體caspase-1、-3/7活性可為腫瘤靶向和治療提供重要信息。AKAZAWA等[18-19]制備了具有酶響應(yīng)性調(diào)節(jié)19F-MR信號(hào)的探針，以二氧化硅為外殼包裹PFCE核心，重復(fù)酶底物肽DEVD序列在caspase-1、caspase-3/7作用下水解釋放Gd3+，基于PRE效應(yīng)增強(qiáng)探針的“開”效應(yīng)，通過19F-MRI檢測(cè)小鼠體內(nèi)caspase-1、caspase-3/7活性，高靈敏度檢測(cè)IL-6介導(dǎo)的免疫應(yīng)答。19F-MRI也可通過注射高劑量探針來提高靈敏性，因此需要聚集低劑量19F探針，同時(shí)延長(zhǎng)其T2。DING等[20]設(shè)計(jì)出一種雙模態(tài)探針，在胞內(nèi)谷胱甘肽(glutathione，GSH)和弗林蛋白酶作用下發(fā)生點(diǎn)擊縮合反應(yīng)而聚集，啟動(dòng)19F-MRI并增強(qiáng)T21H-MR信號(hào)，檢測(cè)弗林蛋白酶活性；在14.1 T場(chǎng)強(qiáng)下對(duì)斑馬魚腫瘤的成像結(jié)果表明，該探針有望用于早期腫瘤精準(zhǔn)1H和19F雙模態(tài)MRI。

酶響應(yīng)性探針對(duì)檢測(cè)基因表達(dá)和酶活性具有重要意義。編碼?-半乳糖苷酶(β-galactosidase，?-gal)的lac Z基因可作為報(bào)告基因用于評(píng)估或定量基因表達(dá)[21]。YU等[22]開發(fā)了β-gal活化探針，瘤內(nèi)注射后，?-gal誘導(dǎo)探針裂解，可采用19F化學(xué)位移成像技術(shù)和NMR檢測(cè)體內(nèi)?-gal活性。

2.3 還原響應(yīng)性19F-MR納米分子成像探針 另一種還原響應(yīng)性19F-MR探針也可用于檢測(cè)腫瘤細(xì)胞。乏氧和還原性生物分子(如還原酶和GSH)的過量產(chǎn)生可改變腫瘤微環(huán)境的氧化還原電位[23]，可將GSH水平的顯著差異用作氧化還原響應(yīng)性MR的觸發(fā)點(diǎn)。

天冬酰胺內(nèi)切酶(legumain, Lgmn)可作為診斷腫瘤的重要指標(biāo)。 YUAN等[24]合成了一種檢測(cè)GSH和Lgmn酶活性的探針，其內(nèi)的雙硫鍵被細(xì)胞內(nèi)GSH還原而發(fā)生點(diǎn)擊縮合反應(yīng)，通過分子間相互作用而自組裝，導(dǎo)致19F信號(hào)“關(guān)閉”；在Lgmn酶作用下，探針解開成為游離單體，19F信號(hào)“打開”，由此實(shí)現(xiàn)14.1 T高場(chǎng)強(qiáng)下的斑馬魚腫瘤成像，并有望成為新的腫瘤靶向試劑而用于臨床。FU等[25]設(shè)計(jì)了一種新型支鏈氟化糖聚合物作為19F-MR對(duì)比劑，可對(duì)還原微環(huán)境產(chǎn)生反應(yīng)，用于腫瘤靶向成像；交聯(lián)單體中的二硫鍵使聚合物在二硫蘇糖醇下發(fā)生裂解，從支鏈向線性結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致19F-MR信號(hào)增強(qiáng)。這些含氟共聚物對(duì)還原微環(huán)境高度敏感，對(duì)腫瘤細(xì)胞親和力高，有望成為腫瘤靶向成像的候選分子。

HUANG等[26]制備的細(xì)胞內(nèi)還原微環(huán)境誘導(dǎo)的氨基活化19F-MR納米探針可用于體內(nèi)無創(chuàng)生物硫醇成像，氟化片段被緊密包裹在納米探針的疏水核心中，流動(dòng)受限使19F信號(hào)沉默；遇到巰基時(shí)探針?biāo)猓?9F信號(hào)打開。該探針能對(duì)內(nèi)源性硫醇成像，且不受內(nèi)源性背景信號(hào)的干擾。

2.4 乏氧響應(yīng)性19F-MR納米分子成像探針 乏氧可由實(shí)體腫瘤和其他病理狀態(tài)引起，與腫瘤細(xì)胞增殖相關(guān)[27]；檢測(cè)細(xì)胞乏氧是制定治療計(jì)劃的關(guān)鍵?，F(xiàn)已開發(fā)出基于Cu2+的19F-MR探針用于檢測(cè)乏氧。Cu2+能被生物還原劑還原，可作為19F信號(hào)的開關(guān)。不同氧化狀態(tài)下的Cu磁性不同， Cu2+為順磁性，Cu+則為抗磁性。Cu2+氧化狀態(tài)下，順磁中心通過PRE效應(yīng)抑制氟信號(hào)。改變配體環(huán)境后，Cu2+被還原為Cu+，同時(shí)19F T1和T2延長(zhǎng)和19F信號(hào)再現(xiàn)[28]。

DU等[29]合成了一種乏氧響應(yīng)的19F-MR探針，氟原子接近順磁Cu2+時(shí)，19F信號(hào)被關(guān)閉；Cu2+被乏氧細(xì)胞攝取后還原為抗磁Cu+，啟動(dòng)19F-MR信號(hào)，使19F-MRI可在還原微環(huán)境中區(qū)分乏氧細(xì)胞與常氧細(xì)胞。ENRIQUEZ等[28]應(yīng)用乏氧響應(yīng)性探針監(jiān)測(cè)半胱氨酸活性：半胱氨酸還原Cu2+配合物后，氟化大環(huán)銅配合物即啟動(dòng)19F-MRI。也有19F-MRI和熒光成像探針[30]被開發(fā)作為生物傳感器調(diào)節(jié)19F和熒光信號(hào)：含Cu2+探針顯示無19F-MRI信號(hào)與熒光信號(hào)減弱；Cu2+被還原后信號(hào)開啟，可在乏氧細(xì)胞中觀察到19F信號(hào)，銅離子和配體解離后，其中的19F和熒光信號(hào)增加。這種含氟熒光衍生物可為檢測(cè)乏氧細(xì)胞環(huán)境提供成像信息，并區(qū)分乏氧腫瘤細(xì)胞和常氧腫瘤細(xì)胞。

2.5 光/熱響應(yīng)性19F-MR納米分子成像探針 TANG等[31]合成一種水溶性智能多重響應(yīng)性自組裝19F納米探針，含吲哚菁綠和19F，可對(duì)氧化還原和近紅外光產(chǎn)生響應(yīng)，激活還原性腫瘤微環(huán)境中的19F信號(hào)，有效提高19F-NMR/MRI成像靈敏度；還可通過光熱效應(yīng)使腫瘤表明溫度迅速增加，從而實(shí)現(xiàn)精確成像和治療腫瘤。KOLOUCHOVA等[32]開發(fā)了一種具有生物相容性、溫度響應(yīng)性的新型聚合物納米探針，具有熱響應(yīng)特性，可控制其在加熱水溶液中經(jīng)自組裝形成不同大小的共聚物，由此適用于腫瘤和炎癥成像；體外實(shí)驗(yàn)顯示探針具有良好的成像敏感性，對(duì)多種細(xì)胞系無毒性作用。鑒于腫瘤組織溫度(42℃)高于正常組織溫度(37℃)，IIMA等[33]合成一種可對(duì)溫差變化做出響應(yīng)的19F-MRI探針，通過模擬溫度變化進(jìn)行成像，隨溫度升高(37～42℃)，從固態(tài)到液態(tài)相變引起的分子運(yùn)動(dòng)可致19F-MRI信號(hào)和T2值變化，有利于19F-MRI診斷腫瘤。

3 小結(jié)與展望

針對(duì)生理和疾病特異性分子調(diào)節(jié)信號(hào)開發(fā)各種智能響應(yīng)性MR納米分子19F成像探針作為智能成像工具，對(duì)檢測(cè)腫瘤和研發(fā)新藥具有重要意義。從成像角度來看，實(shí)現(xiàn)刺激響應(yīng)性探針的臨床轉(zhuǎn)化需要提高M(jìn)RI靈敏度，為此目前的策略是以較長(zhǎng)掃描時(shí)間來獲得良好信噪比。未來通過改進(jìn)材料設(shè)計(jì)，如加入金屬離子合成新型MR納米分子成像探針等來提高靈敏度將成為重要研究方向。