19F-MR分子成像在靶向藥物遞送中的應用

楊潔，李迎波，吳麗娜，王凱，楊麗麗，孫夕林*

精準醫(yī)療是以個性化醫(yī)療為基礎的新型醫(yī)學概念與醫(yī)療模式，其能夠在分子水平上實現(xiàn)疾病的精準診斷與靶向治療[1]。在精準醫(yī)療模式下，精準診斷對疾病的靶向治療具有重要意義。相比于其他影像學檢查，19F磁共振(19F magnetic resonance ，19F-MR)分子成像因其缺乏內(nèi)源性背景信號以及19F原子100%的天然豐度、較高的磁旋比和靈敏度等優(yōu)勢可廣泛應用于細胞追蹤、炎癥成像以及藥物遞送等領域[2]。而目前已知的可用于19F-MR分子成像的納米分子成像探針根據(jù)其化學結(jié)構(gòu)可分為氟化小分子和氟化聚合物兩大類[3]。其中，19F-MR分子成像研究中應用最為廣泛的是基于氟化小分子類的納米分子成像探針，尤其是全氟化碳(perfluorocarbons，PFC)，因為其具有較高的熱、化學和氧化穩(wěn)定性以及較強疏水性和疏脂性等特征，PFC是一類生物惰性極強的納米材料。并且其安全無毒，攜氧能力高，可作為血液替代品廣泛應用于臨床。而PFC能夠遞送藥物的前提是包裹其表面的脂質(zhì)層能夠進行多種功能化修飾，包括修飾靶向的配體、多模態(tài)分子成像的信號組件以及多種的治療藥物，從而可以作為優(yōu)越的診療一體化遞送載體平臺[4]。

此外，藥物遞送效率是決定疾病治療效果的關(guān)鍵因素[5]。1906年，Enrilich首次提出了靶向藥物遞送以提高腫瘤內(nèi)藥物濃度及減少毒副作用的概念[6]。因此，開發(fā)高效的靶向納米藥物遞送系統(tǒng)顯得尤為重要。靶向藥物遞送系統(tǒng)用于疾病治療的關(guān)鍵須具備合適的粒徑、高載藥量、精準靶向和良好的生物相容性等特性[7]?；谝陨显瓌t，利用19F-MR分子成像可明顯提高靶組織內(nèi)的藥物濃度，定量監(jiān)測藥物在生物體內(nèi)的定位和代謝[8]，從而實現(xiàn)對疾病的精準靶向治療。本文對多種可用于19F-MR分子成像的納米分子成像探針在靶向藥物遞送和智能化藥物控釋體系中的應用研究進展進行綜述，討論它們在該領域開展應用情況以及各自優(yōu)缺點，以期為新型可用于19F-MR分子成像的多功能納米材料的設計、制備、研發(fā)及應用提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 基于19F-MR分子成像的納米分子成像探針構(gòu)建

為了克服PFC水溶性差的問題，最普遍的方法是制備成水包油型納米乳劑。通常以PFC為核心的納米顆粒被脂質(zhì)層包裹，且脂質(zhì)層可進行多種功能化修飾，包括修飾靶向的配體、多模態(tài)分子成像的信號組件和多種的治療藥物(圖1)。此外，氟化聚合物實現(xiàn)藥物遞送的關(guān)鍵是在結(jié)構(gòu)域上結(jié)合和遞送藥物[9]。因此，通過上述方法可開發(fā)出一種優(yōu)越的診療一體化遞送系統(tǒng)。而基于19F-MR納米分子成像探針的靶向藥物遞送主要依賴于3個關(guān)鍵機制：特異性與細胞結(jié)合；靶細胞攝取納米顆粒；以活性形式實現(xiàn)藥物突釋[10]。目前已經(jīng)研發(fā)出多種基于19F-MR納米分子成像探針刺激響應性的藥物控釋體系，從而實現(xiàn)高效的靶向藥物遞送。

2 基于19F-MR靶向納米分子成像探針的藥物遞送

基于19F-MR分子成像的靶向納米分子成像探針的研發(fā)始于1980年代后期[11-12]。一項小鼠19F-MR分子成像研究顯示[13]，非靶向納米分子成像探針不具有理想的生物學分布，其脾臟和肝臟對納米分子成像探針的攝取量比腫瘤高1～2個數(shù)量級，因此迫切需要開發(fā)靶向的19F-MR納米分子成像探針。通過19F-MR分子成像可以對病變部位的藥物進行監(jiān)測和定量分析(圖2)。近年來，以表皮生長因子受體(epithelial growth factor receptor，EGFR)、血管細胞粘附分子-1(vascular cell adhesion molecule，VCAM-1)、整合素αvβ3及葉酸等為靶點的19F-MR納米分子成像探針在心血管疾病及癌癥的診療一體化等領域得到了廣泛的應用。

2.1 腫瘤靶向治療

Soman等[15]將蜂毒肽摻入全氟化碳均勻分散在脂質(zhì)層中。全氟化碳納米分子成像探針良好的藥代動力學使蜂毒肽能夠在小鼠腫瘤中蓄積，并且與單獨的蜂毒肽相比，能明顯抑制腫瘤的生長，并且沒有任何的毒性。西妥昔單抗是一種靶向EGFR的單克隆抗體，可在納米分子成像探針的表面上進行修飾，其在體內(nèi)外與過表達EGFR的間變性甲狀腺C643細胞具有較高的結(jié)合力。Wang等[16]合成了靶向EGFR的負載西妥昔單抗和10-羥基喜樹堿的聚合物相變納米分子成像探針(C225-conjugated 10-HCPT-loaded phase-transformation PLGA nanoparticles，C-HPNs)，其中載有藥物西妥昔單抗和10-羥基喜樹堿(10-Hydroxylcamptothecine，10-HCPT)用于腫瘤的靶向治療。VCAM-1是參與腫瘤演進的重要因子，在多種類型的腫瘤組織和細胞中均有表達。Pan等[17]構(gòu)建了靶向VCAM-1的全氟化碳納米分子成像探針，用于乳腺癌(STAT-1缺陷型)的靶向治療。該研究結(jié)果表明，與非靶向全氟化碳納米分子成像探針相比，腫瘤脈管系統(tǒng)中靶向納米分子成像探針的數(shù)量增加了4.9倍，這表明全氟化碳納米分子成像探針可以作為某些抗癌藥物優(yōu)異的靶向遞送系統(tǒng)。Pan等[18]將c-Myc抑制劑前藥結(jié)合到靶向整合素αvβ3的全氟化碳納米分子成像探針中，并報道該納米分子成像探針在預防黑色素瘤方面顯示出良好的功效。此外，另一項實驗結(jié)果表明，載有c-Myc抑制劑前藥的靶向整合素αvβ3的全氟化碳納米分子成像探針延長了多發(fā)性骨髓瘤小鼠模型的生存時間。2016年，Vuquang等[19]設計了在PLGA殼中包裹有阿霉素的多功能葉酸受體靶向的全氟化碳納米分子成像探針，結(jié)果顯示出該探針具有良好的體外抗癌效果。

2.2 動脈粥樣硬化斑塊靶向治療

動脈粥樣硬化斑塊由于炎癥和免疫反應從早期的動脈粥樣硬化病變發(fā)展為易損斑塊，包括巨噬細胞浸潤、脂質(zhì)壞死核心增大、新生血管擴張和斑塊內(nèi)出血[20-21]。靶向整合素αvβ3的全氟化碳納米分子成像探針可被用作抗血管生成腫瘤療法與動脈粥樣硬化療法的遞送載體。因此，Winter等[22]制備了靶向整合素αvβ3的全氟化碳納米分子成像探針，用于無創(chuàng)檢測動脈粥樣硬化早期的血管生成，靶向遞送抗血管生成藥物煙曲霉素以及定量研究其生物分布，并能夠以最小的藥物劑量顯著抑制血管的生成。在隨后的一項研究中[23]，研究人員設計了一種載有阿托伐他汀和煙曲霉素的靶向整合素αvβ3的全氟化碳納米分子成像探針，在家兔動脈粥樣硬化模型中具有顯著且持久的抗血管生成作用。此外，Pan等[17]合成了一種以VCAM-1為靶點的全氟化碳載藥納米分子成像探針，用于治療動脈粥樣硬化(ApoE缺陷)小鼠模型，為動脈粥樣硬化診療提供一種新思路。

2.3 靶向溶栓治療

溶栓對靜脈血栓栓塞性疾病、心肌梗死和缺血性腦卒中的急性期治療具有重要意義，但是容易引起出血及過敏等不良反應。Marsh等[24]指出靶向纖維蛋白的全氟化碳納米分子成像探針經(jīng)表面修飾后引入鏈激酶，可使機體纖溶系統(tǒng)快速啟動進而溶解血栓。此外，靶向血栓纖維蛋白的納米分子成像探針在高頻超聲下成像，能夠進行纖維蛋白的體積評估。關(guān)鍵是其負載鏈激酶的納米探針在不到60 min的時間內(nèi)引起了纖維蛋白的快速溶解。因此，基于這種新型納米分子成像探針的溶栓劑可減少缺血再灌注的時間，明顯降低中風的發(fā)病率及死亡率。

3 響應型19F-MR納米分子成像探針在藥物遞送中的應用

高效的19F-MR納米分子成像探針藥物遞送系統(tǒng)應具備較長的體內(nèi)循環(huán)時間，能夠避免藥物過早釋放，并且可以響應外源性刺激(超聲、溫度)或內(nèi)源性刺激(pH變化、氧化還原反應)來控制藥物的生物分布等特征，達到藥物的按需可控釋放，減少毒副作用，從而實現(xiàn)腫瘤的精準治療[25]。

3.1 超聲響應型19F-MR納米分子成像探針

超聲波作為一種非侵入性的手段被廣泛用于癌癥的診療一體化研究。在超聲波的空化或機械效應刺激下觸發(fā)多種納米分子成像探針按需釋放藥物，進而避免產(chǎn)生不良反應。Ma等[26]使用涂覆乳液的制備方法合成了HIFU響應的新型藥物遞送系統(tǒng)，該探針能夠在HIFU觸發(fā)下加速釋放藥物，具有熱消融和化學療法的協(xié)同效應，能夠明顯抑制癌癥復發(fā)。然而，在HIFU治療期間，聚焦周圍的高能量超聲不可避免地會破壞傳播途中的正常組織，從而導致嚴重的副作用[27]。因此，Liu等[28]使用低強度聚焦超聲(low intensity focused ultrasound，LIFU)激活藥物的釋放，此項研究顯著提高了治療效果并減小毒副作用，從而實現(xiàn)了癌癥的診療一體化。

3.2 溫度響應型19F-MR納米分子成像探針

溫度響應藥物遞送是研究最多的刺激響應策略之一，并且在腫瘤學領域的應用備受關(guān)注。納米載體材料中某種成分所產(chǎn)生的溫度響應性會隨著周圍溫度的變化而觸發(fā)藥物的釋放?；谶@項原理，Hill等[2]利用生物合成方法制備了一種蛋白質(zhì)嵌段共聚物(氟化的熱響應組裝蛋白質(zhì)，F(xiàn)-TRAP)，構(gòu)建成一個具有19F核磁共振弛豫性能和封裝并釋放小分子治療能力的單分散納米膠束。這種氟化膠束利用其良好的熱響應性能來釋放負載的藥物，為熱響應性19F MRI/MRS診療納米分子成像探針的開發(fā)提供了一條新的途徑。

3.3 pH響應型19F-MR納米分子成像探針

近年來，pH值變化作為觸發(fā)藥物釋放的特有刺激具有巨大的研究應用潛力，其可以控制特定器官或溶酶體中藥物的傳遞。酸性微環(huán)境是實體腫瘤的主要特征之一。Bo等[13]設計了一種具有高19F-MR敏感性和生物相容性的氟化樹突狀兩親物，用于遞送包裹阿霉素(doxorubicin，DOX)的全氟化碳納米分子成像探針。在弱酸條件下，探針表面pH敏感的N，N'-二乙基乙二胺發(fā)生自溶脹反應，使得聚合物囊泡膜的滲透性增加，導致DOX釋放，此種pH敏感型納米探針對腫瘤細胞具有明顯的殺傷效果。此外，Zhang等[29]開發(fā)了一種基于聚合物囊泡的pH敏感型全氟化碳納米分子成像探針，其粒徑能夠在循環(huán)過程中維持在178 nm，并在酸性腫瘤微環(huán)境中增加至437 nm。并通過紅外光或低頻超聲進行局部加熱，可觸發(fā)阿霉素的快速釋放，從而利于癌癥治療。

3.4 氧化還原響應型19F-MR納米分子成像探針

近年來，氧化還原響應型納米分子成像探針也廣泛應用于抗腫瘤藥物的遞送。通常情況下，正常組織和腫瘤組織的細胞內(nèi)外環(huán)境之間存在氧化還原電位的差異。另外，谷胱甘肽(glutathione，GSH)可裂解二硫鍵，獲得氧化還原活性。Wang等[30]構(gòu)建了一種新型的多功能納米系統(tǒng)，具有高穩(wěn)定性、靶向性和氧化還原敏感性等特點。此類納米治療劑以全氟己烷(perfluorohexane，PFH)為核心，外表面裝飾有氧化還原響應性共聚物(MPHSS-PFH)?；诩{米探針外部交聯(lián)的可還原性二硫鍵對間質(zhì)組織內(nèi)及細胞周圍的還原性物質(zhì)高度敏感，當處于還原性條件下的腫瘤微環(huán)境時，其智能化復合物由交聯(lián)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟娼宦?lián)狀態(tài)而被激活，從而在血液循環(huán)中攜載藥物釋放到腫瘤部位，因此可進一步開展腫瘤治療的研究。

4 展望

基于精準醫(yī)療的革命性進展逐漸發(fā)展起來的19F-MR分子成像技術(shù)，已經(jīng)成為疾病診療一體化的重要組成部分。19FMR分子成像通過非侵入性地在體實時評價疾病的分子水平狀態(tài)，可以實現(xiàn)靶向治療、療效的實時監(jiān)測與預后的精準判斷。此外，針對用于靶向藥物遞送的19F-MR納米分子成像探針，其在19F-MR分子成像研究領域的開發(fā)對于實現(xiàn)診療一體化具有重要意義。基于19F-MR納米分子成像探針的智能化藥物控釋體系對疾病的精準靶向治療具有潛在的應用價值。在外源性或者內(nèi)源性刺激下產(chǎn)生響應，引起藥物的快速釋放，進而對疾病實現(xiàn)最高效的治療。在當前的工作中，全氟化碳納米探針使用表面活性劑和蛋黃磷脂作為乳化劑，這可能會影響納米探針的穩(wěn)定性以及藥物的治療效果，需要進一步優(yōu)化合成方法。同時靶向藥物遞送和19F-MR分子成像仍然是一個開放且具有挑戰(zhàn)性的領域。雖然目前19F-MR分子成像用于靶向藥物遞送多處于臨床前研究及臨床轉(zhuǎn)化研究階段，但結(jié)合整體情況及當下趨勢，19F-MR分子成像探針具有高的安全性、靶向性和良好的藥代動力學，可實現(xiàn)臨床轉(zhuǎn)化。

利益沖突：無。