納米級造影劑在腫瘤影像學診療中的基礎應用進展

朱小琪， 劉軍杰, 李紅學， 周知展

廣西醫(yī)科大學附屬腫瘤醫(yī)院 超聲科， 廣西 南寧 530021

隨著納米技術的發(fā)展，納米材料在醫(yī)學領域的應用也來越廣泛，納米平臺有可能為腫瘤的早期診斷提供更準確高效、實時可靠的成像[1]。相比傳統(tǒng)造影劑，納米級造影劑在體外和動物疾病模型中表現出更高的信號強度、良好的靶向能力和更長的循環(huán)時間，特別是在腫瘤的診斷和治療上[2]。本文主要綜述了近幾年納米級造影劑應用于CT、 MRI、US、PET和SPECT等成像技術中，其在腫瘤影像學診斷及治療上的基礎應用進展，同時探討納米級造影劑的發(fā)展前景和存在的問題。

1 納米級造影劑的材料及制備方法

可用于合成納米粒子的材料有很多，如脂質體、樹狀大分子、膠束、富勒烯、碳納米管、量子點，以及二氧化硅、稀有金屬等[3]，還可直接利用一些天然的納米粒子，如脂蛋白、病毒和鐵蛋白，其具有可精確定義尺寸大小、潛在的非免疫源性和可降解性等優(yōu)點[4, 5]。納米級造影劑的制備方法主要有：選擇性蝕刻法[6]、薄膜水化法[7]、冷凍干燥法[8]、機械振蕩法[9]、噴霧干燥法[10]、超聲乳化法[11]等，Turkevich法[12]是合成金納米粒子最簡單實用的方法。可通過靜電吸附[13]、共價偶聯[14]、生物素-親和素結合[15]、馬來酰亞胺硫醇反應[16]等方法將靶向物質連接在納米粒子表面，以增加其靶向性和功能多樣性，還可以使用聚乙二醇、磷脂和葡聚糖、肽類等涂層材料，賦予納米粒子表面涂層，使其具有生物相容性、長循環(huán)時間、低毒性和低劑量調理作用[5, 17]。

2 納米級造影劑成像相關機制

納米級造影劑所具有的主動靶向、被動靶向及增強滲透和滯留(EPR)效應等特點，為腫瘤的診斷和治療提供了新思路。主動靶向是指造影劑通過偶聯或吸附與靶點特異性結合，在目標位置主動聚集和滯留，以提高造影劑的定位，而被動靶向是指造影劑通過機體自身免疫系統(tǒng)，在調理素的協(xié)同作用下被某些細胞或組織吞噬或吸附，到達靶器官或組織進行特異性分子成像的過程，其影響因素主要有納米粒子的粒徑大小、表面電荷及疏水性等。EPR效應與被動靶向相關，納米粒子可從腫瘤血管滲漏擴散到血管外，在瘤周組織聚集，使腫瘤局部造影劑濃度相對增加[18]。增強滲透和滯留的效果取決于納米粒子的性質、腫瘤異質性及其血管的性質和分布狀況[19, 20]。

此外，納米粒子的大小與造影劑的生物分布、血液循環(huán)半衰期、細胞攝取、腫瘤穿透性和靶向性密切相關[21]。直徑小于10 nm的納米粒子會被腎臟迅速清除，直徑10～100 nm間的納米粒子具有良好的藥物代謝動力學，在長時間循環(huán)后積聚在腫瘤部位且不易被腎臟清除，最適合應用于體內[22]，而大于100 nm的納米粒子則易被巨噬細胞識別，并在具有單核巨噬細胞系統(tǒng)的器官，如淋巴結、肝、脾和肺中蓄積[23, 24]。直徑小于780 nm的納米粒子可以穿過腫瘤血管內皮間隙(380～780 nm)到達血管外，滲透到腫瘤組織，且能穿過腫瘤基質屏障[25]。納米粒子進入細胞的吸收率與其形狀也有很大關系，有研究表明，棒狀粒子的吸收率高于其他形狀的納米粒子[17]。除粒徑外，納米粒子的表面性質對內皮網狀系統(tǒng)對造影劑的吸收也有重要影響，親水表面和中性表面一般不容易被其識別吸附[26]。

3 納米級造影劑theranostic平臺

theranostic平臺旨在設計集診斷和治療為一體的納米粒子，其主要機制是EPR效應。在造影劑的表面同時連上靶向物和藥物，當造影劑在主動靶向作用下進入腫瘤組織后，其上攜帶的藥物在一定條件下釋放出來，可達到治療的目的[27]。Chiang等[28]研究的集核磁共振成像(MRI)和化療為一體的葉酸修飾的超順磁性氧化鐵-阿霉素負載的納米凝膠聚合體，其腫瘤靶向性、高磁相關性及細胞攝取顯著促進了靶向癌細胞的MRI成像，成像效果優(yōu)于商用的基于超順磁性氧化鐵納米粒子(SPION)的T2造影劑Resovist。李正林等[29]開發(fā)了一種用于多模態(tài)成像、刺激響應型給藥和協(xié)同化學光熱聯合治療的牛血清白蛋白修飾的多孔鉍“納米樹莓”載體，將阿霉素裝載到載體中，由激光和酸性pH響應觸發(fā)，進行可控的藥物釋放，腫瘤抑制效率顯著高于單一化療,且未見明顯的毒副反應，同時實現了腫瘤高對比度的紅外熱、CT和光聲三模態(tài)成像。theranostic納米粒子可實時監(jiān)測給藥量和藥物不良反應，評估藥物給藥效率和腫瘤內藥物的分布情況，對實現腫瘤患者個體化精準治療有重要意義[27]。

4 納米級造影劑在MRI成像中的應用

4.1 MRI成像特點

MRI具有無創(chuàng)性、高空間分辨率、非電離輻射、軟組織成像良好等特點[30]。MRI造影劑根據作用原理可分為縱向弛豫(T1)造影劑和橫向弛豫(T2)造影劑。T1造影劑通常是順磁性材料，可以縮短T1弛豫時間，在T1加權圖像上產生明亮的“正”對比。T2造影劑一般是超順磁性材料，可以縮短T2弛豫時間，從而在T2加權圖像上產生暗的“負”對比[2, 31]。 T1造影劑粒徑越小，成像效果越好，而T2造影劑則是粒徑越大，成像效果越好[32]。

4.2 結構和組成特征

納米級MRI造影劑常見的結構設計一般有以下幾種：帶表面修飾的磁性納米粒子、核-殼結構、矢量結構及混合結構[2]。帶表面修飾的磁性納米粒子是最基本簡單的結構，例如超順磁性納米氧化鐵[33]。核-殼結構是用有機或無機材料合成殼，磁性材料作為核，能在一定程度上控制納米粒子的大小和負載的磁性材料的量，降低毒性，延長血液循環(huán)時間，增加造影劑的穩(wěn)定性[34]。矢量結構可使納米粒子具有多種成像功能。混合結構將多種結構的優(yōu)點相結合，提高成像能力。

4.3 在腫瘤診斷中的應用進展

釓類是目前最常見的T1造影劑，由于游離Gd3+具有毒性，主要以釓螯合物的形式存在或者表面偶聯。Cao等[35]采用聚丙烯酰胺修飾的聚氨基胺作為納米球狀結構的核心，并在側鏈上通過二硫鍵與釓螯合物連接，然后與葉酸部分偶聯，最后自組裝成具有生物降解性和靶向性的PAMAM-PG-g-s-s-DOTA(Gd)+FA納米球狀大分子MRI造影劑，靜脈注射至荷瘤小鼠體內，實驗結果顯示，該造影劑在腫瘤成像中具有良好對比效果和生物安全性。

以氧化鐵為基礎的造影劑一般是T2造影劑。Xiong等[36]通過聚乙二醇-d-氨基葡萄糖修飾磁性氧化鐵，制備了Fe3O4@OA@PLA-PEG-DG納米粒子，然后被動靶向腫瘤細胞，這些功能性磁性納米粒子在體內外均表現出良好的生物相容性、穩(wěn)定性和高靶向性。Gao等[37]提出了一種新型納米級造影劑——殼聚糖/Fe3O4包封雙特異性抗體(BsAbCENS)，對癌胚抗原(CEA)和神經元特異性烯醇化酶(NSE)具有靶向性，該造影劑可提高肺癌診斷的敏感性和特異性，為疑似早期肺癌患者的腫瘤診斷提供了一種潛在的新方案。

錳基MRI造影劑也是常見的一類造影劑，具有縮短T1弛豫時間的功能。Li等[14]通過共價偶聯反應引入氨基修飾的AS1411配體作為靶向分子，制備AS1411-PEG-MnO納米探針，其成像效能和穩(wěn)定性優(yōu)于臨床使用的造影劑Magnevist，且可以在體外MRI清晰持久地顯示786-0腎癌細胞，經靜脈注射的納米級造影劑最終通過腎臟從體內清除。錳基MRI造影劑還可作為pH響應型造影劑，對弱酸性腫瘤微環(huán)境較為敏感[38]。此外，有研究發(fā)現，含氟納米粒子也有作為MRI造影劑的潛能，例如全氟聚醚的超支化納米粒子用于乳腺癌的體內特異性檢測，具有很高的19F MRI靈敏度[39]。

5 納米級造影劑在US成像中的應用

5.1 US成像特點

超聲具有無創(chuàng)、實時成像、操作方便等優(yōu)點。超聲造影對區(qū)分病灶和周圍正常組織顯示出很好的效果，其安全性高，可產生豐富的諧頻，具有一定的穩(wěn)定性。目前，市面上常用的超聲造影劑多為2.8 μm左右的微泡，只能進行血池成像，不能進行細胞攝取，由于其體積較大，循環(huán)壽命也相對較短[11]，納米級造影劑被引入用于克服這些局限性，為了獲得足夠的聲反射，大多數納米級超聲造影劑比MRI、CT所使用的粒子直徑要大很多，一般在100～1000 nm左右[2]。

5.2 結構和組成特征

納米級超聲造影劑通常設計成殼-核結構，由3部分組成：內核、外殼、連接靶點的配體或抗體。內核主要是氣態(tài)或液態(tài)的氟化合物，根據其形狀結構和外殼材料可分為納米微泡、納米膠束、納米乳劑、納米膠囊、納米顆粒、納米囊泡等[40]。外殼表面可與特異性受體的配體或針對特定抗原的抗體連接(多肽、轉鐵蛋白、葉酸等)，使納米級造影劑具有靶向性，達到分子特異性成像的目的。

5.3 在腫瘤診斷中的應用進展

在腫瘤方面的應用是靶向納米級超聲造影劑研究的主要方向，其依靠被動靶向和主動靶向機制，實現超聲在分子水平更加實時精準的成像。大致可分為基于腫瘤新生血管的靶向納米級超聲造影劑和基于腫瘤特異受體的靶向納米級超聲造影劑。以下舉例：Chen等[41]開發(fā)了一種新型的包裹苯二甲藍染料和全氟己烷的納米粒子，與抗VEGFR -2抗體結合后靶向乳腺腫瘤的新生血管內皮細胞，用于體內PA/US雙模成像。Hamano等[16]制備了使用Fc結合多肽結合抗CD146抗體修飾的納米氣泡(m146-NBs)，在荷瘤小鼠中采用對比諧波成像技術進行成像，在給藥后1 min顯示了強信號且造影圖像維持20 min。此外，納米級超聲造影劑還能發(fā)揮靶向治療作用，可攜帶化療藥物或靶向藥物，在高強度聚焦超聲介導下實現藥物可控釋放[42]。光熱療法是另一種新興的腫瘤治療方法，被應用于實體瘤的消融治療[43]。

6 納米級造影劑在CT成像中的應用

6.1 CT成像特點

CT密度分辨力高，可行密度量化分析，組織結構無重疊，顯著提高了病灶的檢出率。注射造影劑后，對比增強檢查能將衰減系數相近的組織和病灶區(qū)分開。目前使用的CT造影劑主要以碘劑為主，但碘類造影劑只能進行非特異性血池成像，且在體內清除迅速，存在過敏反應和潛在的腎毒性。納米級造影劑的有效載荷要比碘類造影劑高得多，并能增加X射線的吸收，意味著患者接觸到的X射線劑量較少[26]。引入納米級造影劑有望改變以上局限性，并在此基礎上產生更廣闊的作用。

6.2 結構和組成特征

CT納米級造影劑可分為兩類，基于碘的造影劑和基于金屬的造影劑[2]?；诘獾脑煊皠┮话銥榻浀涞暮?殼結構，其外殼可以是有機或無機材料，核心是碘劑，例如脂質體包裹碘劑的納米級造影劑[44]?；诮饘俚脑煊皠┙Y構與MRI納米級造影劑類似，可具有多種結構，稀有金屬具有高X射線衰減系數，例如金、鉍、鉭、鑭系等均可作為納米級CT造影劑材料[45]。

6.3 在腫瘤診斷中的應用進展

將碘劑包裹于納米材料中，不僅可以大大降低碘劑的細胞毒性，而且比傳統(tǒng)的造影劑成像效果更佳。Zou等[46]將cRGD功能化的二硫代交聯富碘聚合體(cRGD-XIPs)造影劑和碘己醇分別在以αvβ3過表達的B16黑色素瘤模型中進行瘤內注射和靜脈注射，研究其在體內外CT成像效果。在分別進行瘤內注射和靜脈注射4 h時，cRGD-XIPs對B16黑色素瘤CT成像的增強效果分別是碘己醇的46.5倍和24.0倍。Hu等[47]制備了一種空心的亞碳酸鉍納米管(BNTs)，用于進行腫瘤靶向成像，結果表明，BNTs對腫瘤細胞有高效的靶向性，造影效果良好，而且細長的納米管可以在酸性的腫瘤微環(huán)境中分解成獨立的小納米團簇，加速了藥物在腫瘤細胞的釋放及在腎臟的排泄時間，極大減輕了鉍類造影劑的毒副反應。金納米粒子具有很強的生物相容性，能夠通過EPR效應靶向腫瘤細胞，是CT成像中可以替代碘劑的最佳納米級造影劑材料[26]。Kim等[48]利用前列腺特異性膜抗原(PSMA) RNA配體對金納米粒子(GNPs)表面進行功能化，隨后對前列腺癌細胞進行CT成像，PSMA 配體偶聯的金納米粒子和非靶向的金納米粒子均顯示出較高的CT值，PSMA 配體靶向的金納米粒子比非靶向的粒子高出4倍的CT強度。有趣的是，Wang等[49]通過“舊藥新技”的方法制備硫化錸(ReS2)納米粒子，硫化錸原本是一種臨床放療增敏劑，生物安全性較高，且具有出色的光譜CT成像能力，有望成為胃腸道納米級CT成像造影劑，并具有成為體內腫瘤theranostics平臺的潛能。

7 納米級造影劑在PET和SPECT成像中的應用

7.1 PET和SPECT成像特點

正電子發(fā)射斷層掃描(PET)和單光子發(fā)射計算機斷層掃描(SPECT)都屬于放射性核素成像，其缺點是圖像采集時間慢、空間分辨率低、暴露于電離輻射、缺乏解剖信息，因此，通常與MRI或CT等其他成像方式結合以提供解剖定位[50]。PET成像示蹤劑需要半衰期較長的核素，臨床常用的是18F，但由于制備和細胞攝取所需的時間，對于納米級示蹤劑來說這一半衰期仍太短，需要其他半衰期更長的核素來替代，如64Cu、131I等[2]，而SPECT成像中使用的放射性核素的半衰期最長，臨床常用99Tc。

7.2 結構和組成特征

用于PET和SPECT成像的納米粒子在結構上與MRI、CT、超聲等其他醫(yī)學成像方式所述的納米粒子相似，因此，許多用于PET和SPECT成像示蹤的納米粒子，具有多模態(tài)成像的潛能。

7.3 在腫瘤診斷中的應用進展

PET和SPECT主要用于腫瘤成像示蹤，納米劑造影劑對腫瘤的成像可以通過主動靶向或EPR效應實現。Sun等[51]制備了一種131I標記、聚醚酰亞胺包埋金納米顆粒，作為一種新型納米探針(BmK CT-Au PENPs-131I)，該新型納米探針X射線衰減系數、膠體穩(wěn)定性、細胞相容性和放射化學穩(wěn)定性等方面均有較好的表征，適用于腫瘤細胞體內外異種移植腫瘤模型的靶向SPECT/CT成像和放射性核素治療。最近，Mojarrad等[52]合成了99mTc-(DOTA-NHS酯)-蛋氨酸放射化合物，并應用于SPECT/CT診斷乳腺癌，結果表明，99mTc -(DOTA-NHS酯)-蛋氨酸放射性化合物對人胚胎腎細胞293細胞系(HEK293)細胞毒性較低，使用蛋氨酸作為標記，細胞攝取率較高。因此，99mTc -(DOTA-NHS酯)-蛋氨酸放射化合物有可能成為用于乳腺癌早期診斷造影示蹤劑的較好選擇。此外，金納米粒子可通過細胞攝取作為示蹤劑，已被用于標記腫瘤細胞，以監(jiān)測腫瘤細胞在X射線照射下的生長情況，其最具備多模態(tài)成像潛能[53]。

8 發(fā)展前景與存在的問題

隨著納米技術的發(fā)展，單一成像方式變得比以前更強大，而多模態(tài)成像和集診斷和治療為一體的納米theranostic平臺將是未來的研究重點。大約有50種納米藥物已經被FDA批準[54]，以氧化鐵納米粒子作為代表的一些生物相容性好的納米材料已經進入臨床，進行單核巨噬細胞系統(tǒng)成像，特別是肝臟成像，更多的藥物正處于早期開發(fā)或臨床試驗階段[3]。

目前，納米級造影劑仍處于研究階段，依然存在一些問題：(1)制備技術仍不夠成熟且缺乏統(tǒng)一性，雖然研究者們研究出很多種適合于制備納米級造影劑的方法，但沒有公認的可重復性強、可批量生產的成熟制備技術；(2)實現多功能性所需的復雜結構也是一個巨大的技術挑戰(zhàn)，如膠體穩(wěn)定性、實驗過程的可控性和成本控制[30]；(3) 納米級造影劑的制備材料生物安全性仍未知，雖然多數動物實驗表明大多數納米材料無或存在極低的生物毒性，但未經過臨床試驗應用于人體，仍需要進行長期的生物毒性評估；(4)尚未能確定最適于應用人體的納米級造影劑的粒子直徑、形狀及劑量等；(5)集成像和治療一體的納米粒子如何協(xié)調其成像效能及載藥量，也是需要考慮的問題。這些都是納米級造影劑向臨床轉變所面臨的挑戰(zhàn)。但是，隨著納米技術和醫(yī)學成像技術的不斷發(fā)展，相信以上問題都會迎刃而解，納米級造影劑在腫瘤早期診斷和個體化精準治療中將發(fā)揮越來越重要的作用。