腫瘤微環(huán)境響應型19F-MR分子成像納米探針

胡雪松，衛(wèi)佳楠，王洪斌，吳麗娜，王凱，孫夕林*

腫瘤微環(huán)境(tumor microenvironment，TME)是腫瘤細胞及其生活的內(nèi)環(huán)境，不僅包括腫瘤細胞本身，還包括周圍的各種細胞及生物分子，在研究腫瘤發(fā)生、發(fā)展和生物學行為中起著重要作用。19世紀80年代Paget[1]首次提出“種子-土壤”理論，TME 作為為腫瘤生長提供營養(yǎng)支持的土壤，是腫瘤生理結(jié)構和功能的重要組成部分，為腫瘤的發(fā)生發(fā)展、侵襲、轉(zhuǎn)移等惡性生物學行為提供必需的營養(yǎng)環(huán)境[2]。分子影像學(molecular imaging)是在活體狀態(tài)下，應用影像學方法對人或動物體內(nèi)的細胞和分子水平的生物學過程進行成像、定性和定量的研究。分子影像學作為一種多學科交叉、融合的學科，是醫(yī)學影像學的發(fā)展方向和未來，在監(jiān)測腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中TME 內(nèi)的一些分子改變及環(huán)境變化方面具有巨大研究潛力，包括腫瘤細胞內(nèi)pH改變[3-5]、大量新生血管生成[6-8]、腫瘤組織乏氧[9-11]、酶和蛋白質(zhì)的異常表達[12-14]等，并能夠做出相應特異性診斷，判定預后，監(jiān)測療效和腫瘤復發(fā)等情況，對基礎及臨床研究具有重大意義。

磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)具有高空間分辨率和深組織穿透能力，特別適合用于軟組織高分辨率成像[15-16]。與此同時，19F 原子高自旋量子數(shù)、高靈敏度(H 質(zhì)子的83%，僅次于H)、廣泛化學位移和可忽略的人體背景信號等特點引起了研究者的興趣[17-19]。將19F-MRI與分子影像相結(jié)合，利用氟原子高磁敏感率、高生物安全性及高MR 成像能力的特點，可在分子水平上實時監(jiān)測各組織器官的生物學行為。

納米醫(yī)學是將納米顆粒應用于疾病診斷和治療的一門學科，利用納米技術可將多種材料如金屬[20-22]、硅及二氧化硅[23-26]等應用于構建這類納米顆粒。迄今為止，已有大量納米藥物被設計用于治療各種疾病，尤其是針對于腫瘤的治療[27]。納米顆粒尺寸較小，通常在腫瘤組織的滯留和穿透方面發(fā)揮重要作用[28]。隨著納米技術的不斷發(fā)展，已設計出大量針對于TME 改變的智能環(huán)境響應型納米分子成像探針，這些探針能精準識別組織和器官的微小環(huán)境變化，使分子構象發(fā)生改變，并通過體外分子水平19F-MR 成像方式，早期識別異常。由于TME復雜多變，針對腫瘤pH、酶、各種離子、氧化還原變化等特性的TME 響應型納米分子成像探針的研究成為熱點，筆者對TME響應型19F-MR納米分子成像探針的特點及應用進行討論，以期為新型探針的制備提供理論依據(jù)。

1 pH響應型19F-MR納米分子成像探針

相對于正常組織(pH 為7.35～7.45)，TME 的pH 明顯降低，范圍在6.5～6.9 之間，這與腫瘤組織的糖酵解代謝上調(diào)以及乳酸生成增加有關[3]。近年來，針對TME 中pH 改變而設計的pH 響應型19F-MR 納米分子成像探針的研究成為熱點。Chen等[3]設計合成一種新型納米分子成像探針，由于葉酸受體在腫瘤細胞表面高表達，因此將葉酸偶聯(lián)到金納米粒子(AuNPs)表面，AuNPs再通過對酸不穩(wěn)定的腙鍵共價偶聯(lián)到熒光功能化的介孔二氧化硅納米顆粒(FMSNs)上，得到Au-FMSNs，再將19F 對比劑六氟苯(C6F6)封裝于FMSNs 中，最終制得pH 響應型19F-MR納米分子成像探針C6F6@Au-FMSNs。對于pH為中性(pH=7.4)的正常細胞或PBS 溶液，pH 觸發(fā)的19F 生物傳感器未被激活，19F-MR 呈現(xiàn)低信號。而在pH 為酸性的TME 中，由于葉酸的主動靶向，探針能夠順利進入腫瘤細胞，腙鍵在細胞內(nèi)酸性pH中被裂解，導致FMSNs 釋放19F 對比劑，19F 分子由束縛態(tài)變?yōu)橐后w狀態(tài)，弛豫時間有明顯改變，T1 大大縮短，19F-MR 信號明顯增強。通過對19F-MR 信號變化的監(jiān)測，間接反映出TME 中pH值的變化，對腫瘤早期診斷和定位具有重要意義。

Zhu 等[29]將二甲基咪唑四氟硼酸鹽BMMIBF4封裝在可溶于酸性溶液的聚合物中，獲得pH 響應型19F-MR 納米分子成像探針。BMMIBF4被封裝后，19F信號消失，19F NMR峰明顯降低，說明BMMIBF4完全封裝于聚合物中(圖1)。將該探針在不同pH 條件下進行MR成像，結(jié)果顯示，在pH=7.4時被封裝的BMMIBF4的T2*非常短(T2*＜TE)，幾乎沒有19F信號；而當pH為6.4和5.0時，19F信號隨時間增加逐漸增強，提示pH 觸發(fā)的氟劑釋放導致MRI T2*延長，19F-MR信號開啟，且pH 5.0比pH 6.4的信噪比更高(達到188)。該探針的pH 響應特性能使其在細胞和分子水平對TME中pH改變做出響應，并通過MRI等成像手段對19F信號進行監(jiān)測，及早察覺TME改變并做出相應治療策略。

2 離子響應型19F-MR納米分子成像探針

相對于正常細胞，腫瘤細胞內(nèi)離子濃度尤其是Na+和Cl-濃度明顯升高[30-34]。Smith 等[33]研究結(jié)果也表明，與正常肝細胞相比，肝癌細胞中Na+和Cl-濃度增加了兩倍多。Zhang 等[35]研究發(fā)現(xiàn)腫瘤細胞內(nèi)離子強度的變化會導致離子反應聚合物在溶液中的構象和遷移率發(fā)生改變，在鹽溶液中共聚物OEGMA-co-TFEA 中的OEGMA 側(cè)鏈上的醚氧原子可與Na+緊密結(jié)合，由于高氟化聚合物片段的聚集，TME中離子含量明顯升高，導致這些基團的T2弛豫時間非常短，19F-MR信號明顯降低。實驗中還發(fā)現(xiàn)，腫瘤細胞中的Na+濃度大約為癌前和正常乳腺細胞的3 倍，此外，在人乳腺癌MCF-7 腫瘤細胞中得到的19F NMR T2 值(82.3 ms)遠低于正常細胞T2 值(124.2 ms)。因此，這些離子聚合物納米分子成像探針的19F-MR T2可以作為一種非侵入性檢測指標，對TME中離子改變做出實時響應。

3 酶響應型19F-MR納米分子成像探針

酶涉及多種人類疾病，如癌癥、自身免疫性疾病等，在藥物開發(fā)和疾病診斷方面具有重要研究意義，對哺乳動物酶活性的檢測和成像亦可作為生物成像的最終目標之一[12]。半胱天冬酶-3 和-7 (Caspase-3 和-7)是細胞凋亡的標志，以酶原形式在細胞內(nèi)胞漿中高表達，Caspase-3/7活性被用作評價誘導腫瘤細胞凋亡的抗腫瘤治療的生物標志物，且在凋亡早期表達情況明顯高于凋亡晚期及死細胞。利用這一特性，Akazawa等[12]設計了高度功能化且具有19F信號響應開關的納米分子成像探針FLAME-DEVD 2，其中FLAME 由液體全氟碳核和堅固的二氧化硅外殼組成；DEVD 2 是Caspase-3/7 酶的底物肽序列，該探針表面通過DEVD 2連接Gd3+復合物，基于其順磁弛豫增強效應(proton relaxation enhancement，PRE)，即順磁分子中的未成對電子與原子核之間的偶極-偶極相互作用引起原子核弛豫速率加快的現(xiàn)象[36]，探針中PFCs 的T2 值被有效抑制，19F-MR 信號減弱。而在腫瘤組織微環(huán)境中，Caspase-3/7 酶高表達，納米探針進入后，Caspase-3/7 酶可裂解底物肽DEVD 2，使Gd3+復合物與FLAME 分離，淬滅作用消失，T2值延長，19F-MR信號顯著增強。

酯酶是一類廣泛應用于生物技術領域的酶，具有催化酯類水解的功能，在腫瘤組織中高表達，通過調(diào)節(jié)機體內(nèi)蛋白質(zhì)的活性參與物質(zhì)代謝、運輸和基因表達等生物過程[37-38]?；诩{米分子成像探針的酶響應特性，Guo 等[39]設計了一種酶響應型19F-MR 上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米探針Gd3+-NaYF4:Yb3+/Er3+，用于檢測TME 中磷脂酶A2 (PLA2)活性。該探針以全氟-15-冠-5-醚(PFCE)為疏水核心，配以磷脂殼層，基于19F-MR 信號T2 的PRE 效應，當一個氟化基團通過酶底物與Gd3+配合物連接時，19F-MR 信號被Gd3+淬滅。PLA2 在多種病理條件下存在[40-42]。因此這些納米分子成像探針進入TME后，由于PLA2的含量增多，導致磷脂殼降解，19F核的流動性增加，氟原子的T2 弛豫時間延長，19F NMR顯示91.9 ppm處單線態(tài)峰的信號顯著增加，19F-MR 信號開啟，并且在5.0～200 U/L 范圍內(nèi)隨PLA2含量的增加，19F-MRI信號呈線性增強趨勢。

4 還原響應型19F-MR納米分子成像探針

腫瘤細胞的快速生長將導致細胞數(shù)量急劇增多、體積迅速增大，從而導致組織供血不足，進而引發(fā)腫瘤細胞乏氧及酸性微環(huán)境的產(chǎn)生[9]。針對腫瘤組織乏氧的特點，Kadakia 等[43]設計一種可同時利用19F-MR和熒光兩種手段檢測細胞缺氧狀況的雙模態(tài)納米分子成像探針CuATSMF3-Fl。正常組織中由于Cu2+存在導致19F 和熒光信號淬滅，探針在19F NMR 譜中未出現(xiàn)峰值，無19F-MR 信號產(chǎn)生。而在低氧的TME 中，Cu2+被還原為Cu+，淬滅作用消失，相應19F-MR和熒光信號在納米探針的配體支架脫膜時開啟，在19F NMR 譜圖中70.2 ppm處可觀察到尖銳的峰，19F-MR 和熒光信號均明顯增強。利用該納米分子成像探針的還原響應特性結(jié)合19F-MR成像通過對TME的檢測能夠鑒別出正常細胞和乏氧細胞，早期識別低氧腫瘤，實現(xiàn)腫瘤早期診斷及治療。

Tang 等[44]設計并合成一種兩親性氧化還原反應響應型19F 聚合物和近紅外吸收吲哚箐綠(ICG)分子自組裝的級聯(lián)多響應型19F NMR 納米分子成像探針1-ICG NPs。探針含有19F 基團，通過可被還原裂解的二硫鍵連接到聚乙二醇上。由于自組裝限制，19FNMR 未檢測到峰值；而當1-ICG NPs 溶液與還原型谷胱甘肽共同孵育后，二硫鍵斷裂，19F NMR 顯示在62.7 ppm 處有19F 峰出現(xiàn)并逐漸升高，信噪比呈不斷增加趨勢，隨后在外部施加808 nm的激光治療，19F NMR出現(xiàn)更高、更尖銳的峰，出現(xiàn)明顯的第二次19F-MR 信號放大。級聯(lián)過程產(chǎn)生的最大信噪比約提高64 倍。利用該納米分子成像探針的分步雙級信號激活放大響應特性，可有效提高19F-MR對TME的診斷靈敏度。

5 總結(jié)與展望

隨著納米技術的不斷發(fā)展，研究者們設計研發(fā)出種類繁多的智能環(huán)境響應型納米分子成像探針，這些納米分子成像探針具有特異靶向性、高信噪比及原位顯示深部組織等優(yōu)勢，特別是，在其合成過程中加入19F 小分子核團，這類新型納米探針在腫瘤復雜微環(huán)境改變的特定刺激下，構象發(fā)生改變，19F核團暴露，從而使19F-MR 信號明顯升高，最終達到19F-MR 腫瘤微環(huán)境分子成像的目的。同時，隨著一些硬件軟件技術，如雙1H/19F 射頻線圈和超快脈沖序列的不斷研發(fā)，19F-MR 的精度和靈敏度得到極大提高，對氟信號的檢測敏感度更高。但是，TME 復雜多樣，變化不盡相同，智能環(huán)境響應型19F-MR 納米分子成像探針合成過程中又涉及多種級聯(lián)反應，設計及操作步驟復雜，這都為研發(fā)性能優(yōu)越的智能環(huán)境響應型19F-MR 納米分子成像探針帶來了巨大的挑戰(zhàn)。但相信不久的將來，通過研究者們不斷努力，這些瓶頸問題一定會被逐一攻克，使基于智能環(huán)境響應型納米探針的腫瘤19F-MR 微環(huán)境分子成像能夠在體敏感地針對TME變化做出精準監(jiān)測，從而為TME分子水平在體動態(tài)可視化、研究TME 分子機制、及時研發(fā)全新的診斷及治療策略開辟全新的技術方法和途徑。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。