釓基無機納米粒子磁共振造影劑設(shè)計的研究進展

趙 碩，周治國

（上海師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，上海 200234）

0 引言

磁共振成像（MRI）因具有無電離輻射、多參數(shù)成像、高對比度成像等優(yōu)點，已成為臨床醫(yī)學(xué)最常見的影像學(xué)檢測手段之一.受制于當(dāng)前的技術(shù)，部分條件下無法有效區(qū)分病變組織和正常組織之間的信號差異.為實現(xiàn)更精確的診斷，人們開始研究磁共振造影劑（MRI CAs）.MRI CAs可以顯著降低體內(nèi)局部組織中水質(zhì)子的弛豫時間，提高正常組織與患病組織的成像對比度.目前，臨床上使用的縱向弛豫（T1）造影劑（即T1CAs）多為釓離子（Gd3+）螯合物.Gd3+螯合物在體內(nèi)的循環(huán)時間較短且無特異性，長時間監(jiān)測具有一定的局限性.此外，Gd3+螯合物的另一個缺點是其弛豫率相對較低，為更好滿足MRI對比度的要求，需要高劑量注射造影劑.但高劑量注射會導(dǎo)致Gd3+部分游離，游離的Gd3+因與鈣離子（Ca2+）半徑接近從而進入細胞，對人體造成巨大危害.在各種類型的MRI CAs中，基于釓基無機納米粒子（Gd IONPs）的MRI CAs有它們獨特的電子、磁性和光學(xué)特性，易于細胞內(nèi)的吸收和積累，并且具備出色的體內(nèi)穩(wěn)定性.Gd IONPs的高表面積也大大提高了它們的化學(xué)反應(yīng)性，利于表面修飾，以上特點使Gd IONPs成為MRI CAs未來的設(shè)計方向之一.

1 T1造影劑作用原理

T1CAs能夠顯著縮短水分子的T1時間，從而產(chǎn)生造影效果［1-2］.通常，T1CAs用于增加信號強度，所以T1加權(quán)MRI中的正對比度增強（產(chǎn)生的圖像更亮）.縱向弛豫率（r1）是造影劑縮短水分子T1時間的能力的評價方式，其定義為r1與CAs物質(zhì)的量濃度的曲線的斜率［3］：

其中，r10表示沒有造影劑的弛豫率，CCAs是造影劑的物質(zhì)的量濃度（mmol·L-1）.r1的值通常用于評估納米粒子CAs的MRI弛豫率.

根據(jù)所羅門-布羅伯根-摩根理論［4-6］（簡稱SBM理論），基于水質(zhì)子與磁性金屬中心之間的結(jié)合關(guān)系，可將r1分為3個部分，如圖1所示：1）內(nèi)界水rIS（Inner sphere），直接與金屬離子結(jié)合的水分子；2）第二層水rSS（Second sphere），通過氫鍵與配體相互作用的水分子；3）外界水rOS（Outer sphere），擴散在造影劑周圍的水分子.

圖1 水質(zhì)子與磁性金屬中心之間的結(jié)合關(guān)系示意圖

r1可以用式（1）表示：

因為第二層水分子的壽命非常短，且它們到金屬中心的距離很長，rSS通常可以忽略不計.因此，r1可表示為：

其中，q是內(nèi)界水的數(shù)目；CH2O表示水的物質(zhì)的量濃度；T1m是水質(zhì)子在內(nèi)界的T1弛豫時間；τm是水分子在內(nèi)界的結(jié)合時間；μ0是玻爾磁子常數(shù)；γI是質(zhì)子的旋磁比；g是電子g系數(shù)；S是相應(yīng)順磁物種的自旋量子數(shù)；rGdH是內(nèi)界水分子中的氫質(zhì)子到金屬離子之間的距離；τc是描述波動磁偶極子的相關(guān)時間；τR是造影劑的分子旋轉(zhuǎn)相關(guān)時間；ωs是電子的拉莫爾角頻率；μB是玻爾磁子，μB=9.274×10-24J·T-1.

根據(jù)式（3）～（5）可知，有3個主要因素影響造影劑弛豫率：1）q值；2）τR值；3）τm值（內(nèi)球體中水交換率的倒數(shù)kex=1/τm）.

2 Gd IONPs的r1影響因素

納米技術(shù)的進步促進了納米粒子CAs的快速發(fā)展.隨著研究的深入，人們對如何設(shè)計高弛豫率的Gd IONPs有了更多了解.通常有3種方式會對Gd IONPs的弛豫率產(chǎn)生影響：形貌、尺寸以及表面修飾.此外，通過引入氧空位也可以有效提升弛豫率.

2.1 形貌

不同的形貌對納米粒子會產(chǎn)生較大的影響，形貌的改變影響了納米粒子表面積與體積的比值（S/V），從而改變納米粒子的弛豫率，如圖2所示.

圖2 不同形貌Gd2O3∶Eu3+的合成及其磁共振性質(zhì).（a）Gd2O3∶Eu3+在不同反應(yīng)時間和pH值下的形貌形成過程示意圖；（b）Gd2O3∶Eu3+@SiO2和商業(yè)造影劑（Dotarem）的T1加權(quán)成像；（c）不同pH值下Gd2O3∶Eu3+的Gd3+的弛豫率

PARK等［7］制備了具有球形、方形棱柱、六角棒形狀的立方結(jié)構(gòu)氧化釓：銪@二氧化硅（Gd2O3：Eu3+@SiO2）樣品.其中球形結(jié)構(gòu)弛豫率明顯高于其他形貌.這種現(xiàn)象可以通過粒徑、表面積和r1的關(guān)系來理解.在相同的Gd3+物質(zhì)的量濃度下，大表面積的樣品比小表面積的Gd3+多，暴露在表面加快了水質(zhì)子的自旋弛豫過程.

ZHENG等［8］合成了具有菱形形狀的均勻氟化釓納米粒子（GdF3NPs）.為解釋形貌帶來的影響，構(gòu)建了2個幾何模型（2D板和球體）分別代表GdF3NPs和傳統(tǒng)的球體納米粒子.將板模型的3個維度的尺寸與GdF3NPs成比例設(shè)置，并且將2個模型的體積歸一化.將S定義為表面積，將a定義為流體動力學(xué)半徑.根據(jù)計算，在原子數(shù)量保持不變的情況下，2D板結(jié)構(gòu)的S/V值比球結(jié)構(gòu)相對更高.同時，2D板結(jié)構(gòu)也具有比第一個球體更長的τR.

2.2 尺寸

無機納米粒子具備獨特的尺寸依賴效應(yīng)，通過控制成核和生長從而調(diào)控納米粒子的尺寸，并對納米材料尺寸與弛豫率的相關(guān)性進行研究，以此合理設(shè)計高r1值的Gd IONPs CAs.研究表明：NPs的S/V值是r1主要的影響因素，大部分情況下會隨著NPs尺寸的減小而增加，從而提高r1，如表1所示.

表1 部分Gd IONPs尺寸對弛豫率的影響

ZHOU等［9］通過改變反應(yīng)體系中甘油的劑量調(diào)控納米粒子的尺寸，并測量了不同尺寸Gd2O3納米粒子的弛豫率.隨著納米粒子尺寸的增加，弛豫率也在不斷下降.較大尺寸粒子中弛豫率的降低是因為納米粒子的表面積減小，CHATURVEDI等［10-12］也證實了Gd2O3納米粒子尺寸越小，弛豫率越高.

在氟釓酸鈉（NaGdF4）納米粒子中也觀察到相同規(guī)律，JOHNSON等［15］通過調(diào)節(jié)反應(yīng)條件合成了不同尺寸的NaGdF4納米粒子，其r1也隨尺寸下降而提高，并發(fā)現(xiàn)S/V值并非影響弛豫率的唯一因素.LIU等［13-14］也證實了弛豫率隨NaGdF4納米粒子尺寸下降而升高.HOU等［16］首次合成了超過10 nm的NaGdF4，但發(fā)現(xiàn)對應(yīng)尺寸的納米粒子弛豫率并非完全隨尺寸減小而增大，雖然15.1 nm減小到5.4 nm時，弛豫率減小，但增加到19.8 nm時弛豫率卻提升了，此時弛豫率因受τR影響而提升.

2.3 表面修飾

除尺寸影響之外，基于SBM理論的3種水分子（內(nèi)界水、第二層水、外界水）可以通過表面修飾改變3種水分子對r1的貢獻.對于Gd IONPs表面修飾，可以調(diào)整水質(zhì)子到Gd IONPs表面的距離來增強水與中心順磁離子的距離，從而產(chǎn)生比單獨使用小分子造影劑更高的弛豫率.提高程度取決于有機配體的種類、尺寸、鏈長和官能團、碳材料的修飾以及二氧化硅（SiO2）殼的厚度，如表2所示.

表2 部分有機配體修飾對Gd IONPs弛豫率的影響

2.3.1 有機配體修飾

FANG等［17］合成了油酸（OA）和十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）共包覆的Gd2O3、親水涂層的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）包覆的Gd2O3.后者r1遠高于前者，前者的低r1值是由于雙層長疏水鏈阻止了水質(zhì)子接近納米顆粒核心中的Gd.對于后者，長PVP鏈向上滾動并將Gd2O3核心包裹在里面.PVP的每個單體中的極性C=O基團允許水分子穿過涂層，并與Gd2O3相互作用，從而提高了r1.

ZHENG等［8］利用檸檬酸與聚（丙烯酸）（PAA）2種有機配體改善GdF3水溶性，研究表明：PAA改性弛豫率遠高于檸檬酸改性.檸檬酸分子鏈相對較短，改性后的納米粒子具有較小的流體動力學(xué)半徑.因此，它們的τR相對較小，不利于弛豫增強.

ZHENG等［18］選擇帶有羧基的陰離子PAA、帶有氨基的陽離子聚乙烯亞胺（PEI）和帶有醚基的中性聚乙二醇（PEG）改善NaGdF4的水溶性，PAA包裹的納米粒子弛豫率明顯高于其他2種聚合物.結(jié)合能（BE）計算表明，PAA對水分子的結(jié)合能力遠強于PEG和PEI，有機配體的官能團對弛豫率也有顯著影響.此外，還發(fā)現(xiàn)弛豫率與有機配體分子量并無正相關(guān)聯(lián)系.

MIAO等［19］合成了2.0 nm Gd2O3，并用不同分子量的親水性生物相容性聚丙烯酸改善水溶性.改善后的水溶性納米粒子粒徑隨分子量的增加而增加，r1隨著粒子半徑增大而減小.造成這一現(xiàn)象的原因是表面Gd（Ⅲ）和水質(zhì)子之間的磁偶極相互作用，隨著流體動力學(xué)直徑的增加而減弱.

GULERIA等［20］合成了表面包覆有二甘醇、三甘醇、四甘醇和PEG的Gd2O3納米粒子.合成納米顆粒的尺寸與多元醇的鏈長呈線性相關(guān)，并隨鏈長增加而增大，弛豫率也隨之增長.同時也證實了弛豫率依賴于涂層表面的親水性，對于親水性更高的PEG涂層，觀察到最高的MRI對比度增強.

KIM等［21］選擇d-葡萄糖醛酸、PEGD-250和PEGD-600 3種配體探究了超小Gd2O3納米粒子的配體大小依賴性，發(fā)現(xiàn)配體尺寸越小弛豫率越高.

2.3.2 碳修飾

KUANG等［22］將Gd2O3納米顆粒裝載到介孔碳納米球（OMCN）中制備了Gd2O3@OMCN，Gd2O3@OMCN的弛豫率遠高于Gd-DTPA，OMCN的孔徑（2.8 nm）適合限制超小Gd2O3納米粒子（2.6 nm）的旋轉(zhuǎn)和水分子的擴散，因此Gd2O3@OMCN弛豫率提升明顯，如圖3所示.

圖3 Gd-DTPA，Gd2O3，Gd2O3@OMCN，Gd2O3@OMCN-PEG和Gd2O3@OMCN-PEG-RGD在0.5 T下的（a）弛豫率及（b）不同濃度下的黑白信號圖像

YUE等［23］在水溶液中合成了碳層包覆（使用葡萄糖對碳層進行修飾）的超小氧化釓（Gd2O3@C）核殼納米粒子（Gd2O3@C NPs），其具有優(yōu)異的膠體穩(wěn)定性、非常高的r1值（16.26 mmol-1·L·s-1）.由于碳表面含有來自葡萄糖的羥基，可以與其周圍水分子相互作用，從而提高弛豫率.

2.3.3 SiO2修飾

CHEN等［24］研究了致密二氧化硅殼（d-SiO2）和中孔二氧化硅殼（m-SiO2）及其厚度對基于Gd3+的上轉(zhuǎn)換納米粒子（UCNP）的MRI弛豫的影響，如圖4所示.研究結(jié)果表明：對于m-SiO2其殼厚并不影響弛豫率；對于d-SiO2其殼厚影響弛豫率的變化.造成該現(xiàn)象的原因是SiO2修飾的UCNP主要受外界水?dāng)U散的影響，水分子在介孔通道中的擴散不受m-SiO2殼層厚度增加的影響；不存在大孔道的d-SiO2殼層中水分子的擴散會受到殼厚的限制，導(dǎo)致其更長的擴散時間，從而影響弛豫率的變化.

圖4 不同厚度的m-SiO2和d-SiO2修飾的上轉(zhuǎn)換納米粒子（UCNP）對弛豫率的影響.（a）用m-SiO2和d-SiO2修飾UCNP-1的示意圖；（b）不同厚度的UCNP-1@m-SiO2的透射電子顯微鏡（TEM）圖；（c）不同厚度的UCNP-1@d-SiO2的TEM圖；（d）r1和橫向弛豫率（r2）與m-SiO2殼層厚度的關(guān)系圖；（e）r1和r2與d-SiO2殼層厚度的關(guān)系圖

YIN等［25］設(shè)計并制備了均勻且單分散的核殼SiO2Gd2O3納米顆粒（CSSGNPs），其具有90 nm的核和1.5～20 nm的可控殼厚度，其T1值比T1造影劑：馬根維顯（Gd-DTPA）大1.8～7.3倍.研究表明：核殼納米粒子的弛豫性與殼層厚度成反比關(guān)系.核殼納米顆粒的S/V值較大，對其弛豫增強起著主導(dǎo)作用；Gd3+與水質(zhì)子之間的距離也有助于弛豫率的變化.

2.4 氧空位

最近，有研究表明可以通過氧空位實現(xiàn)弛豫率的提升，其原理為表面氧空位通過將水分子的氧原子與Gd3+結(jié)合使材料與更多的水分子接觸從而提高弛豫率，如圖5所示.

圖5 0.5 T下紫外線照射對GdTi-SC NPs弛豫率的影響.（a）GdTi-SC NPs溶液在3個紫外光處理/暗處理（UV/Dark）循環(huán)期間的T1變化；（b）不同條件下T1加權(quán)的MRI；（c）0.5 T不同條件下的r1；（d）GdTi-SC NPs表面的光誘導(dǎo)超親水輔助（PISA）效應(yīng)示意圖

LIU等［26］通過順序生長方法，并涂有檸檬酸鈉，合成了親水性Gd摻雜二氧化鈦（TiO2）橢圓形納米粒子（GdTi-SC NPs）（如圖5所示）.這些NPs在紫外線照射后r1顯著增加（35%）.在紫外線照射下，GdTi-SC NPs表面會形成局部超親水區(qū)域（PISA效應(yīng)）.這種變化增加了水分子在內(nèi)球和第二球中的有效配位數(shù)和駐留時間，以及水分子在外球中的擴散時間，提高順磁弛豫（PRE）效率，并導(dǎo)致r1升高.

NI等［27］合成了摻雜Gd3+的鈉鎢青銅（NaxWO3）后經(jīng)過PEG水溶性改善的PEG-NaxGdWO3納米棒，PEG-NaxGdWO3納米棒的高r1歸因于氧空位與Gd3+結(jié)合的水分子中的氧原子結(jié)合，從而導(dǎo)致內(nèi)界水（q）分布增加.在低氧空位濃度下，上述相互作用減弱，導(dǎo)致弛豫性降低.

SHAO等［28］開發(fā)了Gd摻雜二氧化鈰（CeO2∶Gd）納米粒子作為CAs，CeO2∶Gd納米粒子表面的晶格氧空位，可以結(jié)合大量水分子以提高r1值，從而實現(xiàn)出色的動態(tài)對比度增強灌注加權(quán)成像性能，用于測量微血管通透性.

3 總結(jié)與展望

臨床上使用的T1造影劑Gd-DTPA在體內(nèi)的循環(huán)時間較短、弛豫率較低且Gd3+容易游離，易對人體造成巨大危害，而Gd IONPs合成方法簡單且可控，并具備良好的生物相容性，可以更好地解決以上問題.本文作者總結(jié)了影響Gd IONPs CAs弛豫率的因素，在設(shè)計Gd IONPs時應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)男蚊?、合理的尺寸、合理的修飾方式（選擇不同的修飾方式時使用更佳的修飾條件），以及引入氧空位等，通過調(diào)整相關(guān)設(shè)計方法，未來Gd IONPs CAs在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)⒂瓉砀鼜V闊的發(fā)展空間.