肖洋 王志剛 冉海濤

多功能光聲成像造影劑的研究進展

肖洋 王志剛 冉海濤

光聲成像是一種新興的生物醫(yī)學成像模式，在臨床及生物醫(yī)學研究領域具有重要的應用價值。將光聲與其他成像技術及治療方式結合起來制備的多功能光聲成像造影劑是當前國內(nèi)外研究的前沿與熱點，本文就目前這一領域的研究進展進行綜述。

光聲；造影劑；多功能

光聲成像技術是一種新興的無損非侵入性成像模式，其基本原理是局部組織吸收特定波長的光能轉化為熱能，發(fā)生熱彈性膨脹，形成寬帶的超聲波信號被探頭接收，從而實現(xiàn)組織的功能性和結構性成像［1］。光聲成像技術具備聲學穿透性強，分辨率高的特點，同時又具備光學高靈敏度及分辨率的特點，近年來已成為醫(yī)學領域和臨床應用中的研究熱點。在實踐中，為了克服光的散射效應，提高光聲信噪比，增強光聲成像技術的成像質(zhì)量，通常引入光聲造影劑來獲得理想的對比度和分辨率。隨著分子影像技術的全面發(fā)展，利用納米技術對造影劑進行不同的功能化修飾，可以賦予載體多種功能于一身，使其能同時應用多種影像技術進行檢測，從而克服單一成像的固有局限性，實現(xiàn)成像方面的優(yōu)勢互補，以期獲得更豐富的生物學信息；同時將光聲成像技術與各種治療方式結合在一起，可以開發(fā)出基于光聲成像技術的診療一體化造影劑，實現(xiàn)疾病的即時治療和實時監(jiān)測［2］，不僅提高了疾病的檢出率和治療效果，而且可以減少給藥量及給藥次數(shù)，從而減輕對機體的損傷。本文就目前國內(nèi)外基于光聲成像的多功能光聲造影劑的最新研究進展進行綜述。

一、光聲成像造影劑的定義及分類

光聲成像造影劑通過改變局部組織的光學和聲學性能，提高成像的對比度和分辨率，從而顯著增強光聲成像的成像效果。理想的光聲成像造影劑應該在近紅外區(qū)域（680～900 nm）有較強的光吸收值，較低的生物學毒性，同時具有較高的光熱轉換效率［3］。目前，常見的光聲成像造影劑主要分為無機類材料和有機類材料兩大類。①無機類材料主要包括金屬類納米材料如金納米棒、金納米星、銀納米角［4］等；碳納米材料如碳納米管、石墨烯［5］等，以及一些其他相關性材料如量子點、鈀藍、鍺納米晶等［6－7］。最常見的是金屬類納米材料金納米棒，通過可調(diào)節(jié)的長徑比，其等離子共振吸收峰會產(chǎn)生不同程度的紅移，Jokerst等［8］對比研究了3種長徑比的金納米棒，最終選擇了吸收波峰為750 nm的作為光聲造影劑，用于觀察活體小鼠皮下移植卵巢癌，結果發(fā)現(xiàn)，金納米棒經(jīng)尾靜脈3 h后即可觀察到最大強度的光聲信號，且信號一直持續(xù)到注射后2 d；納米金棒的濃度越高，光聲信號越強，二者呈線性關系。②有機類材料主要是各種有機近紅外染料及最新開發(fā)出來的各種高分子聚合物［9－10］。最常見的是吲哚菁綠（ICG），ICG作為一種美國食品藥品監(jiān)督管理局批準的臨床對比染色劑，已廣泛應用于許多醫(yī)學領域當中，如心輸出量的監(jiān)控、眼科的血管造影，以及乳腺癌前哨淋巴結的定位［11］。Park等［12］通過尿道將ICG逆行注入小鼠的膀胱，并對膀胱進行光聲/熒光成像，研究結果表明，在能量＜2 mJ/cm2（安全劑量的1/15）的脈沖激光下，可以清晰地顯示皮下1．5～5．0 mm組織結構的光聲/熒光圖像，并且與組織的原位解剖結構相一致，為膀胱造影術提供了一種非侵入性、無電離輻射的新思路。

二、基于光聲成像的多模態(tài)造影劑

隨著醫(yī)學影像技術的不斷發(fā)展，各種模式的成像技術為臨床醫(yī)師提供了較為精準的解剖學和生理學信息，為疾病的檢出與診斷提供了依據(jù)。然而各種成像技術具有其各自的優(yōu)缺點［13］：如超聲具有實時動態(tài)成像、價格低廉及適用面廣泛的優(yōu)點，但其敏感性較低，不能及時發(fā)現(xiàn)較早期的病變；MRI雖然對軟組織具有較好的分辨率，但具有成像時間過長，不能實時成像且易受體內(nèi)金屬的干擾的缺點；光聲成像技術具有較高的特異性和敏感性，可對微血管密度、血氧含量及血紅蛋白濃度等進行結構和功能成像，反映機體的生理特征變化，然而其對組織的穿透深度不理想，空間分辨率較低。因此，將光聲成像技術與各種成像技術結合在一起，可以實現(xiàn)成像技術之間的優(yōu)勢互補，為疾病的診斷提供更加豐富的生物學信息，同時也避免了多次注射不同造影劑所帶來的風險與負擔。Gao等［14］利用摻雜法合成了鎳摻雜的CuS納米粒并將其用于小鼠淋巴結的光聲/MRI雙模態(tài)顯像。這種合成方法無需添加任何螯合劑，不會影響納米粒的表面性質(zhì)及尋靶能力。所合成的鎳摻雜的CuS納米粒具有強大的近紅外光吸收能力，展現(xiàn)了良好的體內(nèi)外光聲成像效果，其近紅外光吸收峰值強度受所摻雜的鎳離子的濃度影響，可以在740～1400 nm進行調(diào)節(jié)。同時這種納米粒能夠顯著提升MRI的T1弛豫率，大約是單純鎳離子的8倍。Wilson等［15］將液態(tài)氟碳和具有光聲造影成像功能的金納米棒封裝進牛血清白蛋白納米微球中，得到了一種具有光聲成像和超聲成像增強效果的雙模態(tài)造影劑。在激光的觸發(fā)下，金納米棒可以通過自身的熱膨脹效應產(chǎn)生光聲信號，同時其吸收光能產(chǎn)生熱能可促進液態(tài)氟碳發(fā)生液氣相轉變，進一步增強造影劑的超聲和光聲顯影效果［16］。由于微球發(fā)生液氣象轉變的過程較金納米棒自身的熱膨脹效應提供了更為強大的光聲信號，大大地降低了進行光聲成像時所需要的金納米棒的劑量。同時這種雙模態(tài)造影劑將光聲和超聲兩種成像模式融為一體，既避免了反復注射造影劑給患者帶來的痛苦，又將兩種成像模式的優(yōu)勢相互結合，更加有利于對病情的診斷。

三、基于光聲成像的診療一體化造影劑

疾病的治療需要兩個方面要求，一是治療前對疾病進行精確的檢測和定位，二是治療后對病灶部位的實施監(jiān)測和療效評估。如果能將兩者合二為一，就能在診斷疾病的同時，及時地指導治療并且實時監(jiān)控治療效果，不僅減少了多次用藥所帶來的毒副作用［17］，而且可以縮短診治的時間，提高疾病的治療效率［18］。Huang等［19］將熒光染料新花青素（IR820）封裝入自制的鐵蛋白納米籠（FRT）中制備出雙模態(tài)造影劑DFRT。該造影劑在波長550 nm處有較高的熒光量子產(chǎn)率，在波長808 nm處具有較高的光熱轉換效率，克服了高熒光量子產(chǎn)率和高光熱轉換效率難以兩全的難題。經(jīng)尾靜脈注射入DFRT后，在光聲/熒光成像的引導下，很小劑量的激光即可實現(xiàn)裸鼠腫瘤組織的完全消融，達到光聲/熒光雙模態(tài)顯像下光熱消融治療的目的。Song等［20］將還原氧化石墨烯（rGO）、金納米棒（AuNR）及化療藥物阿霉素（DOX）等通過層層自組裝，構建了一種智能化診療一體的納米探針（rGO－AuNRVe－DOX），用于光聲成像引導下腫瘤光熱聯(lián)合化療的協(xié)同治療，研究發(fā)現(xiàn)，rGO－AuNRVe－DOX納米探針可高度富集在裸鼠皮下膠質(zhì)瘤內(nèi)；在光聲成像的引導下，治療激光可精準地聚焦到整個腫瘤組織，產(chǎn)生高溫消融腫瘤組織的同時控釋化療藥物DOX，有效地治愈腫瘤并極大地提高其生存率。

四、展望及問題

光聲成像技術具有安全、分辨率高及可實時成像等優(yōu)點，并且可以提供生物組織結構、功能、代謝及遺傳變異等信息，近年來已被證明在眾多生物醫(yī)學領域有重要的應用價值，如血紅蛋白濃度成像、氧代謝成像、腫瘤的血管新生成像及功能性腦血管成像等［21］。利用納米技術合成的多功能或多模態(tài)光聲成像造影劑不僅使得光聲成像技術與其他成像技術有機結合在一起達到相互糾錯與補償?shù)淖饔茫铱梢再x予其一定的靶向和治療功能，具有廣闊的應用前景。

然而，多功能光聲成像造影劑的研究仍面臨許多問題，如大多數(shù)的多功能光聲成像造影仍然處于實驗室階段，存在靶向效果差、缺乏生物體內(nèi)分布和藥代動力學實驗評價及難以準確定量等不足；此外如何提高多功能光聲成像造影劑各功能之間的相互協(xié)同效應，如何將產(chǎn)生的功能性信號進行收集和提取也是一大難題。但是，隨著分子生物學、應用化學、臨床醫(yī)學等多學科之間交叉融合及不斷發(fā)展，這些問題必將得到一一解決。

［1］ Wilson K，Homan K，Emelianov S．Biomedical photoacoustics beyond thermal expansion using triggered nanodroplet vaporization for contrast－enhanced imaging［J］．Nat Commun，2012，3（1）：618．

［2］ Wang LV， Gao L．Photoacoustic microscopy and computed tomography：from bench to bedside［J］．Annu Rev Biomed Eng，2014，16（1）：155－185．

［3］ 駱三，查正寶，李妍妍，等．光聲成像造影劑的研究進展［J］．現(xiàn)代生物醫(yī)學進展，2014，14（25）：4974－4977．

［4］ Nie L，Chen X．Structural and functional photoacoustic molecular tomography aided by emerging contrast agents［J］．Chem Soc Rev，2014，43（20）：7132－7170．

［5］ Chen D，Dougherty CA，Zhu K，et al．Theranostic applications of carbon nanomaterials in cancer：focus on imaging and cargo delivery［J］．J Control Release，2015，210（1）：230－245．

［6］ Homan K，Kim S，Chen YS，et al．Prospects of molecular photoacoustic imagingat1064nmwavelength［J］．OptLett，2010，35（15）：2663－2665．

［7］ Yu J，Yin W，Zheng X，et al．Smart MoS2/Fe3O4 Nanotheranostic for magneticallytargetedphotothermaltherapyguidedbymagneticresonance/ photoacoustic imaging［J］．Theranostics，2015，5（9）：931－945．

［8］ Jokerst JV，Cole AJ，Van de Sompel D，et al．Gold nanorods for ovarian cancer detection with photoacoustic imaging and resection guidance via Raman imaging in living mice［J］．ACS Nano，2012，6（11）：10366－10377．

［9］ Wang K，Yao H，Meng Y，et al．Specific aptamer－conjugated mesoporous silica－carbon nanoparticles for HER2－targeted chemophotothermalcombinedtherapy［J］．ActaBiomater，2015，16（1）：196－205．

［10］Beziere N，Lozano N，Nunes A，et al．Dynamic imaging of PEGylated indocyanine green（ICG）liposomes within the tumor microenvironment usingmulti－spectral optoacoustic tomography（MSOT）［J］．Biomaterials，2015，37（37C）：415－424．

［11］Wang H，Liu C，Gong X，et al．In vivo photoacoustic molecular imagingof breast carcinoma with folate receptor－targeted indocyanine green nanoprobes［J］．Nanoscale，2014，6（23）：14270－14279．

［12］Park S，Kim J，Jeon M，et al．In vivo photoacoustic and fluorescence cystography using clinically relevant dual modal indocyanine green［J］．Sensors（Basel），2014，14（10）：19660－19668．

［13］Louie A．Multimodality imaging probes：design and challenges［J］．Chem Rev，2010，110（5）：3146－3195．

［14］Gao D，Zhang P，Liu C，et al．Compact chelator－free Ni－integrated CuS nanoparticles with tunable near－infrared absorption and enhanced relaxivity for in vivo dual－modal photoacoustic/MR imaging［J］．Nanoscale，2015，7（42）：17631－17636．

［15］Wilson K，Homan K，Emelianov S．Biomedical photoacoustics beyond thermal expansion using triggered nanodroplet vaporization for contrast－enhanced imaging［J］．Nat Commun，2012，3（1）：618．

［16］Duch MC，Budinger GR，Liang YT，et al．Minimizing oxidation and stable nanoscale dispersion improves the biocompatibility of graphene in the lung［J］．Nano Lett，2011，11（12）：5201－5207．

［17］Wu D，Huang L，Jiang MS，et al．Contrast agents for photoacoustic and thermoacoustic imaging：a review［J］．Int J Mol Sci，2014，15（12）：23616－23639．

［18］Jansen K，Wu M，van der Steen AF，et al．Photoacoustic imaging of human coronaryatherosclerosisin two spectral bands［J］．Photoacoustics，2014，2（1）：12－20．

［19］Huang P，Rong P，Jin A，et al．Dye－loaded ferritin nanocages for multimodal imaging and photothermal therapy［J］．Adv Mater，2014，26（37）：6401－6418．

［20］Song J，Yang X，Jacobson O，et al．Sequential drug release and enhanced photothermal and photoacoustic effect of hybrid reduced graphene oxide－loaded ultrasmall gold nanorod vesicles for cancer therapy［J］．ACS Nano，2015，9（9）：9199－9209．

［21］Mier W，Mier D．Advantages in functional imaging of the brain［J］．Front Hum Neurosci，2015，9（1）：249．

Progresses of multifunctional photoacoustic contrast agent

XIAO Yang，WANG Zhigang，RAN Haitao
Department of Ultrasound，Chongqing General Hospital，Chongqing 400010，China

Photoacoustic imaging（PA）is a novel biomedical imaging modality，which has significant application values in both clinical and basic biomedical research.Multifunctional PA contrast agents that combine PA with other imaging techniques or therapeutics has become a hot spot at present.This article reviews the current research progresses of multifunctional PA contrast agent in this filed.

Photoacoustic；Contrast agent；Multifunction

R445.1

A

2017－06－08）

400010 重慶市人民醫(yī)院超聲科（肖洋）；重慶醫(yī)科大學超聲影像學研究所（王志剛、冉海濤）