杜成娟 張 軍

癲癇是最常見的腦功能障礙性疾病之一，其一般的治療方式是服用抗癲癇藥物，但是大約有20%～30%的癲癇患者因為對藥物療效不佳而發(fā)展為難治性癲癇[1]。顳葉癲癇（temporal lobe epilepsy，TLE）是最常見的成人難治性癲癇，對于這部分患者而言，手術(shù)切除致癇灶是減少癲癇發(fā)作頻率和改善患者生活質(zhì)量的有效方法[2]，而患者的預后又依賴于術(shù)前對致癇灶的精確定位，以盡可能減少對周圍正常腦組織的切除[3]。雖然腦電圖（electroencephalography，EEG）仍然是臨床診斷癲癇的首選方法，但其無法精確定位致癇灶。磁共振成像因其對腦和軟組織分辨率高、多種成像參數(shù)以及無電離輻射等優(yōu)點，已經(jīng)成為神經(jīng)系統(tǒng)疾病診斷的首選影像工具。然而常規(guī)MRI難以達到對病灶的準確診斷，因此常使用對比劑來提高病灶與周圍正常組織的對比度，從而精確診斷疾病。隨著納米科技的發(fā)展，納米對比劑也越來越多應用于磁共振成像中。

磁共振納米對比劑概述

1.T1-MR對比劑研究進展

1.1釓基納米粒子：磁共振成像中最常用的T1-MR對比劑是釓基納米粒子，即釓的螯合物，因其具有順磁性。目前常用的釓基納米探針有Gd2O3、GdF3、GdPO4及 NaGdF4等[4-5]。例如有研究使用NaGdF4納米粒子和上轉(zhuǎn)換納米顆粒（upconversion nanopraticles，UCNPs）在高溫下反應形成核殼結(jié)構(gòu)，再嫁接具有雙靶向功能的多肽Angiopep-2，同時藕聯(lián)有機熒光素5-氨基乙酰丙酸（5-ALA），形成最終的雙模態(tài)納米探針（記為ANG/PEG-UCNPs），其不僅可以通過受體介導的方式高效穿過血腦屏障，并且可以特異性地靶向腦膠質(zhì)瘤細胞，從而進行術(shù)前T1-MR成像和術(shù)中上轉(zhuǎn)換發(fā)光成像（UCL），對膠質(zhì)瘤的臨床手術(shù)切除有重要指導意義[6]。

臨床上釓基納米粒子雖然使用廣泛，但是有其缺點，如血液半衰期較短，無法進行特異性成像，并且臨床用釓劑有引起腎源性系統(tǒng)性纖維化（nephrogenic systemic fibrosis，NSF）的風險，尤其是對于腎功能較差的患者[7]。目前在癲癇定位中也較少使用釓基納米粒子對比劑。

1.2錳基納米粒子：另一類常用作T1-MR對比劑的是錳基納米粒子，主要是指氧化錳納米粒子，其于2007年被首次報道用于腦部疾病磁共振成像，之后便有大量研究致力于提高MnO納米粒子的弛豫率和生物相容性，以便更好地應用于影像診斷。例如有研究報道通過一鍋法制備的親水性PEG-MnO納米粒子，T1弛豫率可以達到12.942 s-1mM-1，并且具有較高的生物安全性，再嫁接靶向分子后，可以實現(xiàn)對腎癌的特異性診斷[8]。另外，將MnO納米顆粒和香豆素-545T同時包裹在介孔二氧化硅里，制備出熒光-MR雙模態(tài)成像對比劑，納米探針和葉酸結(jié)合后，還可以靶向富集到葉酸受體陽性的腫瘤部位，同時可以利用腫瘤微環(huán)境的弱酸性特點，觸發(fā)錳離子釋放進行pH響應型T1-MR成像[9]。雖然錳基納米探針在腫瘤成像中有較多的應用，但是目前在難治性癲癇中還未曾使用過錳基納米探針進行致癇灶的定位。

1.3鐵基納米粒子：鐵基納米粒子通常是作為T2-MR對比劑，但是當鐵基納米顆粒的粒徑＜5nm時，便可以作為T1-MR對比劑[10]，通過合成不同粒徑的鐵納米粒子，還發(fā)現(xiàn)3.6nm粒徑的四氧化三鐵納米顆粒有最好的T1-MR成像效果[11]。已經(jīng)有多篇文獻報道超小鐵基納米顆粒用于T1-MR影像診斷[12-13]，例如通過熱分解法首先合成超小四氧化三鐵鐵納米粒子，用聚乙二醇進行親水性改性后，嫁接靶向配體RGD，可以進行肝癌的特異性陽性MR成像，并且T1弛豫率高達7.18 s-1mM-1[14]。

2.T2-MR對比劑研究進展

磁共振成像中常用的T2-MR對比劑是氧化鐵納米粒子（superparamagnetic iron oxide nanoparticles，SPIONs），根據(jù)粒子的尺寸大小不同，總共分為三種類型，分別是尺寸在50nm以 下 的 USPIO（ultrasmall superparamagnetic iron oxide）、尺寸在幾百納米左右的SPIO（superparamagnetic iron oxide）和尺寸到達微米的 MPION（micrometer-sized paramagnetic iron oxide），目前常用于磁共振成像的鐵基納米粒子是SPIO，其用聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）改性后在表面嫁接不同的靶向配體，還可以達到在病灶的特異性富集和MR成像。例如有研究人員通過使用不同功能團（苯鄰二酚、二磷酸、 異羥肟酸）修飾Fe3O4納米顆粒，最后證實異羥肟酸-聚乙二醇修飾的Fe3O4的成像效果最好[15]。與傳統(tǒng)的釓基納米對比劑相比，SPIONs具有許多重要優(yōu)勢，如粒子磁性可因粒徑大小而控制、表面易改性、生物相容性好[16]、具有較長的血液循環(huán)半衰期等[17]。在癲癇定位的影像診斷中，磁性氧化鐵納米粒子的應用也是最多的，嫁接特定的靶向短肽后可以達到在致癇灶的最大化富集，從而實現(xiàn)對致癇灶的特異性成像，因此后文也主要圍繞鐵基納米粒子在癲癇定位中的應用進行綜述。

3.T1-T2 雙模對比劑研究進展

單模態(tài)的T1-MR或者T2-MR對比劑都各有其不足，因此T1-T2雙模態(tài)對比劑就在人們的需求下應運而生。雙模態(tài)的對比劑分兩種，一種是磁性納米粒子同時具有陽性和陰性磁共振成像效果，另外一種是磁性納米粒子和釓基或者錳基納米粒子結(jié)合，構(gòu)成雙模態(tài)的對比劑。例如，通過高溫共沉淀法合成粒徑在3.3nm左右的超小磁性氧化鐵納米粒子（ultrasmall magnetic iron oxide nanoparticles，UMIONs），該納米粒子在4.7T的磁場下T1弛豫率高達8.3 s-1mM-1，同時T2弛豫率有35.1 s-1mM-1，體外和體內(nèi)實驗均證明其有良好的陽性和陰性MR成像效果。另一項研究中使用Fe3O4/MnO雜化納米晶體，由Fe3O4進行T2-MR成像，MnO進行pH響應型T1-MR成像，實現(xiàn)了單一對比劑無法達到的對肝癌的準確診斷[18]。

鐵基納米探針在癲癇灶定位中的應用

1.基于致癇灶腦組織代謝成像

研究人員首先合成了一種磁性納米粒子（magnetonanoparticles，MNP），由氧化鐵納米粒子作為核心和葡聚糖包被，再共價連接非放射性α-甲基色氨酸（Nonradioactive alpha methyl tryptophan，AMT）作為配體，因為該配體可以特異性地被癲癇發(fā)生區(qū)腦組織以受體介導的方式攝取。作者將該MNP從尾靜脈注射入大鼠癲癇模型體內(nèi)，以沒有偶聯(lián)AMT的納米粒子作為對照組，通過在MRI上觀察兩組實驗中的大鼠單側(cè)和雙側(cè)大腦的對比劑攝取差異，發(fā)現(xiàn)這種納米粒子不僅可以穿過血腦屏障，而且實現(xiàn)了對大鼠致癇灶的準確勾畫，該方法首次實現(xiàn)了利用MRI進行基于配體的成像，并且作者認為這種方法適用于任何生物活性分子基于配體磁共振成像以發(fā)現(xiàn)大腦功能異常區(qū)[19]。

研究發(fā)現(xiàn)，癲癇患者大腦皮質(zhì)中無氧糖酵解率大幅增加[20]，因此可以將非放射性糖酵解抑制劑2-脫氧葡萄糖（non-radioactive 2-deoxy glucose，2DG）偶聯(lián)到磁性納米粒子（magnetonanoparticles，MNP）上合成2DG-MNPs，然后將其分別在發(fā)作間期和發(fā)作期注入癲癇大鼠模型中，通過對比注射前和注射后的磁共振圖像發(fā)現(xiàn)，該納米粒子能夠穿過血腦屏障，并且在發(fā)作期聚集到致癇區(qū)域，與用放射性核素14C-2DG行正電子發(fā)射掃描（positron emission tomography，PET）檢查的結(jié)果一致，作者認為，這種方式定位癲癇灶在任何有MRI設備的機構(gòu)均可進行，比用PET檢查更經(jīng)濟和方便，并且2DGMNPs對比劑的儲存更持久和簡便[21]。

2.基于致癇灶過表達的P-糖蛋白成像

難治性癲癇的主要原因是致癇區(qū)P-糖蛋白（P-glycoprotein，P-gp）的過度表達，其可以將抗癲癇藥物泵出血腦屏障外，減少病灶區(qū)的有效藥物濃度[1]。同時也是由于致癇區(qū)P-糖蛋白的大量表達，可以合成一種能夠特異性靶向血腦屏障處P-糖蛋白的多模態(tài)超順磁性氧化鐵納米探針（該探針記為SPION-PA），這種納米粒子偶聯(lián)了對P-糖蛋白有特異性親和力的短肽Pepstatin A，再嫁接IR783熒光探針，可以同時對大鼠海倫酸模型進行T2-MR和活體光學成像，為難治性癲癇的早期分子成像和癲癇患者腦部P-糖蛋白過表達分子機制的揭示提供了思路[22]。

3.基于致癇灶高磁場成像

電流通過導線時會產(chǎn)生磁場，同樣電流在神經(jīng)纖維中傳播也會產(chǎn)生磁場，而在癲癇患者腦功能異常部位由于神經(jīng)元過度放電，則會產(chǎn)生強度較高的磁場[23]。除了利用腦磁圖測量這種神經(jīng)元興奮所伴隨的磁場變化外，利用磁性納米粒子在磁場中會聚集到致癇灶的特性，同樣可以在MRI上看到信號強度變化[24]。因此，在癲癇發(fā)作期，注射入體內(nèi)的超順磁性納米粒子（superparamagnetic nanoparticles，SPMNs）由于病灶部位神經(jīng)元的高電場和高磁場性而大量聚集，在癲癇發(fā)作間期則立即使用磁共振設備進行顯像，Maysam等利用這一原理實現(xiàn)了在低場強的條件下對致癇灶的精確定位[25]。另一項研究中，使用超順磁性納米粒子作為傳感材料，利用MR磁場使其穿過血腦屏障聚集到大腦磁場異常區(qū)域，同樣可以定位致癇灶[26]。

4.基于骨髓間充質(zhì)干細胞成像

因骨髓間充質(zhì)干細胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）強大的多能性和可忽略的免疫原性，多篇報道顯示其對治療顳葉癲癇再發(fā)作有重要的潛在價值[27-28]。在體外先用USPIONs標記BMSCs，然后將細胞從右側(cè)腦室注射入TLE大鼠模型，再利用MRI進行細胞追蹤，他們發(fā)現(xiàn)在MR圖像上可以看到明顯的USPIONs的黑色信號從右側(cè)腦室一直遷移到大鼠海馬區(qū)，即致癇灶區(qū)，作者表示這是第一次實現(xiàn)了利用MRI觀察用USPIONs標記的BMSCs在大鼠中的可視化追蹤，證明了USPIONs標記對定位致癇灶的重要價值[29]。

5.基于致癇灶炎癥細胞成像

研究發(fā)現(xiàn)，炎癥可能參與了癲癇發(fā)作，因為在癲癇患者腦組織中，癲癇發(fā)生區(qū)有大量炎癥細胞浸潤，如巨噬細胞和小膠質(zhì)細胞[30]，因此有研究人員就利用氟硼熒（boron-dipyrromethene，BODIPY）標記氧化鐵納米粒子，形成非功能化的磁性氧化鐵納米粒 子（nonfunctionalized magnetic nanoparticles，MNPs）后，將其注射入癲癇小鼠模型，該納米粒子被病灶周圍活化的免疫細胞攝取后可以同時進行MR和光學成像，不僅可以在術(shù)前精確定位致癇灶，也為進一步揭示炎癥在癲癇發(fā)作中的機理提供了幫助[31]。明確炎癥在癲癇發(fā)作中的作用對于抗炎治療可以控制癲癇發(fā)作的患者來說至關(guān)重要[32]。癲癇發(fā)生區(qū)活化的炎癥細胞如星形膠質(zhì)細胞還會表達白介素-1β（IL-1β），因此有文獻報道，利用聚乙二醇化后的SPIONs耦合抗白介素-1β單克隆抗體合成anti-IL-1βmAb-SPIONs，其不僅可以穿越血腦屏障，利用受體介導的胞吞方式在致癇灶特異性聚集，在MRI上清楚地勾畫致癇灶，而且可以改善IL-1β在致癇區(qū)域積累，達到同時診斷-治療難治性癲癇的效果[33]。

總結(jié)和展望

致癇灶的精確定位對外科醫(yī)生確定病灶切除范圍至關(guān)重要，盡可能地減少對周圍正常腦組織的損害是定位致癇灶的主要目的。雖然腦電圖仍然是癲癇檢出最常用的手段，但是利用納米影像探針從細胞水平和分子水平上定位致癇灶具有重要的意義，隨著對納米粒子的不斷深入研究和制備，相信納米科技和神經(jīng)影像的結(jié)合在揭示癲癇患者腦部功能活動和結(jié)構(gòu)變化上會有越來越重要的作用，例如可以將釓基納米探針用于癲癇定位的T1-MR成像，而釓基和鐵納米探針可以結(jié)合起來，達到對致癇灶的T1和T2-MR雙模態(tài)成像，不僅可以提高致癇灶的檢出率，同時為發(fā)現(xiàn)癲癇發(fā)生區(qū)新的生物靶點做出貢獻，未來利用這些定位手段會幫助外科醫(yī)生精確勾畫難治性癲癇患者致癇灶切除范圍，盡可能保證術(shù)后患者不再有癲癇發(fā)作。