周瑋秀, 林焦敏

(上海師范大學 化學與材料科學學院,上海 200234)

0 引 言

人類的生命健康始終是全社會共同關注的焦點問題.磁共振成像(MRI)作為一種全新的醫(yī)學成像技術,在近幾十年間得到了快速發(fā)展.MRI是核磁共振成像(NMRI)的簡稱,是利用原子核在強磁場作用下發(fā)生共振后產生一系列信號,并進行圖像重建的一種成像技術.核磁共振是一種核物理現(xiàn)象,它采用靜磁場和射頻磁場使人體組織成像,在整個成像過程中,不會產生任何電離輻射.該技術以其最小的侵入性,為人體成像創(chuàng)造了更大范圍的監(jiān)測視野,并為人體研究提供了相對較高的分辨率,為多種疾病的診斷和治療提供指導[1].磁共振技術可以被用于監(jiān)測小分子物質的結構與動力學特征,也可以被用于活體動物的醫(yī)學檢測.MRI最大的優(yōu)點就是無電離輻射檢測,因此,它的成像原理與其他醫(yī)學成像技術(如X射線、CT等)完全不同.X射線與CT成像主要是根據人體內不同組織部位對X射線的吸收和透過率不同產生對比,而核磁共振則是一種生物磁自旋成像技術.NMRI利用外加磁場,使遍布人體內部的氫原子受到射頻脈沖的激發(fā),產生核磁共振現(xiàn)象,并通過運用空間編碼、探測器檢測、信號轉化、數據轉換等一系列技術操作后,最終將人體內的各組織部位形態(tài)呈現(xiàn)在圖像上,以此來作出診斷.

在MRI中,存在著兩種模態(tài)的成像,分別是縱向弛豫(T1)加權成像和橫向弛豫(T2)加權成像.在特定的成像序列下,T1時間較短的組織在T1成像中顯示較亮的圖像,而T2時間較短的組織在T2成像中顯示較暗的圖像.因此,由于不同組織的弛豫時間各不相同,在圖像中可以清楚地觀察到明暗不同的各個組織部位.當然,特定的組織成像一般會有比較穩(wěn)定的明暗程度,當某些正常組織或器官發(fā)生病變時,就能很明顯地觀察到它的圖像明暗度發(fā)生了改變.而且組織病變的程度不同時,圖像的明暗程度也與之對應地發(fā)生變化,例如在T1成像下,正常組織比肝炎或肝硬化的區(qū)域亮,而所有區(qū)域中肝癌部位的圖像是最暗的.因此,能夠通過觀察MRI圖像的明暗情況來判斷正常組織或器官的病變狀況.在MRI投入臨床醫(yī)學使用的20多年期間,受檢人群覆蓋面廣,同時也已被證實對人體無明確損害.但是盡管MRI能夠多參數、多序列成像,其圖像對比度仍然有待提高[2].因此,為了得到更好的成像效果,目前在許多臨床實踐中,比較普遍的做法是使用外源性造影劑.

磁共振造影劑主要功能是根據血液流動或化學制劑的生物分布來突出特定的組織區(qū)域.造影劑進入人體后,能夠調節(jié)縮短組織中質子的T1,T2弛豫時間,從而增強圖像的清晰度和對比度,使得某些較小的早期病變情況得以顯示,不僅能夠提高病變的檢出率,而且能夠定性分析一些疑難病變,為各類疾病的鑒別提供真實可靠的依據.磁共振造影劑具有較高的生物安全性,對人體的毒副作用極小[3].磁共振造影劑以其優(yōu)異的增強成像對比度功能,迅速成為人們青睞的臨床化學制劑.目前,全球范圍內臨床MRI實例中存在大約35%～40%需要借助造影劑來獲得高分辨、高精準的病變組織信息.

本文作者著重講述了金屬離子(主要是釓離子:Gd3+)與金屬有機框架材料(MOF)納米顆粒結合用于MRI的研究進展,并對該領域的關鍵技術進行了分析.目的在于介紹兩個不同領域的結合發(fā)展,即MOF和MRI.通過結合這兩個領域來描繪具體的原則、方法和新的機遇.

1 磁共振造影劑

磁共振造影劑的分類方法有很多種,按照物質的磁化特性可分為順磁性造影劑和超順磁性造影劑.常見的順磁性造影劑有Mn(Ⅱ),Mn(Ⅲ),Gd(Ⅲ)的大分子螯合物,其中Gd(Ⅲ)離子的順磁性最強,因此其應用也最為廣泛.2019年,LI等[4]通過對細胞凋亡進行實時監(jiān)測,為評價腫瘤治療效果和篩選臨床抗癌藥物提供設計并合成了一種雙峰熒光磁共振探針,該探針便是利用釓(Ⅲ)-1,4,7-三(叔丁氧羰甲基)-10-(乙酸)-1,4,7,10-四氮雜環(huán)十二烷(Gd-DOTA)螯合物的順磁性特點來增強MRI信號.超順磁性造影劑主要以鐵的氧化物形式存在,其表現(xiàn)出較強的鐵磁性.另外他們還證明了聚集響應的熒光-磁共振(FL-MR)探針設計是一種獨特的磁共振(MR)信號量化方法,該探針可適用于多種不同的成像目標,為多模式分子成像開辟了新的途徑.2019年,TANG等[5]利用超順磁性氧化鐵作為T2造影劑,成功地識別了血小板膜涂層內黏附的中性粒細胞,可以達到實時監(jiān)測與治療效果相關的炎性中性粒細胞的效果.

目前臨床上使用較多的金屬造影劑可以通過提供順磁中心來增加水質子的弛豫率(r),從而達到增強磁共振信號的效果.具有高自旋能力的Gd(Ⅲ)擁有7個未配對電子,特別適合用作磁共振造影劑.目前40%～50%的臨床MRI中運用Gd3+配位復合物[6].Gd基造影劑可以通過減少水質子的弛豫時間來增強成像對比度,但其造影效果受到磁場強度、顆粒大小和流動性等因素的影響.盡管Gd3+具有這種優(yōu)越的性質,但由于其毒性較高,不能作為自由離子使用.因此,為了克服這個障礙,科學界開發(fā)出了許多有機配體與Gd3+結合的Gd螯合物材料.大多數造影劑,特別是那些基于環(huán)狀DOTA配體和其無環(huán)類似物二乙烯三胺五乙酸(DTPA)的造影劑[7],由8個供體原子組成,允許一個水分子直接與9位Gd3+相互作用.另外,也可以考慮在結構方面的改善來增強其造影性能.

基于所羅門-布隆伯根-摩根(SBM)理論[8],內球機制確定了造影劑的旋轉相關時間(τR)、與金屬離子配位的水分子數(q)和周圍水分子滯留時間(τm)是影響r的3個關鍵因素,而外球機制將水擴散相關時間(τD)確定為影響r的又一關鍵因素,如圖1所示.一般來說,造影劑的T1,T2值會隨著τR,q,τD的增加而增加,并隨著τm的增加而減少.因此,目前使用比較多的提高磁共振造影劑r的方法主要有增加造影劑的分子量來增大其旋轉相關時間,增加配位水分子的數量提高內外層水的交換速率以及縮短順磁中心與配位水的距離等.

圖1 水的弛豫配位球:內球、二次球和散水[8]

MOF是一種具有三維孔結構的配位聚合物.近幾十年來,MOF結構的創(chuàng)新基礎科學取得了重大的進展,其整體性能是單個構件無法比擬的.MOF一般以金屬離子為連接點,通過有機配位體的支撐構成3D空間延伸結構,是除去沸石以及碳納米管以外的一類十分重要的新型多孔材料.MOF以其超高的表面積、可調的孔徑和可調的內表面特性而聞名.MOF是一種穩(wěn)定性好、結構多樣的材料.MOF材料在催化、儲能等多個方面都有廣泛的應用,尤其是它們作為一種治療試劑或者作為一種新的磁共振造影劑在生物醫(yī)學方面也有著廣闊的應用前景.2019年,ZHANG等[9]合成了一種具有增強質子弛豫功能的協(xié)同飽和Gd基金屬有機骨架框架(Gd-MOF).LZARO等[10]將超小順磁性氧化鐵與MOF結合起來,合成了用于癌癥治療和MRI的納米裝置.另外,LIU等[11]介紹了用納米級的金屬有機骨架框架(NMOFs)作為MRI造影劑的設計和應用.

2 Gd-MOF造影劑

目前,臨床上使用的大多數磁共振造影劑都是基于Gd3+離子的,因為它們具有較高的磁矩和對稱的S態(tài),能有效地縮短T1時間.近年來,人們研發(fā)許多不同類型的Gd基造影劑,包括支化聚合物[12]、線性聚合物[13]、納米水凝膠[14]和聚合物膠束[15].這些Gd基造影劑由于結構不同,造成了差異較大的造影效果.然而,這些Gd基造影劑應用于MRI時仍然存在著檢測與治療不同步以及r較低等缺點.因此,為了提高Gd基造影劑的MRI效果,TAYLOR等[16]提出使用MOF材料來提高造影劑的r值,由此合成的Gd-MOF螯合物有效地提高了MRI的對比度.

如圖2所示的是ZHANG等[9]設計的一種基于不溶性Gd(Ⅲ)金屬有機骨框架的新型造影劑Gd-ZMOF,它比當前一代造影劑具有更高的熱靈敏度.觀察到穩(wěn)定無毒且具有高度多孔性的Gd-ZMOF有效地增強了質子弛豫.另外,對臨床造影劑和Gd-ZMOF的溫度變化進行監(jiān)測,在熱療區(qū)(41～45 ℃)Gd-ZMOF僅表現(xiàn)出微小的溫度變化.因此,體內熱成像證實了Gd-ZMOF作為MR溫度計和某種潛在治療方法的可行性.

圖2 一種基于不溶性Gd(Ⅲ)金屬有機骨框架的新型造影劑Gd-ZMOF.(a)Gd-DOTA和(b)Gd-ZMOF作為T1加權的磁共振造影劑的弛豫機理和結構特征比較;(c)Gd-ZMOF的結構研究;(d)Gd-ZMOF在7 T,20 ℃下測量的r1值和(e)MRI圖像;(f)Gd-ZMOF在37 ℃下的1H NMRD譜圖;(g)Gd-ZMOF的體外熱圖譜;(h)Gd-ZMOF的體內MR測溫[9]

2.1 影響Gd-MOF r值的因素

ZHAO等[17]選用了兩種相似的卟啉配體(中-四(4-羧基苯基)卟吩(TCPP),α,β,γ,δ-四(4-磺酸苯基)卟吩(TPPS))與Gd3+構筑了兩例MOF材料(Gd-TCPP和Gd-TPPS),如圖3所示.Gd-TCPP納米顆粒為板狀形態(tài),而Gd-TPPS為球型顆粒.

通過簡單的結構變化,納米顆粒的r值就發(fā)生了很大的改變.Gd-TCPP納米顆粒的縱向弛豫率(r1)為40.8 mmol-1·L·s-1,幾乎是Gd-DTPA(4.59 mmol-1·L·s-1)的10倍.相比之下,Gd-TPPS納米顆粒產生了較低的r1值(16.73 mmol-1·L·s-1).由此可以看出,在與不同配體配位時,形成的Gd螯合物的r改變比較明顯,這是由于分子量以及分子的微結構不同所導致的.眾所周知,MOF具有較大的分子量和剛性,這些特性能夠有效地延長Gd基造影劑的τR.MOF納米孔的空間限制效應減小了氫質子與中心離子Gd3+之間的距離,增加了金屬離子周圍配位的q以及水分子在Gd3+外層的τD,并且減小了水分子τm,從而顯著提高了材料的r值.因此,通過改變MOF結構,能夠有效地改變Gd基螯合物的磁共振造影效果.

圖3 基于Gd(Ⅲ)金屬有機骨框架的新型造影劑Gd-TCPP和Gd-TPPS.(a)Gd-TCPP和(b)Gd-TPPS納米粒子的制備原理圖;(c)Gd-TCPP納米粒子的掃描電子顯微鏡(SEM)圖;(d)Gd-TPPS納米粒子的高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)圖;(e)Gd-TCPP,(f)Gd-TPPS,(g)Gd-DTPA的弛豫性能(k表示斜率Slope)[17]

在大多數磁共振造影劑的研究中,研究者們發(fā)現(xiàn)納米顆粒的粒徑大小往往會對其性能造成一定的影響.根據實體瘤的高通透性和滯留效應(EPR)可以得知,相對于正常組織而言,某些尺寸大小的顆?；蚍肿痈于呄蛴诰奂谀[瘤組織部位.正常組織中的微血管內皮結構完整、間隙致密,脂質顆粒和大分子不易透過血管壁,而實體瘤組織中血管壁間隙較寬、血管豐富、淋巴回流缺失、結構完整性差,從而造成脂質顆粒和大分子物質具有滯留性以及選擇性高通透性.因此,納米顆粒的粒徑大小是評估造影劑性能的一個依據.

HATAKEYAMA等[18]基于1,4-BDC和1,2,4-BTC這兩種連接劑制備了4種不同的圓柱形MOF納米顆粒,平均粒徑在24～1 000 nm(表1),并研究了這組顆粒隨著尺寸變化而改變的r值.

不同大小納米顆粒的磁共振測量顯示出r2值具有明顯的尺寸大小依賴性.當顆粒尺寸最小時,得到了最大的r2值,為105.4 mmol-1·L·s-1.與之類似地,r1值的大小也會隨著納米顆粒粒徑的減小而增大.因此,r1和r2值都隨著圓柱形的MOF顆粒尺寸的減小而增大,如圖4所示.由此可見,控制顆粒的大小對材料的r值影響極為重要.納米顆粒中Gd3+的最高含量與r1和r2值無關,因此最有效的磁共振造影劑不一定是所有顆粒中粒徑最大的或者是含Gd3+量最高的,為利用最優(yōu)粒徑與最佳載藥量來增加納米顆粒的r值提供了可能,并且可以將金屬離子的危害降到最低.

表1 Gd-MOF納米顆粒的物理性質與對應的r值 [18]

注:a.括號中的值是Gd-MOF納米顆粒的平均長度;b.每個Gd-MOF樣品的實驗體積和表面積是假設顆粒為圓柱形,并利用透射電子顯微鏡(TEM)測得的長度和寬度值來確定的(除了24 nm的 Gd-MOF假設為立方體);c.用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)法測定Gd3+數與納米顆粒的比值;d.r值使用4.7 T MRI掃描儀在0.2%(質量分數)黃原膠溶液中測定(r1為縱向弛豫率,r2為橫向弛豫率).

圖4 一種基于Gd(Ⅲ)金屬有機骨框架的新型造影劑Gd-MOF.(a)不同粒徑Gd-MOF的MRI對比圖;(b～i)不同粒徑Gd-MOF的TEM[18]

由上述研究工作可知,調整Gd-MOF的粒徑可以得到不同r值的造影劑材料,并且當納米顆粒的形貌相近時,隨著粒徑的減小,r值明顯增大.因此,在設計和合成Gd造影劑的過程中,調節(jié)納米顆粒的粒徑也成為得到最佳r值的一種有效方法.

除了上述的一些因素以外,溫度、磁場強度和pH值等都對納米材料的r值存在著一定的影響.對于很多化學反應而言,溫度常常是較為重要的一個影響因素.當然,在合成MOF材料的過程中,溫度同樣會對反應結果產生影響.因此有很多MOF在合成過程中需要嚴格控制反應溫度,比如RuO2@Zr6O5(OH)3(BTC)2(HCOO)5(H2O)2,MOF-808(RuO2@MOF-808-P)的制備溫度需要控制在140 ℃[19],Mn(Ⅲ)-TCPP納米顆粒需在常溫下制備[20].

CARNE-SANCHEZ等[21]利用Cu(Ⅱ),Gd(Ⅲ)和大環(huán)釓Ⅲ-1,4,7-三(叔丁氧羰甲基)-10-(乙酸)-1,4,7,10-四氮雜環(huán)十二烷(DOTP)組成的高度穩(wěn)定的納米級MOF來探究溫度對r的影響.作者在實驗過程中設置了3個不同的溫度,分別是25 ℃,37 ℃以及50 ℃.當保持其他條件不變時,溫度升高后,納米顆粒的r值有一定的上升趨勢,如圖5(d)所示,但不是非常明顯.由此也證明了溫度可以作為一個潛在的調節(jié)MOF造影劑的參數.目前在這方面的研究還比較少,不同的Gd-MOF造影劑雖然在合成過程中對反應溫度有不同的要求,但大部分的造影劑都是在常溫(25 ℃)下檢測r值的.因此,在這一方面的研究還有待深入與加強,利用溫度控制造影劑r值的改變將會是不錯的研究方向.

磁場強度是MRI中一個不可忽略的參數.根據外層自旋-自旋弛豫理論[22],影響r值的主要因素是磁化強度等.因此,當磁場強度改變時,通過改變質子的拉莫爾頻率與其振動頻率之間的大小關系,從而使得納米粒子的r值發(fā)生改變.在CARNE-SANCHEZ等[21]的研究中,設置了3個不同梯度的磁場強度,比較了同一Gd-MOF材料在不同場強下的r值.從研究結果看,當磁場強度在0.5～2.5 T時,材料的r1值達到最高,如圖5(d)所示,在此研究中,Gd-MOF材料的r值隨磁場強度升高而先升高后減小,在0.5～2.5 T時達到最高.

圖5 基于Gd(Ⅲ)金屬有機骨框架的新型造影劑[GdCu(DOTP)Cl]·4.5H2O(CAMOF-1).(a)CAMOF-1的結構圖;(b)CAMOF-1的TEM圖;(c)37.5 ℃時,不同pH下溶液中總Gd(Ⅲ)和游離的Gd(Ⅲ)離子相對于CAMOF-1中總Gd(Ⅲ)含量隨時間的變化趨勢圖;(d)pH=4時,不同溫度下CAMOF-1膠體懸浮液的變場核磁(NMRD)曲線;(e)在40 MHz(25 ℃)下測量的納米CAMOF-1的r值的pH依賴性(誤差線表示3個重復數據的標準差)[21]

pH值是與溫度一樣,在大多數化學反應中會是一個被大家重視的反應條件.一般在不同的酸堿性下,材料的性能差別會很大,當然,也有一些MOF材料耐受性較好,其性能并不會受到溶液pH值的影響.LIU等[23]合成的CoP/Co-MOF雜化材料在中性、堿性和酸性介質中均表現(xiàn)出優(yōu)異的性能.CARNE-SANCHEZ等[21]設計的探究實驗中,pH值從4～9,MOF材料的r值變化不是特別明顯,如圖5(e)所示,但是有上升的趨勢.因此,pH值也可作為一個有效的影響因素來探究材料r值的改變.

2.2 其他金屬造影劑

鐵基MOF納米顆粒也是人們所關注的有效磁共振造影劑材料,Fe-MOF在某些程度上可以代替Gd-MOF,由于Fe是人體內大量存在的一種金屬元素,因此,Fe元素在生物毒性方面存在的危險會比Gd元素小.因此,Fe-MOF在生物醫(yī)學影像方面也具有巨大的應用潛力.目前對于Fe-MOF造影劑的研究也有不少,其中介孔三聚鐵酸鹽基MOF(MIL-Fe)是研究最廣泛的Fe基造影劑.例如HORCAJADA等[24]就合成了具有一定成像特性的基于特定無毒多孔鐵(Ⅲ)的MOF.HUANG等[25]合成了一種介孔三聚鐵酸鹽基MOF,即MIL-100(Fe),其表面覆蓋有磁鐵礦納米粒子.該納米復合物具有優(yōu)良的膠體穩(wěn)定性、低毒性和抗腫瘤活性,并且其弛豫性能優(yōu)異,可作為一種有效的MRI造影劑在體內使用.合成的多種Fe基造影劑,其中粒徑在155 nm左右的納米顆粒的r2值能夠達到(10±1)mmol-1·L·s-1,且生物毒性較低.由此證明,Fe基造影劑也可以作為一種性能優(yōu)異的造影劑用于MRI.

當然,目前對于金屬元素與MOF結合的研究還有很多,例如Mn-DPDP[8]作為一種錳基MOF造影劑也被用于MRI中.因此,在磁共振造影劑的研究中,將金屬元素與MOF結合已經成為一個比較有意義的研究方向.今后也一定能夠更加深入地研究出更多此類弛豫性能優(yōu)異的磁共振造影劑.

2.3 多種成像模式相結合

以上分析了Gd-MOF材料作為磁共振造影劑時,其r值受到多個因素的影響.然而,隨著醫(yī)學影像技術的發(fā)展,成像模式不再僅僅局限于單一成像,而是綜合多個影像技術達到共同成像的效果.

RIETER等[26]采用摻有Eu3+和Tb3+的Gd(BDC)1.5(H2O)2納米棒,進行MRI外,還將其置于紫外光下激發(fā)進行的熒光成像.圖6展示的是TIAN等[27]利用聚丙烯酸鏈對Gd(BDC)1.5(H2O)2進行表面修飾,進而接上金(Au)納米粒子用于CT成像.KUNDU等[28]則是利用MOF進行額外的熒光成像.由此可見,大多數MOF材料不僅可以作為MRI的造影劑,還能用于其他多種成像技術中.因此,在提高Gd-MOF材料造影性能的同時,也可以將研究方向深入到實現(xiàn)多種方式成像的內容上.

圖6 基于Gd(Ⅲ)金屬有機骨框架的新型造影劑Gd-MOF/Au.(a)Gd-MOF/Au 納米粒子復合材料用于MRI和CT成像;(b)不同材料的MRI圖像;(c)不同材料的CT圖像;(d)～(f)不同材料的r值[27]

3 總結與展望

臨床醫(yī)學成像技術的迅速發(fā)展推動了MRI造影劑的研發(fā)熱潮,其中Gd基造影劑占據著重要的地位.Gd-MOF納米材料作為一種新型的造影劑,具有較高的r值,其功能也十分多樣,可同時用于多種成像方式.由于MOF結構多樣,成分復雜,因此影響Gd-MOF螯合物r值的因素較多,比如MOF結構、造影劑的粒徑大小、溫度、磁場強度以及pH值等.但是,在目前的諸多研究中,不同研究之間的相關性并不高,因此,在保持MOF納米粒子其他性質不變的情況下,也很難避免其中存在的個別性質差異.除了制備更多具有磁共振活性的Gd-MOF納米制劑外,今后還應加強對影響造影劑r值的物理化學參數的研究.相信在不久的將來,在科研人員的不懈努力下,Gd-MOF造影劑會有突破性的發(fā)展.