肖 龍，朱筱磊，韓葉清，陳世楨*，周 欣#

膠束型磁共振成像分子探針的設(shè)計與應(yīng)用

肖 龍1,2，朱筱磊1，韓葉清1,2，陳世楨1,2*，周 欣1,2#

1. 中國科學院精密測量科學與技術(shù)創(chuàng)新研究院，波譜與原子分子物理國家重點實驗室，武漢磁共振中心，湖北 武漢 430071；2. 華中科技大學武漢光電國家研究中心，湖北 武漢 430074

飛速發(fā)展的分子影像學在腫瘤的早期診斷及檢測中發(fā)揮著越來越重要的作用．磁共振成像（MRI）是分子影像學的重要分支，具有其他成像技術(shù)不可比擬的優(yōu)越性和廣闊的發(fā)展前景．它不需要放射性示蹤劑，沒有電離輻射，具有高的空間、時間分辨率和組織對比度．近年來，新型磁共振分子探針及成像序列取得了一系列進展，包括環(huán)境響應(yīng)型分子探針、19F成像、129Xe超極化成像以及化學交換飽和轉(zhuǎn)移成像等，進一步拓展了MRI的應(yīng)用范圍．研究和開發(fā)靶向性好、弛豫效率高且安全性好的新型多模態(tài)MRI造影劑，進一步提高靈敏度是MRI領(lǐng)域的一項重要課題，例如將膠束的特性與一些MRI新方法結(jié)合，尋找合適的膠束體系，以提高MRI分子探針的靈敏度；或者引入多模態(tài)分子探針，彌補磁共振方法的不足．本文綜述了膠束型MRI分子探針核心技術(shù)的研究進展與應(yīng)用，并指出分子影像技術(shù)在生物醫(yī)學工程研究和臨床診斷中的重要性．

分子影像技術(shù)；磁共振成像（MRI）；多模態(tài)成像；分子探針；膠束

引 言

不斷提高的醫(yī)學成像技術(shù)使腫瘤等疾病的早期檢測及病理研究逐步達到分子層面[1]．作為腫瘤早期檢測的重要影像手段之一，磁共振成像（MRI）具有無創(chuàng)傷性、靈活多樣性但靈敏度較低的特點．借助分子影像學，通過引入生物相容性較好的新型納米分子探針作為造影劑，提高MRI檢測靈敏度，具有重要的臨床意義．其中，兩親性共聚物膠束自1984年由Bader等[2]提出，就被證明可以用作良好的藥物載體，膠束作為一系列造影劑載體的研究也逐漸展開，并進一步得到臨床應(yīng)用[3,4]．

1 聚合物膠束的簡介

聚合物膠束通常是由兩親性共聚物鏈段依靠親疏水性、氫鍵等分子間相互作用構(gòu)成的星狀或粒狀納米級材料，因其特殊的核-殼結(jié)構(gòu)和粒徑大小已被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)用材料．目前，聚合物膠束作為納米藥物載體，由于具有高效、穩(wěn)定及高載藥量等優(yōu)勢，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于腫瘤的臨床治療和研究；另外，它還可以作為MRI、超聲、核醫(yī)學成像等醫(yī)學影像技術(shù)的造影劑分子的載體，進一步應(yīng)用于腫瘤的診斷及治療[5,6]．

分子探針在生物體內(nèi)的分布極大影響了最終的成像效果．為使腫瘤區(qū)域的對比增強，一方面要避免分子探針被免疫系統(tǒng)吞噬和代謝，另一方面要盡可能延長探針的血液循環(huán)時間以增加腫瘤區(qū)域的富集濃度．由于其本身的高通透性和滯留效應(yīng)（EPR），腫瘤部位更傾向于蓄積粒徑大小在30～200 nm左右的大分子．膠束結(jié)構(gòu)的多樣性使得研究者可以按照需求更改重復(fù)單元的結(jié)構(gòu)和數(shù)量，以設(shè)計合成合適粒徑的膠束分子．同時，聚合物膠束的外殼通常由親水性的材料組成，如聚乙二醇（PEG）、聚環(huán)氧乙烷（PEO）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）等．該親水端不僅能夠幫助膠束體系穩(wěn)定地分散在水溶液中，避免聚集沉降；而且使其進入生物體后能夠躲避免疫細胞的吞噬，延長在血液中的循環(huán)時間，負載更多的藥物或者造影劑到達腫瘤部位[7-9]．MRI因具有組織對比度高、無放射性、時間空間分辨率較高等優(yōu)點在臨床上得到廣泛應(yīng)用，但傳統(tǒng)的1H MRI靈敏度較低，需要注射造影劑以增強對比．對于一些具有特殊功能鏈段的膠束，如聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAM）、聚己內(nèi)酯（PCL）、聚天冬氨酸（PAsp）等溫度及pH敏感型鏈段[10]，其具有的環(huán)境響應(yīng)型特性正好有助于提高成像的靈敏度和特異性．表1列出了一些常用的共聚物作為膠束型MRI造影劑載體的應(yīng)用概述．

表1 一些常用的聚合物作為膠束型MRI造影劑載體的應(yīng)用概述

2 膠束型磁共振造影劑的類型

基于聚合物膠束在臨床應(yīng)用中的優(yōu)點，將其作為傳統(tǒng)磁共振造影劑的載體，可以進一步提高造影劑的運輸效率，同時膠束表面也可以修飾一些具有靶向性的基團從而與病變部位的靶點進行特異性結(jié)合，實現(xiàn)對疾病的特異性檢測．以聚合物膠束作為載體的新型MRI造影劑主要可以分為以釓等順磁性金屬為基礎(chǔ)的1正增強顯影劑和以超順磁性氧化鐵（SPIO）納米顆粒為主的2負增強顯影劑，以及以化學交換方法獲得信號提高的化學交換飽和轉(zhuǎn)移（CEST）造影劑等．

2.1 聚合物膠束作為T1 MRI造影劑的載體

1加權(quán)成像是借由不同組織自身所具有的不同1時間而獲得的對比成像，通過引入帶有未配對電子的順磁性金屬可以增加順磁弛豫率，進一步提高病變區(qū)域與正常組織的1加權(quán)像的對比度．但順磁性金屬離子本身具有較高的生理毒性，因此自1984年Weinmann等[40]研發(fā)出以二亞乙基三胺五乙酸釓（Gd-DTPA）為代表的1造影劑以來，當前主要以DTPA、1,4,7-三叔丁氧羰基-1,4,7,10-四氮雜環(huán)十二烷（DOTA）及其衍生物等螯合物與順磁性金屬配位作為造影劑分子探針進行MRI檢測．但是這種小分子造影劑在體內(nèi)血液循環(huán)半衰期短，沒有靶向性，且有金屬離子泄露的危險．為解決上述問題，膠束作為一種具備獨特優(yōu)勢的藥物載體而被應(yīng)用于裝載造影劑分子．

2018年，Shiraishi等[41]使用PEG-Plys包裹Gd-DOTA，以24只BALB/c小鼠為研究對象，采用1 T MRI設(shè)備檢測淋巴結(jié)里富集的造影劑含量，進行了造影劑的血液循環(huán)半衰期實驗，結(jié)果顯示膠束包裹的Gd-DOTA擁有更長的血液循環(huán)半衰期（達到6 h左右），比單獨使用Gd-DOTA提高了近3倍，且成像靈敏度也有相應(yīng)的提高—Gd分子使用檢測量低至0.5 μmol·L-1．Ji等[42]開發(fā)了一種裝載化療藥物阿霉素（DOX）和MRI造影劑（Gd-DTPA）的多功能磷酸鈣納米顆粒（A54-CaP/Gd-DTPA/DOX），用于通過1加權(quán)MRI實時視覺靶向治療肝癌．Zhou等[43]合成了聚多巴胺-聚腺苷酸（PDOPA-Psar）的共聚物膠束，該膠束能夠螯合多種金屬離子，如Mn2+、Gd3+、Ga2+等．作者著重研究了膠束螯合Mn2+作為1造影劑的成像效果，在水溶液中其縱向弛豫率可達27.7 mM?1·s?1（1 M=1 mol/L），比負載Gd3+的效果更好（16.4 mM?1·s?1），作者推測這是因為該膠束負載Gd3+的效率比較低，只有19%，遠不及Mn2+的84%．

利用膠束核殼結(jié)構(gòu)的特點，一些研究者對核層的選擇和粒徑進行了充分研究以提高造影劑的負載效果．Almutairi等[44]使用PEG化的磷脂膠束（DSPE-PEG）包裹NaGdF4晶體（3 nm），通過控制水質(zhì)子與順磁性晶體表面的接近程度，實現(xiàn)了比臨床使用的Gd3+螯合物高約25倍的超高1弛豫率．如圖1所示，與僅具有單個順磁中心的臨床Gd3+配合物相比，具有大量受限Gd3+的順磁釓基納米晶體（NCs）有望大大增強水質(zhì)子的縱向弛豫．實驗表明可以通過控制晶體膠束尺寸來調(diào)整水質(zhì)子到NCs表面的距離，在膠束化過程中增加DSPE-PEG與NCs的比例會減小NCs膠束的大小，從而增強水與NCs表面的接近度．作者使用這種策略獲得了緊湊的NCs膠束（流體動力學直徑HD?5 nm），在1.41 T磁場強度下，每個Gd3+具有約80 mM–1·s–1的超高1弛豫率．Azhari等[45]研究了在MRI和超聲中都具有對比度增強效果的氧化銅納米粒子（CuO NPs）造影劑（圖2）．該文章通過超聲誘導的熱療方式從膠束中包封和釋放CuO NPs，并利用MRI監(jiān)測該過程．作者制備了負載CuO NPs的聚(乙二醇)-嵌段-聚(D,L-乳酸)（PEG-b-PLA）膠束；然后，使用比色法研究了使用超聲加熱（US）對膠束納米載體中銅釋放的影響；最后，分別得到使用US處理后的CuO NPs膠束懸浮液樣品和使用US處理后的含有CuO NPs膠束的離體家禽肝臟樣品的1加權(quán)磁共振圖像．結(jié)果證實：（i）封裝的NPs可通過MRI檢測，1弛豫時間從1 872±62 ms大幅度縮短到683±20 ms；（ii）超聲波熱療刺激了CuO NPs的釋放，與未經(jīng)處理的樣品相比，釋放速率增加了約3倍；（iii）1加權(quán)成像清晰可見釋放效果（1加權(quán)信號增加了2.29倍）．這些發(fā)現(xiàn)可能有利于將基于CuO NPs的治療診斷開發(fā)為一種新的無創(chuàng)方法．

圖1 NaGdF4 NCs結(jié)構(gòu)及其弛豫效率的對比[44]

圖2 超聲加熱（US）對膠束納米載體中銅釋放的影響和MRI檢測．(a)三個裝有PEI膠束的比色皿的照片：（左）在室溫下4 h后，未經(jīng)US處理；（中）基線解決方案（初始狀態(tài)）；（右）經(jīng)過50 min的US處理．(b) US處理引起的溫度升高．(c)經(jīng)過US處理和未經(jīng)US處理溶液的所得銅釋放百分比與時間的關(guān)系（n=3）．(d, f)未經(jīng)US處理和(e, g) US處理后的(d, e) MRI T1加權(quán)和(f, g) T1偽彩圖像[45]

Gao等[46]以DOTA為功能單元和構(gòu)筑結(jié)合點，構(gòu)建了一系列具有多個螯合孔的DOTA支化有機骨架．這些巨型螯合劑因具備納米級的柔軟結(jié)構(gòu)而展示出良好的特性．進一步實驗表明，與傳統(tǒng)的小分子DOTA螯合劑相比，它們能更加有效地吸附金屬離子，并且更加穩(wěn)定；其與Gd3+、Tb3+或兩者同時螯合的多核配合物表現(xiàn)出優(yōu)異的成像性能、良好的周邊修飾可行性和高動力學穩(wěn)定性．這種新型的大分子和配體支化策略可以很容易地擴展到制備多功能的多核配合物和核/殼多核配合物，為設(shè)計和構(gòu)建下一代用于生物醫(yī)學的高性能和高穩(wěn)定性的多金屬試劑提供了新途徑．

2.2 膠束作為T2 MRI造影劑的載體

2加權(quán)成像的本質(zhì)是通過改變磁場的不均勻度，獲得不同組織部位長短不同的2弛豫時間．2加權(quán)像中，造影劑富集部位會呈現(xiàn)明顯弱于其他部位的暗影．因此傳統(tǒng)的2造影劑一般選擇具有可以影響磁場的SPIO納米顆粒或其他順磁性金屬氧化物，如已經(jīng)投入到臨床使用的菲立磁[47]，使得目標區(qū)域在磁共振圖像中更暗．

基于聚合物膠束作為藥物載體的諸多優(yōu)勢，以及SPIO表面可功能化、可與兩親性鏈段相互作用的特點，研究人員開發(fā)了多種以膠束作為載體的2型造影劑．Lin課題組[48]將SPIO包埋在樹枝狀聚合物超分子膠束（圖3）中，其顯示出比單獨使用SPIO高4倍的2弛豫率以及高效的交變磁場引導的藥物釋放特性．隨后Yang等[49]開發(fā)了靶向活化血小板的環(huán)狀精氨酰-甘氨酰-天冬氨酸多肽（cRGD）功能化脂質(zhì)體，觀察血栓形成的雙模態(tài)MRI．作者制備了包裹Gd-DTPA和SPIO的cRGD功能化脂質(zhì)體（cRGD@MLP-Gd），并在體外分別采集了cRGD@MLP-Gd的血栓靶向1和2磁共振圖像，同時測試了該脂質(zhì)體具有的1-2對比度協(xié)同增強成像效果．體內(nèi)實驗結(jié)果表明，cRGD@MLP-Gd可以主動結(jié)合活化的血小板，并在血栓部位逐漸積累．在體內(nèi)MRI實驗中，cRGD@MLP-Gd在靜脈給藥1 h后表現(xiàn)出2對比度增強，隨后在血栓部位出現(xiàn)明顯更大的1對比度增強，具有協(xié)同增強的1和2雙模態(tài)MRI成像效果．Cheng等[50]則描述了一種新型的可生物降解的納米平臺，用于將臨床使用的光動力療法（PDT）的光敏劑苯并卟啉衍生物-單酸環(huán)A（BPD-MA）遞送至腫瘤．具體而言，疏水光敏劑BPD與葡聚糖-b-寡聚(酰胺胺)（DOA）樹枝狀共聚物上的胺基共價結(jié)合，形成兩親性葡聚糖-BPD共軛物，可在水中自組裝成納米級膠束，使用光敏劑作為疏水性結(jié)構(gòu)單元能夠?qū)崿F(xiàn)簡便且可重復(fù)的合成和高載藥量；為了賦予這些膠束額外的成像能力，將SPIO封裝在疏水核內(nèi)，作為MRI造影劑．

圖3 SPIO包埋的超分子樹枝狀聚合物膠束結(jié)構(gòu)[48]

當前，以聚合物膠束作為1、2磁共振造影劑的載體的應(yīng)用還有很多，利用其結(jié)構(gòu)特性，還可以設(shè)計一系列功能化了的靶向性分子，以及進行藥物運載及緩釋，利用MRI評估診療的結(jié)果，這一部分內(nèi)容將在后面詳細闡述．

2.3 膠束作為CEST造影劑的載體

CEST由Balaban等[51]于2001年首先提出，是一種相對較新的MRI方法．關(guān)于CEST技術(shù)，比較經(jīng)典的原理解釋是兩池模型，包括自由水池（溶液池）與可交換池（溶質(zhì)池）．通過對可交換池預(yù)先施加飽和射頻脈沖（RF），使可交換池中的質(zhì)子得到飽和，進而與周圍的自由水池中的質(zhì)子進行化學交換，使水的磁共振信號降低，而通過測定水分子信號的變化，便可以間接獲得大分子的濃度等信息．由于大分子溶質(zhì)的濃度一般較?。╩mol·L–1或μmol·L–1量級），因而不容易在常規(guī)磁共振圖像上觀察到信號，而不間斷的飽和轉(zhuǎn)移實際上起到了放大的作用，使得低濃度的溶質(zhì)的相關(guān)信息可以被檢測到．實現(xiàn)CEST的一個必要條件是溶質(zhì)與溶液之間的固有頻率差值（CS）應(yīng)該大于（或等于）化學交換的速率（），即￡CS．近年來，已有文獻報道了各種使CEST信號進一步增強的方法和體系．按照Bloch方程的理論推算[52,53]，可以通過提高結(jié)合水的保留時間，或改變自由水交換速率及交換方式來提高CEST靈敏度．由此衍生出多種CEST造影劑，例如：依靠順磁性金屬（如銪、鐿、銩等）的化學位移誘導作用產(chǎn)生遠距離交換位點，從而提高結(jié)合水的保留時間的順磁化學交換飽和轉(zhuǎn)移（PARACEST）造影劑；利用生物體內(nèi)本身存在的帶有可交換基團（如-NH2、-OH、-COOH等）的抗磁性分子（如多糖、多肽等）的抗磁性化學交換飽和轉(zhuǎn)移（DIACEST）造影劑；一些新型的以兩親性的磷脂作為載體的脂質(zhì)體基化學交換飽和轉(zhuǎn)移（LIPOCEST）造影劑．

基于CEST造影劑依靠化學交換這一特點，有報道利用一些新型納米材料本身的特性與CEST方法相結(jié)合，從而獲得新的CEST效應(yīng)．Castelli等[54]合成了具有十六烷基鏈的新型HPDO3A基配體及其Eu3+、Gd3+和Yb3+配合物．這些兩親順磁性復(fù)合物可以在磷酸鹽緩沖液和人血清中形成穩(wěn)定存在的膠束．膠束中存在大量的鑭系復(fù)合物（約200個分子），用于MRI檢測時，也具有較高的靈敏度（膠束濃度為μmol·L–1）；此外，在配合物中添加DSPE-PEG2000可以降低膠束的細胞毒性．作者詳細研究了膠束的弛豫特性和CEST特性：裝載有Eu-和Yb-HPDO3A復(fù)合物的膠束可充當pH傳感器，用于CEST多色實驗．樹枝狀聚合物也為開發(fā)基于納米顆粒的藥物遞送系統(tǒng)和成像提供了模板．相比其他顆粒，樹枝狀大分子因具有較小尺寸（7～12 nm）的相對優(yōu)勢，可以改善腫瘤滲透效應(yīng)，并增強腫瘤特異性藥物的釋放效果．PARACEST造影劑、Eu-DOTA-Gly4或臨床使用的Gd-DOTA還可以共軛在G5 PAMAM樹枝狀聚合物的表面上．Ali等[55]為了創(chuàng)建MRI、光學成像雙模態(tài)納米顆粒，將Dylight680（DL680）加入到G5樹枝狀聚合物的胺表面．如圖4所示，在神經(jīng)膠質(zhì)瘤動物模型中使用MRI在腦部檢測到該顆粒，體內(nèi)和體外光學成像也驗證了無創(chuàng)成像結(jié)果．

Gao等[56]報道了可電離的叔胺基嵌段共聚物能通過CEST機制用作MRI的pH響應(yīng)造影劑．如圖5所示，當聚合物在接近生理pH環(huán)境下形成膠束時，CEST信號基本上是“關(guān)閉”的；但當膠束在酸性環(huán)境中解離時，CEST信號會被激活到“開啟”狀態(tài)．

越來越多的證據(jù)表明，納米顆粒藥物遞送系統(tǒng)（nano-DDS）在提高遞送效率和減少脫靶不良反應(yīng)等方面擁有巨大的應(yīng)用前景．通過跟蹤藥物遞送和分布、監(jiān)測納米顆粒降解和藥物釋放、幫助和優(yōu)化治療計劃，以及指導更強大的納米DDS的設(shè)計，圖像引導已成為納米醫(yī)學的重要組成部分．CEST成像也可用于實現(xiàn)基于圖像引導的藥物遞送，它能夠以高空間分辨率的方式對眾多的生物有機物、天然化合物甚至納米載體進行檢測．目前，CEST MRI已成為一種多功能的成像技術(shù)，用于在體內(nèi)對納米顆粒及其負載藥物進行無創(chuàng)追蹤[57]．

圖4 G5樹枝狀大分子的結(jié)構(gòu)及在膠質(zhì)瘤動物模型中的檢測．(a) Dylight680（DL680）與Gd-DOTA或Eu-DOTA-Gly4裝載到G5樹枝狀聚合物結(jié)構(gòu)中．(b) Gd-G5-DL680，注射劑量為0.03 mmol Gd/kg．分別在白光和過濾激發(fā)下獲得體內(nèi)光學圖像，發(fā)射濾光片設(shè)置為750 nm，用來分辨神經(jīng)膠質(zhì)瘤中的熒光．(c)大鼠腦的離體熒光成像清楚地顯示Gd-G5-DL680在腫瘤內(nèi)的選擇性積累．(d)腫瘤以白色虛線圓圈表示．(e)覆蓋在X射線圖像上的大鼠頭部的體內(nèi)熒光圖像顯示腦中U87腫瘤中存在Eu-DOTA-Gly4-G5-DL680納米顆粒．(f)冠狀位磁共振圖像顯示U87腫瘤的位置．(g)全腦的離體熒光圖像也檢測到大腦中的納米顆粒．(h)離體熒光圖像疊加在磁共振圖像上，以顯示納米顆粒位于U87神經(jīng)膠質(zhì)瘤中[55]

圖5 使用CEST監(jiān)測PEG-b-PDPA聚合物的pH響應(yīng)行為．(A)嵌段共聚物PEG114-b-PDPA116中的膠束-單體平衡對pH非常敏感．(B) (a) PEG-b-PDPA在pH 5.0和7.5時的CEST譜；(b)在pH 5.0到7.5范圍內(nèi)，不對稱磁化轉(zhuǎn)移率（MTRasym）與飽和頻率偏移的關(guān)系圖；(c) MTRasym與pH的關(guān)系；(d) pH 5.8時，MTRasym與PEG-b-PDPA共聚物濃度的關(guān)系[56]

2.4 其他膠束型磁共振造影劑

上面介紹的基于1、2及CEST的膠束型磁共振造影劑都是利用水中質(zhì)子的信號，在生物體內(nèi)受到較多背景信號的干擾．聚合物膠束作為磁共振造影劑的載體在一些異核（如19F、129Xe）成像上也有較多的應(yīng)用．Montclare等[58]介紹了一種蛋白質(zhì)嵌段共聚物的生物合成，稱為“氟化熱響應(yīng)組裝蛋白”（F-TRAP），它可組裝成單分散納米級膠束，該膠束具有有趣的19F NMR特性以及小分子封裝和釋放治療的能力，可以作為診斷和治療試劑．如圖6所示，F(xiàn)-TRAP膠束由卷曲螺旋五聚體外冕層和疏水性、熱響應(yīng)性彈性蛋白樣多肽核心組裝而成，組裝后氟化蛋白的自旋-自旋弛豫時間（2）顯著降低，但自旋-晶格弛豫時間（1）幾乎不受影響．作者使用19F NMR初步探索了F-TRAP應(yīng)用于活體磁共振的潛力．由于其固有的刺激響應(yīng)特性，這種氟化膠束還擁有封裝小分子化療藥物DOX并以熱響應(yīng)方式釋放的能力，為開發(fā)熱響應(yīng)性19F MRI/MRS可追溯治療診斷試劑提供了一條新途徑．

圖6 氟化熱響應(yīng)組裝蛋白的解組裝與藥物釋放[58]

Whittaker等[59]在含氟丙烯酰胺類單體中加入高親水性亞砜基團，使含氟聚合物具備了優(yōu)異的水溶性，并表現(xiàn)出作為19F MRI造影劑的優(yōu)異的成像靈敏度，這為其進一步在體內(nèi)的應(yīng)用開辟了新的可能性．作者以牛血清白蛋白（BSA）為模型治療分子，通過光聚合技術(shù)介導的接枝方法，成功地合成了蛋白質(zhì)-氟聚合物偶聯(lián)物．由于偶聯(lián)條件溫和，該偶聯(lián)物保持了良好的酯酶活性．并且，藥代動力學研究表明，氟聚合物的偶聯(lián)可顯著延長BSA在血液中的循環(huán)時間．此外，該偶聯(lián)物可用于活體19F MRI檢測，并且具有極高的靈敏度，這使得定量檢測偶聯(lián)物的生物分布和代謝等信息得以實現(xiàn)，進一步突顯了使用含氟聚合物結(jié)合蛋白質(zhì)優(yōu)于其他聚合物的好處．這項工作中開發(fā)的氟聚合物是對目前生物偶聯(lián)方法的重要補充，為下一代可自我跟蹤的治療性聚合物偶聯(lián)物的開發(fā)提供了新思路．

3 環(huán)境響應(yīng)型膠束在腫瘤組織MRI檢測中的應(yīng)用

環(huán)境響應(yīng)型膠束是藥物遞送系統(tǒng)中的一個重要組成部分，通常指一類能夠根據(jù)其所處的環(huán)境做出特定響應(yīng)的藥物載體．這里的環(huán)境條件既包括溫度、壓力、電位、pH、氧化還原等物理化學環(huán)境，也包括酶、激素、細胞因子等生化環(huán)境．而響應(yīng)則包括降解、組裝、釋藥、活化、粘附、蓄積等行為．環(huán)境響應(yīng)型載體至少包括兩個功能組件：其一是響應(yīng)組件，用于感知并對外界環(huán)境做出響應(yīng)；二是載藥組件，用于搭載藥物或造影劑，實現(xiàn)特定的生理功能，但有時這兩部分可以合二為一．表2總結(jié)了一些具有環(huán)境響應(yīng)性的聚合物單體基團．由于聚合物膠束在水溶液中常常形成星狀、球狀或是棒狀的形態(tài)，當條件改變時，含有這些基團的聚合物膠束會在其作用下發(fā)生形態(tài)、大?。剑┑母淖?，甚至是瓦解．環(huán)境響應(yīng)型膠束長期以來作為藥物運載和緩釋的載體，利用的正是其膠束中親水或疏水基團形態(tài)的改變．基于這種特性，也可以設(shè)計一系列受到環(huán)境條件改變而產(chǎn)生造影效果由“ON”到“OFF”或者由“OFF”到“ON”的造影劑．

表2 一些主要的環(huán)境敏感性的重復(fù)單元結(jié)構(gòu)及環(huán)境響應(yīng)類型

3.1 pH敏感型膠束在腫瘤組織MRI檢測中的應(yīng)用

腫瘤細胞長期進行無氧呼吸，缺乏有氧糖酵解作用，因此其病變組織的pH與正常組織有所不同，偏酸性．當pH敏感型膠束在腫瘤組織周邊聚集時，其形態(tài)會因為pH環(huán)境的變化而發(fā)生改變，因此可以廣泛應(yīng)用于腫瘤等疾病的早期檢測．2019年，Wang等[60]合成了一種兩親性嵌段共聚物——聚(乙二醇)-b-聚(-芐基L-天冬氨酸)（mPEG-PBLA），其PBLA接枝不同摩爾比的N,N-二異丙基氨基乙胺氨基化（DIP）和N,N-二丁氨基乙胺（DBA）．作者篩選出具有適當Ka的共聚物mPEG-PAsp（DBA 75% & DIP 25%）制備pH敏感型膠束，該膠束可以封裝高含量的疏水性抗癌藥物DOX和SPIO，在中性pH值下處于穩(wěn)定狀態(tài)，但在弱酸性條件下會快速分解．膠束納米藥物能被肝癌細胞（HepG2）有效吸收，并且在酸性溶酶體隔室內(nèi)很容易觸發(fā)DOX釋放，從而使藥物游離并遷移到細胞核．體內(nèi)熒光成像和MRI實驗表明，具有合適大小和弱正電荷的PEG化納米藥物可以在血液中停留更長時間，并優(yōu)先滲入腫瘤．該納米藥物不僅對HepG2細胞表現(xiàn)出高細胞毒性，而且顯著延長了荷瘤小鼠的存活時間，從而證明了這種pH敏感且MRI可視化的膠束在治療癌癥方面的巨大潛力．

朱康順等[61]合成了包含索拉非尼（SF）、SPIO和葉酸（FA）修飾的pH敏感型納米膠束，并利用體外MRI實驗研究其對原發(fā)性肝細胞癌（HCC）的抗癌功效．具體操作是首先制備了FA、PEG、N,N-二丁基乙二胺和N,N-二異丙基乙二胺接枝聚L-天冬氨酸的共聚物FA-PEG-PAsp(DBA/DIP)，然后將SF和SPIO封裝在共聚物內(nèi)，以合成靶向膠束FA-PEG-PAsp(DBA/DIP)-SPIO/SF（FPASS）．另外，以非靶向的無葉酸膠束PEG-PAsp(DBA/DIP)-SPIO/SF（PASS）作為對照，分析了膠束的理化性質(zhì)和藥物釋放行為．對使用具有不同F(xiàn)e濃度的FPASS和PASS孵育的HepG2細胞進行MRI實驗，并對使用膠束（Fe濃度為20 μg/mL）處理的細胞進行普魯士藍染色，以評估膠束的藥物遞送和成像能力．HepG2細胞在與FPASS孵育之前用過量的游離FA進行預(yù)處理，隨后進行細胞活力、細胞凋亡、細胞周期和管形成測定，以評價膠束的抗HCC作用．實驗結(jié)果證明這種膠束具有對pH敏感的MRI可視化功能和SF遞送能力，有助于提高抗HCC作用．Cheng等[62]則合成了另一種pH敏感型共聚物—2-(二異丙基氨基)乙胺接枝聚（L-天冬氨酸）和2-巰基乙胺接枝聚（L-天冬氨酸）的二嵌段共聚物（PAsp(DIP)-b-PAsp(MEA)，PDPM），該二嵌段共聚物能自組裝成膠束，負載化療藥物DOX，并引入用于光熱化療和光聲成像的金納米籠結(jié)構(gòu)．如圖7所示，用PEG進一步表面改性后，負載DOX的pH敏感金納米籠（D-PGNC）粒徑在100 nm左右，且具有均勻的球形結(jié)構(gòu)，其中PAsp(DIP)的pH敏感核心結(jié)合了DOX，夾層通過二硫鍵交聯(lián)并裝飾有不連續(xù)的金殼和PEG外冕層．由于夾層的交聯(lián)和金納米籠的裝飾，D-PGNC中DOX在血液中的釋放被關(guān)閉，但在腫瘤組織內(nèi)部通過多種刺激被打開，刺激包括腫瘤組織的低pH值（～6.8）、癌細胞溶酶體低pH值（～5.0）和近紅外（NIR）的照射．受NIR照射的金納米籠可以用于熱療來消融腫瘤細胞．此外，腫瘤組織內(nèi)DOX熒光和光聲成像的分析表明，基于金納米籠的光熱療法能有效推動DOX在腫瘤內(nèi)部的滲透．由于有利于殺死癌細胞的藥物在腫瘤內(nèi)快速釋放，并且深入滲透組織，基于D-PGNC和NIR照射的協(xié)同治療表現(xiàn)出優(yōu)于單獨化療或NIR誘導光熱治療的效果．

3.2 溫度敏感型膠束在腫瘤組織MRI檢測中的應(yīng)用

同pH敏感型膠束一樣，利用一些具有溫敏型鏈段的膠束也可以對腫瘤病變組織進行檢測．一些具有低臨界相轉(zhuǎn)變溫度（LCST）的溫度敏感型聚合物膠束的粒徑會隨著溫度而變化，從而對周邊產(chǎn)生MRI信號的質(zhì)子所處的環(huán)境產(chǎn)生影響．Gao課題組[63]報告了一種基于氟化離子液體的可激活19F MRI平臺，用于開發(fā)智能19F探針．如圖8所示，作者選擇了幾種具有合適熔點的氟化離子液體，并將它們穩(wěn)定地限制在中空介孔二氧化硅（HMS）球體中，然后用刺激響應(yīng)共聚物密封孔隙密封，導致19F信號“關(guān)閉”．在被熱刺激激活后，一個“開啟”的19F信號會點亮沒有背景信號干擾的活體目標區(qū)域．這項工作極大地促進了溫度刺激響應(yīng)型19F探針的開發(fā)，對基于19F MRI的疾病診斷非常重要．

圖7 PAsp(DIP)-b-PAsp(MEA)（PDPM）的金納米籠結(jié)構(gòu)并自組裝成膠束負載化療藥物阿霉素用于光熱化療和光聲成像[62]

圖8 基于氟化離子液體的可激活19F MRI平臺[63]

3.3 其他響應(yīng)型膠束在腫瘤組織MRI檢測中的應(yīng)用

除了利用生理組織中pH和溫度等特性外，一些具有其他刺激（如光、磁場等）響應(yīng)作用的基團也被應(yīng)用于磁共振造影劑的制備．Jiang等[64]構(gòu)建了基于聚-(N--羧芐氧基-l-賴氨酸)（PZLL）接枝透明質(zhì)酸（HA）共聚物的氧化還原反應(yīng)型納米粒子（HA-g-SS-PZLL）用于肝細胞癌的診斷和治療．這些低濃度HA衍生物在水溶液中自組裝形成納米顆粒．與正常生理環(huán)境下的緩慢DOX釋放相比，氧化還原觸發(fā)釋放DOX速率更快．體外2MRI結(jié)果表明，HA-g-SS-PZLL的2弛豫率約為231 mM-1·s-1，并增強了磁共振圖像的對比度．最后，作者使用HA-g-SS-PZLL對HepG2荷瘤BALB/c小鼠進行活體MRI實驗，結(jié)果顯示了該納米顆粒應(yīng)用于活體成像和治療的潛力．除此之外，還有一些研究利用對特定部位施加外磁場或者光作用來產(chǎn)生含有造影劑的膠束的形態(tài)變化，進而達到靶向性的磁共振造影效果．Hu和Xing等[65]利用不同疏水鏈段上重復(fù)的二硒鍵，合成了三種富二硒醚的兩嵌段共聚物．如圖9所示，疏水基團中含有剛性苯基的疏水結(jié)構(gòu)有利于自組裝的可控性和高載藥量．作者首次實現(xiàn)了可見光誘導的核交聯(lián)，其中二硒鍵作為交聯(lián)部分，表現(xiàn)出氧化還原響應(yīng)降解的特征．將高含量的環(huán)磷酰胺（CPT）和DOX藥物包埋在納米載體中，形成雙核交聯(lián)型藥物膠束CPT/DOX-CCM．在腫瘤相關(guān)的氧化還原微環(huán)境中，CPT和DOX的藥物釋放受到控制．富二硒醚納米載體具有載藥量高、可見光誘導原位交聯(lián)、改善生理穩(wěn)定性、優(yōu)化藥代動力學、腫瘤特異性聯(lián)合釋藥等多種特性，在多種藥物、造影劑的釋放，以及對耐藥腫瘤的抑制等方面具有廣闊的應(yīng)用前景．

圖9 光交聯(lián)膠束的制備及抗腫瘤藥物和造影劑的釋放過程[65]

總的來說，環(huán)境響應(yīng)型膠束具有一定的物理靶向性，對于特定組織和部位的造影，該類膠束型造影劑的穩(wěn)定性和對比效果相比普通造影劑都有所提高，通過對共聚物膠束進行一些表面修飾，可以較容易地實現(xiàn)多種靶向性．

4 基于聚合物膠束的多模態(tài)分子探針設(shè)計

當前，僅基于一種影像方法的檢測及診斷往往過于單一，缺乏完整的組織、結(jié)構(gòu)和分子信息．引入不同的成像方法，結(jié)合各種探針的優(yōu)點進行多模態(tài)靶向分子探針的構(gòu)筑是有效提高微小腫瘤早期診斷準確率的關(guān)鍵．而聚合物膠束本身具有兩親性結(jié)構(gòu)，且在水溶液體系中大多以外殼內(nèi)核結(jié)構(gòu)的形式存在，通過對親水端或疏水端進行功能化的改造，能更方便地引入其他官能團，可很好的提高多模態(tài)分子探針的靈敏度．

Cormode等[66]提出了一種新型的“一體式”納米顆粒（AION）多模態(tài)成像探針，該探針具有強大的雙能乳房X線照相術(shù)（DEM）、電子計算機斷層掃描（CT）、MRI和近紅外熒光成像（NIRF）對比度特性，以及改進的生物相容性．AION是通過將近紅外熒光團（DiR）、硫化銀納米顆粒（Ag2S-NP）和IONP共封裝在PEG化膠束中形成的．AION的細胞毒性可以忽略不計，這與其最小的銀離子釋放曲線一致．如圖10所示，注射AION后，上述四種圖像的對比度均有所增加，證明了AION是一種有效的可用于一系列乳腺癌診斷的多模態(tài)造影劑．

圖10 “一體式”多模態(tài)成像探針對乳腺癌的診斷[66]

Kataoka等[67]設(shè)計并合成了聚(乙二醇)-b-聚(-芐基L-谷氨酸)與螯合劑DOTA相連的新型嵌段共聚物（DOTA-PEG-b-PBLG）．如圖11所示，作者成功制備了直徑為30 nm的DOTA功能化聚合物膠束（DOTA/m），該尺寸有助于DOTA/m深入滲透到具有厚纖維化的腫瘤，包括硬胃癌（SGC）．111In標記的DOTA/m在Colon-26腫瘤（具有高滲透性的小鼠結(jié)腸癌）以及OCUM-2 MLN腫瘤（具有低滲透性的SGC）中高度積累，單光子發(fā)射計算機斷層掃描（SPECT）清楚地描繪了兩種腫瘤區(qū)域．Gd標記的DOTA/m與高空間分辨率的MRI結(jié)合，清楚顯示了OCUM-2 MLN腫瘤區(qū)域．此外，111In/Gd標記的膠束，以及111In和Gd標記的DOTA/m混合物證明了該系統(tǒng)對SCG的SPECT/MRI多模態(tài)成像的能力．

圖11 多模態(tài)成像探針平臺的制備示意圖和三模態(tài)成像效果[67]

Wang等[68]則將脫鎂葉綠素（Pheo）分散到Pluronic F127中，并用低溫表面活性劑汽提法去除多余的表面活性劑．與其他兩種同樣具有高卟啉濃度的納米材料相比，表面活性劑剝離的Pheo膠束（ss-Pheo）具有相似的尺寸，但具有更強的NIRF效果．ss-Pheo產(chǎn)生的單線態(tài)氧更多，使PDT成為可能．ss-Pheo同時具備較高的光聲和熒光成像對比度，在用64Cu無縫標記后還用于正電子發(fā)射斷層掃描（PET），作者在原位乳腺腫瘤模型小鼠中實現(xiàn)了上述3種成像模式．

5 總結(jié)與展望

MRI作為一種無侵入性、無放射性的臨床影像學方法，在癌癥的早期診斷方面具有廣泛的應(yīng)用前景．通常情況下，傳統(tǒng)1H MRI的檢測靈敏度為毫摩爾量級[69]，這不利于對腫瘤等病變組織微環(huán)境及其在細胞水平和分子水平的檢測．因此，發(fā)展新型磁共振方法、設(shè)計更加合適的分子探針，對于提高MRI的檢測靈敏度顯得十分重要．兩親型共聚物膠束因其本身所具有的親疏水結(jié)構(gòu)、粒徑合適、穩(wěn)定性好、易于功能化等優(yōu)點，可以很好的用作MRI造影劑的載體，或者直接進行造影．例如：對比傳統(tǒng)的小分子造影劑，膠束體系的造影劑具有更高的弛豫率以及穩(wěn)定性；與脂質(zhì)體相比，則具有更長的血液循環(huán)時間．而通過改進共聚物膠束的結(jié)構(gòu)，獲得基于1、2、CEST和其他方式的磁共振造影新方法，為磁共振造影劑的研發(fā)、提高MRI靈敏度開拓了新的思路．

聚合物膠束作為MRI造影劑載體的應(yīng)用已經(jīng)被廣泛開展，其在不同的應(yīng)用中具有不同的作用．聚合物膠束單純地作為造影劑的載體，一方面是其能夠提高造影劑的負載量進而提高靈敏度，另一方面也能夠提高造影劑本身的弛豫效率，這些對于評估膠束體系所起的作用具有重要的參考價值．利用腫瘤微環(huán)境中的特殊性質(zhì)，例如微酸、缺氧、過表達某些物質(zhì)和EPR效應(yīng)等，設(shè)計針對某種特性響應(yīng)的膠束體系，如pH響應(yīng)、谷胱甘肽（GSH）響應(yīng)和酶響應(yīng)等，能夠?qū)Ω信d趣區(qū)域進行靶向識別，進一步提高成像對比度．膠束作為多模態(tài)造影劑的載體則是多種成像模式的融合以及創(chuàng)新，結(jié)合2種或2種以上的成像方式，可為腫瘤的識別和診斷提供更加豐富的結(jié)構(gòu)和功能信息．

當前，將共聚物膠束特別是環(huán)境響應(yīng)型膠束應(yīng)用到造影劑制備的研究雖然豐富，但還有許多問題亟待解決，譬如生物安全性和體內(nèi)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等的研究還不夠深入．另外，通過將膠束的特性與一些磁共振新方法進行結(jié)合，尋找更加合適的膠束體系，以提高MRI分子探針的靈敏度；或者通過引入多模態(tài)分子探針，彌補磁共振方法的不足，都將是未來聚合物膠束作為生物醫(yī)用材料的主要研究方向．

今后，膠束型磁共振造影劑體系的發(fā)展可以是多方面、多途徑的．例如通過改進膠束體系進一步提高小分子磁共振造影劑體系的弛豫效率，彌補傳統(tǒng)1H MRI造影劑的不足；對于異核磁共振造影劑，特別是19F MRI來說，膠束體系可以極大提高體系的19F含量，對比小分子19F造影劑則可以成量級的提高其靈敏度．最后，利用腫瘤微環(huán)境的特性，針對性的研究響應(yīng)型的聚合物膠束體系，提高成像對比度，是早發(fā)現(xiàn)、早診斷腫瘤，甚至攻克腫瘤至關(guān)重要的一步．

無

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Design and Application of Micellar Magnetic Resonance Imaging Molecular Probe

1,2，1，1,2，1,2*，1,2#

1. State Key Laboratory of Magnetic Resonance and Atomic and Molecular Physics, National Center for Magnetic Resonance in Wuhan, Innovation Academy for Precision Measurement Science and Technology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China; 2. Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China

Molecular imaging plays an increasingly important role in the early diagnosis and detection of tumors. As a significant branch of molecular imaging, magnetic resonance imaging (MRI) shows incomparable advantages and broad development prospects than other imaging technologies. It requires no radioactive tracer, no ionizing radiation, but presents high spatial and temporal resolution and tissue contrast. In recent years, a series of progress has been made in the research and development of new magnetic resonance molecular probes and imaging sequences, including responsive molecular probes,19F MRI, hyperpolarized129Xe MRI, and chemical exchange saturation transfer (CEST) imaging, which have expanded the application range of MRI. One crucial research in MRI development is to further improve sensitivity. Therefore, the research of new multimodal MRI contrast agents with good targeting capacity, high relaxation efficiency and high safety is an important topic in the current biomedical engineering field. For example, the sensitivity of MRI molecular probes could be improved by combining the characteristics of micelles with some new magnetic resonance methods. Some deficiencies of MRI could be overcome by introducing multimodal molecular probes. This article reviews the research progress and application analysis of the core technology of micellar MRI molecular probes, and elucidates the importance of molecular imaging technology in biomedical engineering research and clinical diagnosis.

molecular imaging technology,magnetic resonance imaging (MRI),multimodal imaging,molecular probes,micelles

O482.53

A

10.11938/cjmr20212933

2021-07-06;

2021-09-14

國家重點研發(fā)計劃“變革性技術(shù)關(guān)鍵科學問題”重點專項(2018YFA0704000)；國家自然科學基金資助項目(81625011, 91859206, 21921004, 21874150)．

* Tel: 027-87198631, E-mail: chenshizhen@wipm.ac.cn;

# Tel: 027-87198802, E-mail:xinzhou@wipm.ac.cn.