钆类纳米磁共振造影剂的研究进展

郎丹综述，杨志欣，应晓英审校

（1.黑龙江中医药大学药学院，黑龙江哈尔滨150040；2.浙江大学药学院，浙江杭州310058）

钆类纳米磁共振造影剂的研究进展

郎丹1，2综述，杨志欣1，应晓英2审校

（1.黑龙江中医药大学药学院，黑龙江哈尔滨150040；2.浙江大学药学院，浙江杭州310058）

磁共振成像；造影剂；钆；纳米结构；纳米制剂；综述

MRI即核磁共振成像技术，又名自旋成像，是利用人体组织中某原子核的核磁共振现象，将所得射频信号经过电子计算机处理，重建出人体某一层面的图像的诊断技术。MRI是继CT后医学影像学的又一重大进步。1973年Lauterbur首次实现了MRI，此后，其以极快的速度得到了发展。MRI技术以其非侵入性、无辐射伤害、对软组织的分辨率高、多核多参数成像、任意层面扫描等优点，目前已成为临床常规影像诊断方法和手段之一。

据统计，有近50％的MRI检查已经涉及使用MRI造影剂[1]，以此来提高成像对比度，而这个比例还在不断地扩大。磁共振造影剂根据其作用的原理可以分为2种，即纵向弛豫（T1）造影剂和横向弛豫（T2）造影剂。T1造影剂以钆类有机化合物为主要研究对象，而T2造影剂则以铁类物质为核心。小分子钆类造影剂能够缩短水中质子的T1时间，使得T1加权成像的亮度变大。但这类造影剂具有非特异性，体内存留时间短，弛豫效能低且剂量大时可导致毒性反应等缺点。近年来，已有很多研究者将钆造影剂制备成纳米制剂对其进行改进，以达到水溶性好，选择性好，体内稳定，弛豫效能高，毒性低且能够完全被排出体外等目的[2]。本文就含钆纳米造影剂的研究进展及肿瘤造影应用作一综述。

1 钆类纳米制剂的研究现状

目前，研究较多的钆类纳米制剂主要包括脂质体、聚合物纳米粒、树形分子、胶束、碳纳米管、二氧化硅纳米粒和富勒烯等。小分子钆造影剂，载入纳米制剂后，可使其在血液中的滞留时间延长[3-4]，弛豫效能提高[5]，总剂量减少从而降低毒性反应[6]。同时，也可以对其进行修饰以赋予钆造影剂一些特殊的功能如特定部位的靶向[7-9]，从而有利于更好地诊断治疗疾病。下面对几种钆造影剂纳米制剂的研究现状进行概述。

1.1 脂质体脂质体作为钆类造影剂的载体一直是钆类造影剂纳米化的研究热点。无论是将钆喷替酸葡甲胺（Gd-DTPA）、钆双胺（Gd-DTPA-BMA）、钆特酸葡甲胺（Gd-DOTA）等钆螯合物包裹于脂质体水性内核作为磁共振造影剂以检测原发性及转移性瘤[10]，还是将钆造影剂包裹于脂质体的脂质双分子层中，以增加钆造影剂与水的相互作用，这些方法都取得了很好的效果[11]。近年来，Fowler等[12]用包裹钆-二亚乙基三乙酸-双甲酰胺（Gd-DTPA-BMA）的脂质体对脂质体的体内行为进行研究，实验结果发现，当脂质体结构被破坏时，钆螯合物的T1改变限制被解除，从而使得肿瘤的T1有效载荷释放体内观测下降。Cheng等[13]用可聚合的磷脂1，2'-双[10-（2′，4′-hexadienoyloxy）癸酰基]-sn-甘油基-3-磷酸胆碱（bis-SorbPC）制备了稳定的多孔脂质体，其表面可与主动靶向肿瘤的各种配体相偶联，成为靶向分子造影剂。这些结果均表明了脂质体作为钆的纳米载体的广泛研究前景。此外，脂质体还是一种常用的靶向载体，包括通过实体瘤的高通透性和滞留（EPR）效应等的被动靶向和通过连接某种特异性靶头的主动靶向[2]。这些结果均表明了脂质体作为钆的纳米载体的广泛研究前景。此外，脂质体还是一种常用的靶向载体，包括通过实体瘤的高通透性和滞留（EPR）效应等的被动靶向和通过连接某种特异性靶头的主动靶向[2]。

1.2 聚合物纳米粒聚合物纳米粒子是由蛋白质/肽、聚乳酸/聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLA/PLGA）、壳聚糖及聚苯乙烯等聚合物组成，用于治疗诊断以及成像的药物可以与之结合，或者是包裹在其内核中。然而，将钆造影剂包裹在纳米粒中不利于钆造影剂与水之间的相互作用，同时造影剂的脉冲重复间隔时间（TR）不能延长，从而无法增强R1/Gd（平均每个Gd的R1）。目前的研究主要集中在将钆造影剂结合在纳米粒的表面，以达到利于钆造影剂与水的相互作用且延长TR的目的。Porsio等[14]合成了2种带有炔丙基（PCL-yne）或氨基[P（CL-co-NH2VL]的疏水且可降解的聚合物大分子造影剂，可用于制备成可视的MRI纳米粒用于诊断。这些纳米粒可不依赖MRI序列尤其是临床相关梯度回波序列的使用而成像。这种可降解的治疗诊断试剂有望成为一种新的诊断工具。Rigaux等[15]将钆螯合物GdDO3AC12和生物相容性的材料PLGA结合，用于增加钆螯合物造影剂的弛豫率，并通过纳米沉降法得到PEG化的钆纳米粒，所得到的纳米粒粒径在155 nm左右，且能有效地负载钆螯合物。由于纳米粒的骨架能够限制钆螯合物的运动，从而影响钆螯合物的旋转时间，在40 MHz的条件下，GdDO3AC12纳米粒的弛豫率能达到钆特酸葡甲胺的6倍。此外，该纳米粒不存在钆螯合物的渗漏问题，因此GdDO3AC12能够用于长期监测。

1.3 树形分子树型分子即具有树枝状结构的有机分子。其粒径均一，表面有很多官能团，可以连接上大量的钆造影剂，这种载体既不影响钆造影剂与水的相互作用，又能延长钆造影剂的脉冲重复间隔时间（TR），非常适用于制备钆造影剂纳米制剂。Nwe等[16]研究表明，树型分子连接多个钆类螯合物组成的大分子MRI造影剂与单个螯合物相比，能更有效的与水质子作用，影响水质子弛豫率从而达到更好的效果。Luo等[17]设计并制备了一种新型基于钆的多功能肽的树突状探针，其具有高度可控的结构和单一分子量，并可作为肝脏MRI探针。实验结果表明，这种大分子的钆配体制剂与Gd-DTPA络合物相比表现出高达3倍的T1，而且没有明显的体外细胞毒性。

1.4 胶束胶束是两亲性共聚物在临界胶束浓度（CMC）以上时，在选择性溶剂中通过自组装过程，自发地形成的一种核壳结构。胶束的形态有很多种，最简单和常见的就是球形胶束。其优点有很多，如能够形成大小均一的结构，粒径较小（＜100 nm），制备方法简单，可以增大疏水性分子的溶解度，且在单一的结构下可具备多种功能。钆造影剂胶束可以分为两类，一类是将钆造影剂装载在胶束的亲水性外层，这样既不影响钆造影剂与水的相互作用，又能延长钆造影剂的TR；另一类钆造影剂胶束则是将钆造影剂包裹在胶束的内核中。近来Kim等[18]合成了一种具有pH响应功能的载钆聚合物胶束作为磁共振造影剂用于癌症诊断。该聚合物胶束在pH 7.4时，为40 nm球型粒子，在肿瘤酸性条件下（pH 6.5），则质子化成为带正电的水溶性聚合物；体内磁共振造影实验发现，该制剂在肿瘤部位T1成像对比度增强，且在几分钟内能检测到体内小到3 mm3的肿瘤。

1.5 碳纳米管碳纳米管是一种具有特殊结构的一维量子材料（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口），具有许多异常的力学、电学和化学性能。碳纳米管在生物应用方面具有较好的应用潜能，在药物、基因、蛋白载体方面都已经得到了广泛的研究。很多研究发现，碳纳米管能够携带药物分子进入到细胞，甚至进入到深层组织，因此有可能成为抗肿瘤药物的理想药物载体，并通过靶向分子的引导降低药物对正常组织的不良反应。同时，碳纳米管难以被肿瘤细胞大量地排出，因此降低了在肿瘤细胞中的抗药性，有望成为一种新型的肿瘤治疗材料。研究者对碳纳米管表面改性修饰，一般采用的方法是用浓酸氧化开口，并且把碳纳米管截短，使两端或者侧壁的缺陷位置带上羧基、羟基，然后再进行修饰。氧化处理后产生的羧基可以进一步共价修饰生物相容性的聚合物和其他生物分子。Hartman等[19]发现，用电弧放电法制备单层碳纳米管，通过氟化和热解法将其切割之后和GdCl3溶液一起浸泡并超声处理所得的钆纳米管不仅具有很高的R1/Gd，并且其R1可以随pH值的微小变化而发生较大改变，是目前已知的最灵敏的pH响应的钆造影剂系统，有望用于癌症的早期诊断。

1.6 二氧化硅纳米粒二氧化硅纳米粒子是一种无毒的和光学透明的材料，具有较大的比表面积和孔体积。它们可存储并逐渐在目标区域释放出治疗药物和诊断造影剂。二氧化硅粒子的表面可较容易地以不同的生物分子修饰，如蛋白质，抗体和肽等。介孔二氧化硅纳米微球（MSN）是在治疗诊断方法中较为有效的纳米颗粒。Taylor等[20]设计并表征了Gd-DTPA-MSN，MSN的表面上通过硅氧烷键结合了钆-硅-二乙三胺四乙酸（Gd-Si-DTTA）。体内实验显示，Gd-DTPA-MSN是一种用于血管内MRI的高效T1对比剂，当剂量增大时对软组织的MRI可以作为高效的T2造影剂。刘立志等[21]以非离子表面活性剂Humnic P123为模板，以四甲氧基硅烷为氧化硅纳米材料来源，将钆离子掺杂至四甲氧基硅烷硅内，成功制备出一种含钆的纳米材料。该纳米材料与MRI常规造影剂Gd-DTPA相比具有极佳的顺磁性敏感性。

2 钆类纳米制剂肿瘤靶向性研究进展

1960年Ehrlich提出了药物靶向的思想，其中心内容是将治疗药物选择性地分布到病变部位，使得病变部位药物浓度提高，增加药物的利用率，同时又降低了药物对正常组织的不良反应。为了使MRI造影剂能够准确到达肿瘤组织并表现出较高的弛豫效能，研究者根据肿瘤组织的病理生理特点，设计出了2种途径，即被动靶向和主动靶向。

2.1 被动靶向被动靶向是载药微粒进入人体后由于被巨噬细胞作为外界异物吞噬的自然倾向而产生的体内分布特征。这类靶向制剂是利用脂质、类脂质、蛋白质以及生物降解高分子物质作为载体，将药物包裹或嵌入其中而制成的微粒给药系统。钆纳米制剂的被动靶向是利用纳米粒子作为造影剂，积聚或被引导至病变部位，这种积累可以大幅提高MRI检查的灵敏度和治疗功效。被动靶向的影响因素主要为纳米颗粒的粒径、表面电荷以及疏水性等。例如，大粒子（150～300 nm）趋向于在肝和脾聚集，中等粒子（30～＜150 nm）会聚集在心脏、胃、肾脏以及骨髓，小粒子（＞10～＜30 nm）则会被肾脏排出体外[22]。此外，带正电荷以及疏水性的纳米粒子可以被血浆蛋白吸附，并聚集在血液中被网状内皮系统识别后排出体外，从而缩短其在体内的循环时间；而带负电荷以及亲水性的纳米粒能够在体内长时间循环，更有利于测定。此外，实体瘤对于特定尺寸的纳米粒可以表现出更好的通透性以及更强的EPR效应。

EPR效应对于钆纳米粒诊断和治疗肿瘤是有益的，因而，许多研究者将钆纳米粒的表面覆盖亲水性涂层用以增强肿瘤部位对于钆纳米粒的EPR效应。Mi等[23]制备了PEG包被的钆磷酸钙纳米粒作为强化的MRI造影剂，该纳米粒在血液循环中滞留时间明显延长，EPR效应则使纳米粒在肿瘤部位高度累积；相对于游离的Gd-DTPA，钆纳米制剂的弛豫增加了6倍，表现出在肿瘤部位较好的成像特性。

2.2 主动靶向肿瘤主动靶向途径主要是通过配体-受体结合反应实现造影剂定向到达肿瘤靶组织。肿瘤主动靶向的关键是选择合适的靶点，从而制备具有MRI信号增强功能的合适配体。虽然通过被动靶向机制可以实现纳米粒子在肿瘤部位蓄积增加，但是纳米粒所携载的造影剂浓度可能达不到MRI以及进行分子治疗所需的剂量。因此，提高纳米粒子对肿瘤的靶向能力是必要的。一旦纳米颗粒被输送到病变组织，特异性配体可以结合到细胞膜上的特异性抗原或受体，并介导细胞的内吞作用。

2.2.1 叶酸（FA）FA是一种能够结合叶酸受体（FR）和介导受体内吞作用的小分子化合物。FR可以在多种恶性肿瘤的组织中过表达，而在正常组织中则表现出低表达。因此，FA作为主动靶向应用的靶向部分已被广泛研究并应用于肿瘤靶向造影剂。Yuan等[24]制备了Gd-DTPA聚赖氨酸复合物，并与FA结合作为FR靶向的MRI造影剂，实验结果表明，FA修饰的该复合物可以显著提高其在FR-阳性肿瘤的成像强度。

2.2.2 多肽多肽配体对存在于细胞表面的受体具有高亲和性，可作为靶向部分。Li等[25]针对肿瘤的早期检测制备了精氨酰-甘氨酰-天门冬氨酸（RGD）靶向顺磁性脂质体。体外试验表明，对于目标细胞用RGD修饰过的脂质体相对于未修饰的脂质体有更好的结合亲和力，MRI信号更强。CREKA是肿瘤归巢五肽（半胱氨酰-精氨酰-谷氨酰-赖氨酰-丙氨酸），Zhou等[26]研制并评估了CREKA肽靶向复用的Gd磁共振探针CREKA-Tris-（Gd-DOTA）3对乳腺肿瘤的MRI检查，实验发现成像后其很容易从体内排出从而降低毒性，因此，这种靶向性磁共振造影剂在特定癌症分子成像方面有较大潜力。

2.2.3 单克隆抗体单克隆抗体具有特异性强、纯度高、均一性好等优点，可作为检验医学的诊断试剂。将放射性标记物与单克隆抗体连接，利用单克隆抗体的导向作用，注入患者体内可进行放射免疫显像，协助对于肿瘤的诊断。通常，单克隆抗体可与人内皮细胞生长因子受体（EGFR/HER1）、人表皮生长因子受体2（Her2/neu，ErbB-2，CD34）、血管内皮生长因子受体（VEGFRs）和转铁蛋白受体（TFR，CD71）[27]结合，从而实现配体-受体靶向识别功能。Korkusuz等[28]将Gd-DTPA包裹入人血清蛋白纳米粒（Gd-HSA-NPs）中，并进一步用转铁蛋白（TF）修饰该纳米粒。体内研究结果表明，修饰后的钆纳米粒在血液、心肌、肝及脑等组织中的信号明显增强，其中脑部增加最明显，体现了良好的脑靶向性。

2.2.4 透明质酸（HA）HA是由双糖单位D-葡萄糖醛酸及N-乙酰葡糖胺组成的高级多糖类。HA可以由一个特定的膜受体CD44识别，这种受体在乳腺、结肠、肠、脑等多种肿瘤部位会过度表达[29]。Buffa等[30]合成了一系列不同取代度和交联度的喷替酸葡甲胺-透明质酸（DTPA-HA）衍生物用于合成机理的研究。研究中发现，HA的分子量、DTPA双酸酐当量及温度对交联度有显著的影响，而DTPA双酸酐当量则显著影响取代度。

3 小结

钆类造影剂作为临床最常用的磁共振造影剂，吸引了很多的研究人员对其进行更深入的研究与改进，钆类纳米造影剂的研制与开发为MRI技术和临床诊断提供了更强有力的支撑，其在生物医药以及临床上也有更广阔的应用前景。研制出生物相容性好，具有靶向性，低剂量，低毒性以及低成本的磁共振造影剂是研究者不断追求的目标。

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10.3969/j.issn.1009-5519.2015.02.016

A

1009-5519（2015）02-0203-04

2014-09-04）

浙江省教育厅科研计划项目（Y201223953）；浙江省医药卫生科技计划（2012KYA064）。

郎丹（1988-），女，黑龙江哈尔滨人，硕士研究生，主要从事磁性纳米制剂的研究；E-mail：273062659@qq.com。

应晓英（E-mail：yingxiaoying@zju.edu.cn）。