磁粒子成像的临床前应用研究进展

张德景 李勇 占美晓 忻勇杰 赵炜 陆骊工

MPI是近年来问世的一种全新的活体生物成像技术，其成像不同于CT、MRI、超声等传统解剖成像方式[1]，而是类似于核医学对示踪剂的检查，具有高灵敏度，无背景干扰，同时不受扫描组织深度影响及无电离辐射等优点，因而能对示踪剂分布显示出高的对比度。目前MPI使用的示踪剂通常为SPIO，不同的SPIO性质对MPI图像的影响较大，也因此催生了优化其示踪剂的研究方向。从诞生至今，MPI已在不同的医学临床前领域得到了广泛应用，显示出了良好的应用前景。其应用主要集中在细胞示踪、血管成像和肿瘤成像及治疗等临床前研究。虽然目前MPI应用尚停留在动物及体外模型层面而没有实现临床应用，但近年来MPI临床转化的研究也已经取得了重要进展，受到了广泛的关注。本文以此为契机，对近年来MPI在生物医学的应用研究进展进行综述，旨在阐明该技术的新颖性与研究价值，并展望其在临床的应用转化前景。

一、MPI的历史

从概念提出至今，MPI历经20余年发展。2001年，德国汉堡飞利浦实验室科学家Gleich首次提出MPI，并由他与同事Weizenecker等人于2005年成功开发出首台MPI扫描仪并实现体外验证[2]；2007年，Conolly与 Goodwill 在斯坦福大学和加州大学伯克利分校开发了一系列具有替代作用的MPI原型扫描仪；2013年，Bruker Biospin公司发布了世界上第一台商业化的临床前MPI扫描仪，一年后，第二家将MPI扫描仪商业化的公司Magnetic Insight Inc成立，并于2016年在纽约举行的世界分子成像大会上推出其商用型临床前MPI扫描仪[3]。

二、MPI的基本原理及其示踪剂

MPI是基于朗之万顺磁定律中非线性磁化曲线的成像原理，即SPIO纳米粒子可以被外部磁场磁化，并且在接近零磁场的情况下表现出非线性响应[4]。SPIO在到达超顺磁饱和之前与外加磁场保持磁对齐，当加入静态梯度磁场时（即选择场），不同位置的磁粒子产生相应信号。选择场在每一空间位置都有相对应的场向量，在中心位置的场向量为零，该点称为无场点（ fi eld-freepoint，FFP），磁场强度为零。当FFP扫描SPIO并给予射频脉冲信号时，距FFP较远的粒子达到磁饱和，不会对总磁场的变化产生反应，接收线圈不会检测到信号，但FFP附近区域内的粒子未达到磁饱和，磁性粒子磁化在大小和方向会发生变化，接收线圈可以检测到相应的信号电压，与此同时，瞬时检测器检测到的电压信号可以通过FFR轨迹信息直接网格化到三维图像空间，从而实现磁粒子图像的直接重建[5]。

MPI所使用的示踪剂通常为超顺磁性氧化铁（SPIO），不同类型的SPIO纳米粒子的性质影响着MPI的成像效果，因此开发出良好成像效果且具有安全性的示踪剂对MPI的应用起到重要作用。在MPI研发的早期阶段，通常使用临床上常用的SPIO来成像，例如在欧洲及日本，MRI临床肝造影采用肝脏造影剂铁羧葡胺（Resovist），或者使用经FDA批准用于治疗成人慢性肾脏疾病（CKD）患者缺铁性贫血的铁替代药物Ferumoxytol[6]。然而，这些MRI造影剂SPIO的直径通常较小（＜10 nm）而成像效果不佳，这是因为MPI灵敏度与SPIO的磁矩相关，磁矩则取决于粒子直径大小[7-8]。此外，MPI的空间分辨率与梯度场强强度及SPIONs自身磁化曲线有关，理论上SPIO直径越大，磁化曲线越陡峭，SPIO的信号越局限，空间分辨率越高，但由于SPIO尺寸过大将会丧失超顺磁特性，所以只有合适大小纳米粒子才能保证最佳的MPI信号[9]。Ferguson等[8]通过实验发现SPIO的粒子直径在20～25 nm时具有最佳的分辨率/信噪比成像，并且一般直径小于100 nm的SPIO都可以用于MPI成像。正因为此，很多研究机构已经在对MPI示踪剂进行研发，试图改进示踪剂MPI的成像效果及其安全性，部分已经取得了重要进展，如Magnetic Insight Inc公司研发的VivoTrax产品已经实现临床前商业应用，相信未来会有更多成像效果良好且具有安全性的示踪剂问世[10]。

三、MPI的临床前应用

MPI因其具有成像灵敏度高、高时间分辨率、无背景干扰、无放射性辐射等优点，而在临床前领域已经得到了广泛的应用。其应用主要集中在细胞示踪、心血管、肿瘤等领域上。以下将主要介绍近年来在这些主要的临床前应用领域所取得的研究进展。

（一）MPI在细胞示踪的应用

细胞示踪技术对于医学具有重要的应用，目前常用的细胞示踪成像方法各有优缺点，如光学成像、MRI、PET及SPECT，但对于细胞示踪的总体效果并不太理想，表1列出了MPI与传统成像设备在细胞成像领域的特点。从中可以看出，MPI相较于其他示踪技术具有灵敏度高、扫描时间短、无组织深度限制以及无放射性及电离辐射等特点，因此在细胞示踪上具有一定的优势，近年来其在许多临床前细胞示踪方面也取得了重要进展。例如，干细胞因具有较强的组织再生能力受到了广泛的研究与应用[11-12]，但干细胞治疗成功与否取决于干细胞能否在特定区域分化成为相应具有功能的组织或者器官，因此采用一种有效、无放射性辐射以及具有长时间监测干细胞分布的成像手段就显得十分重要，而MPI在这方面就具有良好的应用特点，有研究者使用MPI进行了有效跟踪和量化静脉注射的大鼠干细胞、大鼠神经干细胞和小鼠神经干细胞在体内的生物分布和生存情况[13]。另外，由于通过静脉注射的人间充质干细胞，有很大一部分分布在靶外器官，如肝脏和肺，在肺部时，传统MRI成像由于空气-组织界面造成的伪影而很难有效成像，而MPI则可以解决这种技术困难，可以有效监测干细胞在肺部的分布情况[13]。

除以上外，MPI在胰岛细胞、免疫细胞在炎症及肿瘤微环境等的细胞示踪也有一定的应用价值，例如，Wang等[14]使用MPI监测在小鼠肝和肾包膜下移植的胰岛细胞，发现MPI的信号强度与移植的胰岛数量高度线性相关的结果。与此同时，也可以利用MPI来判断移植到小鼠肝脏或肾包膜下的胰岛细胞随着时间推移的存留及胰岛细胞释放的铁纳米颗粒的分布情况。另外，利用MPI信号的谐波光谱（MPS）可以区分SPIO在活性细胞内或是细胞死亡后释放到细胞外，并以此评估细胞活性情况[15]。此外，MPI还可以对免疫细胞进行示踪，从而实现无创可视化免疫细胞的归巢、植入和炎症等，还可以用于创伤性脑损伤（traumatic brain injury，TBI）成像评估创伤程度[16]，另外还有希望用于在体肿瘤免疫微环境的评估，较之MRI，MPI具有更高的灵敏度来量化肿瘤内巨噬细胞的水平[17]。从以上MPI对各种细胞的示踪监测来看，MPI能够在不损伤细胞活性的情况下对相应细胞进行有效示踪，增强细胞示踪的有效性。

（二）MPI在血管疾病成像的应用

目前基于X射线设备、MRI等是心血管疾病诊断及治疗监测的主要手段，虽然X射线的设备能提供良好的时间和空间分辨率，但是其较高的电离辐射以及碘基造影剂潜在的过敏及肾毒性等毒副作用降低了其安全性，MRI具有较高的组织分辨率，但对于含气器官检测具有一定的缺陷以及扫描时间长等原因，造成其在心血管领域应用的困境，而MPI具有高灵敏度及扫描时间短的特点，在一定程度上可以弥补传统成像设备在心血管疾病领域上的不足。在血管疾病诊断上，MPI可以用于对血管的狭窄程度的研究，例如：有研究证明在体外10 mm的血管模型上，MPI可以对狭窄程度在19～99%的血管进行显示并能显示出其狭窄程度[19]；还可以通过MPI来观察血流速度变化来显示相关疾病的情况，有研究者通过比较MPI、MRI及DSA对血管瘤模型的成像，发现MPI对血管瘤的成像效果与MRI及DSA的成像效果相似[20]；此外，余等[21]在APC+小肠肿瘤模型中通过尾静脉注射具有长循环时间的示踪剂，发现使用MPI可以通过SPIO的局部聚集来精确显示胃肠道出血的位置和程度。在血管介入成像上，Haegele J等[22]利用血管模型，用SPIO标记导管或将SPIO丸注入血管中均可以实现球囊导管的可视化；最近有研究者实现了实时仿真经皮腔内血管成形术[23]；另外，利用MPI扫描仪的磁场对磁性介入材料施加磁力来引导介入导管的方向[24]。从以上可以看出MPI无论是对于血管性疾病的诊断或是心血管疾病的介入治疗中都能发挥一定的作用，并且在一定程度上弥补传统成像设备的不足。

（三）MPI在肿瘤成像的应用

在肿瘤成像中，MPI可以利用成像示踪剂检测肿瘤的发生、评估肿瘤发展及内部微环境等情况，达到辅助肿瘤诊断及治疗的作用。其原理是利用实体瘤内微环境改变所特有的高通透性和滞留效应（enhanced permeability and retention effect，EPR Effect）实现纳米粒子在肿瘤区域内聚集或者使用具有肿瘤主动靶向作用的纳米粒子在肿瘤部位的聚集从而实现肿瘤的检测[25-26]。例如，Elaine Y等[27]使用商用示踪剂LS-008对荷瘤小鼠静脉注射，发现在注射6 h后可以清晰观察到示踪剂在肿瘤部位聚集，而且几乎没有背景干扰。而Arami等[28]利用具有靶向性的乳铁蛋白功能化的SPIO则实现了MPI对神经胶质瘤动物移植模型上的成像，相比较于MRI成像，使用MPI成像可以得到更为明显的高灵敏度/对比度的阳性信号图像。在肿瘤发展过程中，肿瘤的转移直接关系到患者预后水平，淋巴结作为肿瘤转移的一种常见方式，及时发现转移的淋巴结将有利于制定合理的肿瘤治疗方案，已经有研究者在小鼠乳腺癌动物模型上利用MPI实现了对乳腺癌前哨淋巴结转移灶与正常淋巴结的辨别[29]；此外，还可以通过MPI示踪剂标记红细胞评估肿瘤微血管程度和血液供应情况来帮助肿瘤分期和治疗评估[30]。由此看出，MPI作为一种新兴的无创、高灵敏度成像方式，在对肿瘤的发现及评估肿瘤发展及微环境上能够发挥一定的作用。

表1 不同成像方式在细胞示踪上的比较[13-18]

（四）MPI在肿瘤治疗的应用

磁高热（magnetic hyperthermia，MHT）治疗是利用磁性纳米颗粒和交变磁场（AMF）在纳米颗粒聚集处产生热量达到肿瘤治疗的作用[31]，但是这项技术本身具有挑战性，因为纳米颗粒在肿瘤区域聚集的同时，也会在肝脏、脾脏和其他靶外器官积累，如果无选择性施加AMF，将提高靶外区域的温度，引起机体不良反应[32]，目前，所采用的传统磁热治疗方法通常使用全身线圈或局部线圈，使用全身线圈时会对肝脏和正常组织造成损伤，而局部线圈则存在对深层肿瘤不起作用的缺点。MPI磁热治疗（MPI-magnetic fl uid hyperthermia，MPIMFH）可以使SPIO在无场区（FFR）中发生旋转而产生热量，还可以控制FFR位置，通过图像引导对肿瘤进行局部精准磁热治疗，同时又避免了正常组织的损伤[33]。Tay等通过对同一只小鼠不同部位的肿瘤进行磁热治疗，结果显示在不移动小鼠的情况下，仅通过调整MPI的FFR就能实现在小鼠上的不同肿瘤进行任意控制加热点，而对其余肿瘤及器官不产生升温治疗作用[34]。同时，因为MPI的信号强度与肿瘤组织温度升高有显著相关性，通过MPI监测可以实现纳米颗粒温度的精确控制，达到最佳治疗效果[35]。Murase等[36]的研究结果表明，MPI对预测磁热疗的疗效也有一定的指导作用。在肿瘤治疗期间，利用SPIO静脉注射后MPI成像可以监测肿瘤内血流变化情况，有助于肿瘤治疗的疗效评估。Kuboyabu等[37]发现，MPI结合血管阻断剂可用于定量评估肿瘤早期对磁加热治疗的反应。相比较于传统的肿瘤磁热治疗设备，MPI可以利用自身的成像特性，先对肿瘤进行精确定位再对肿瘤部位进行区域加热，在治疗肿瘤的同时不引起其他组织温度的升高，有效避免了传统磁热治疗的不良反应，同时还能监测治疗后的反应情况，相信随着MPI硬件设备的改进，MPI将进一步在肿瘤治疗中发挥作用。

除以上的应用外，MPI还在肺通气、肺血管栓塞等疾病检测上实现了临床前应用[38]。综上可知MPI在许多疾病上已经实现了临床前应用，并且相比较于传统成像设备，其在某些方面展现出了一定的应用优势。目前，MPI成像设备及应用尚处于初级阶段，相信随着MPI设备的改进及相关领域的进步，其应用价值有望得到进一步的提高。但是目前MPI的应用均局限在动物或体外模型上，与人体应用还有着本质的差异，因此MPI的临床转化之路依然困难重重。

四、MPI的临床转化

临床应用是MPI的最终目的，并且在理论上是可以实现的[39]，虽然目前尚没有实现MPI在人体上的临床应用，但是已经有许多的研究人员正在开发这方面的设备，例如，Wald等人正在开发一种人类应用的MPI扫描仪[40]，Magnetic Insight Inc公司也发起了构建临床使用MPI的倡议。最近，M. Graeser等[41]利用开发出的人体头颅大小的MPI设备，在脑卒中和脑出血的体外模型中成功实现了对相应脑血管疾病的发现及治疗监测。人用型MPI的出现使MPI的临床转化向前迈进了一步，也预示着在不久的将来将会有更多适用于更多部位的人用型MPI出现，虽然MPI的临床转化还有很长的路要走，但鉴于其良好的临床前景及设备的快速改进，相信临床应用型MPI设备也将会很快出现。

五、总结与未来展望

MPI的出现为医学生物成像及其他相关研究开启了一种新的方式，与传统成像设备相比，MPI出现较晚，其应用也尚处于初级阶段，但得益于其在临床前领域的良好应用，已经展现出了重要的生物医学应用潜力，相信随着MPI的进一步改进及其应用领域的挖掘，未来其应用价值将会得到进一步提高并且有望进入临床应用[21]。目前，MPI正朝着临床转化的方向快速发展并取得了一定的进展，虽然要实现临床应用还有很多困难需要克服，如开发出人体合适规格的MPI设备，改进MPI功能，联合其他成像设备以及设计安全高效的示踪剂等，但相信不久的未来MPI将会最终实现临床转化并带动医疗技术的进步。