智能响应性19F磁共振纳米分子成像探针诊断肿瘤研究进展

刘 爽，孙夕林，王 凯，吴丽娜*

(1.哈尔滨医科大学附属第四医院TOF-PET/CT/MR中心，黑龙江 哈尔滨 150028；2.哈尔滨医科大学分子影像研究中心，黑龙江 哈尔滨 150028)

智能响应探针能在病变部位实现响应性应答，达到精准诊断和治疗，提高活体应用安全性，在肿瘤多模态成像、诊断和治疗(光动力/光热、化疗)等[1-3]方面具有潜在临床转化前景。近年来，随着多核氟、钠、磷等探针和成像技术的发展以及MR设备和序列的优化，多核MR迅速崛起，19F-MRI在分子影像与临床研究中的应用更是引起广泛关注。智能响应性MRI探针具有刺激响应能力，病变微环境可作为其突释的智能响应条件，使纳米分子成像探针累计释放率激增，提高在体成像效率和药物利用度，改善病变位点与正常组织的示踪信噪比。

1 19F-MRI

MRI具有高灵敏度、空间分辨率和软组织分辨率等优势，临床应用前景广阔[4]。近年来，随着多核MR的崛起，对于心血管、肿瘤等多种疾病，已从传统影像学形态学诊断模式转向早期分子影像精准诊治模式。19F是1H后最适于MRI的原子核，自然丰度100%[5]，无放射性，旋磁比和灵敏度分别为1H的94%和83%。人体内含氟量很少，使19F-MRI用于活体研究几乎不受本底信号干扰[6]，免于灵敏度低、背景信号复杂等给1H-MRI造成的困境，在药物递送[7]、原位氧分压测定[8]以及肿瘤靶向[9]等方面显示出巨大优势。开发多模态、多重刺激智能响应性19F-MRI纳米分子成像探针，对促进分子影像和诊疗一体化的发展具有重要作用。

2 智能响应性19F-MR纳米分子成像探针诊断肿瘤

智能响应性探针可在外界环境作用下针对肿瘤细胞或正常细胞内外环境之间的生物学差异及肿瘤特征[10]而特异性地靶向目的细胞。外界刺激包括生物分子(酶、谷胱甘肽和抗体)、化学物质(pH值、氧气)和外部条件(光、热、磁性)[11-12]等。采用各种智能响应性19F-MR纳米分子成像探针观察药物在组织内的分布代谢和肿瘤可视化成像正逐步成为功能性纳米医药材料的发展趋势之一。基于19F-MRI，智能响应性纳米探针可为精确诊断和治疗肿瘤提供技术平台。

2.1 pH响应性19F-MR纳米分子成像探针 基于肿瘤细胞快速生长导致糖酵解增强和乳酸过度积累，肿瘤细胞外pH值(6.5～7.2)略低于正常组织和血液pH值(7.4左右)[13]，现已开发pH响应性肿瘤探针。

酸性pH值是肿瘤微环境的重要特征。GUO等[14]设计的响应性探针FNPs-PEG由金属有机框架(metal organic framework, MOF)和4-三氟甲基咪唑组成，将氟原子引入纳米颗粒内部，以增强肿瘤成像效果。根据MOF的pH响应特性，在pH值>7.4的溶液中探针的氟原子流动性差，T2较短，无19F信号；随着pH值降低，探针分解，氟原子流动性增强，T2逐渐延长，19F信号增强，表现出明显pH值依赖的19F信号变化特性。体外和活体肿瘤19F-MRI结果表明，基于MOF的纳米探针用于19F-MRI具有高度潜力。

肿瘤细胞与循环血液内的pH值差异也可作为开关调节19F-MRI信号。CHEN等[15]报道一种pH响应19F纳米探针，以介孔二氧化硅纳米颗粒包裹19F对比剂，19F信号在pH值为中性的细胞内被关闭，而在酸性(pH值<6.0)细胞内对比剂被释放，19F信号“打开”。该探针作为肿瘤高灵敏度MRI和荧光多模态生物传感器拥有巨大潜力。

HUANG等[16]开发的探针对特定pH值转变存在双(开/关)响应。每个pH值转换均有特定19F编码，通过激活条形码即可读出pH值。pH>pKa时，疏水段自组装成胶束，运动受限导致19F信号被抑制；而pH

2.2 酶响应性19F-MR纳米分子成像探针 特异性酶(如蛋白酶或糖苷酶)表达变化是病理状态的另一特征。高灵敏度组织酶活性成像可为研究哺乳动物生物学功能提供有用信息。

MRI可用于可视化体内酶活性。GUO等[17]合成了一种可检测磷脂酶A2(phospholipase A2, PLA2)活性的壳核结构纳米探针，由磷脂包裹全氟15-冠-5-乙醚(perfluoro-15-crown-5-ether, PFCE)疏水核心和掺钆(Gd3+)的NaYF4:Yb3+/Er3+上转换发光纳米颗粒组成。高自旋顺磁金属离子(Gd3+)在顺磁弛豫增强(paramagnetic relaxation enhancement, PRE)效应下缩短19F横向弛豫时间(T2)，抑制PFCE的19F信号，在PLA2作用下水解释放Gd3+而“打开”信号。该探针由此通过19F-MR检测肿瘤PLA2活性(图1)。

图1 荷瘤鼠1H，19F-MRI及融合图像[17]

Caspase-1、-3和-7是细胞凋亡标志物，MRI检测活体caspase-1、-3/7活性可为肿瘤靶向和治疗提供重要信息。AKAZAWA等[18-19]制备了具有酶响应性调节19F-MR信号的探针，以二氧化硅为外壳包裹PFCE核心，重复酶底物肽DEVD序列在caspase-1、caspase-3/7作用下水解释放Gd3+，基于PRE效应增强探针的“开”效应，通过19F-MRI检测小鼠体内caspase-1、caspase-3/7活性，高灵敏度检测IL-6介导的免疫应答。19F-MRI也可通过注射高剂量探针来提高灵敏性，因此需要聚集低剂量19F探针，同时延长其T2。DING等[20]设计出一种双模态探针，在胞内谷胱甘肽(glutathione，GSH)和弗林蛋白酶作用下发生点击缩合反应而聚集，启动19F-MRI并增强T21H-MR信号，检测弗林蛋白酶活性；在14.1 T场强下对斑马鱼肿瘤的成像结果表明，该探针有望用于早期肿瘤精准1H和19F双模态MRI。

酶响应性探针对检测基因表达和酶活性具有重要意义。编码ß-半乳糖苷酶(β-galactosidase，ß-gal)的lac Z基因可作为报告基因用于评估或定量基因表达[21]。YU等[22]开发了β-gal活化探针，瘤内注射后，ß-gal诱导探针裂解，可采用19F化学位移成像技术和NMR检测体内ß-gal活性。

2.3 还原响应性19F-MR纳米分子成像探针 另一种还原响应性19F-MR探针也可用于检测肿瘤细胞。乏氧和还原性生物分子(如还原酶和GSH)的过量产生可改变肿瘤微环境的氧化还原电位[23]，可将GSH水平的显著差异用作氧化还原响应性MR的触发点。

天冬酰胺内切酶(legumain, Lgmn)可作为诊断肿瘤的重要指标。 YUAN等[24]合成了一种检测GSH和Lgmn酶活性的探针，其内的双硫键被细胞内GSH还原而发生点击缩合反应，通过分子间相互作用而自组装，导致19F信号“关闭”；在Lgmn酶作用下，探针解开成为游离单体，19F信号“打开”，由此实现14.1 T高场强下的斑马鱼肿瘤成像，并有望成为新的肿瘤靶向试剂而用于临床。FU等[25]设计了一种新型支链氟化糖聚合物作为19F-MR对比剂，可对还原微环境产生反应，用于肿瘤靶向成像；交联单体中的二硫键使聚合物在二硫苏糖醇下发生裂解，从支链向线性结构转变，导致19F-MR信号增强。这些含氟共聚物对还原微环境高度敏感，对肿瘤细胞亲和力高，有望成为肿瘤靶向成像的候选分子。

HUANG等[26]制备的细胞内还原微环境诱导的氨基活化19F-MR纳米探针可用于体内无创生物硫醇成像，氟化片段被紧密包裹在纳米探针的疏水核心中，流动受限使19F信号沉默；遇到巯基时探针水解，19F信号打开。该探针能对内源性硫醇成像，且不受内源性背景信号的干扰。

2.4 乏氧响应性19F-MR纳米分子成像探针 乏氧可由实体肿瘤和其他病理状态引起，与肿瘤细胞增殖相关[27]；检测细胞乏氧是制定治疗计划的关键。现已开发出基于Cu2+的19F-MR探针用于检测乏氧。Cu2+能被生物还原剂还原，可作为19F信号的开关。不同氧化状态下的Cu磁性不同， Cu2+为顺磁性，Cu+则为抗磁性。Cu2+氧化状态下，顺磁中心通过PRE效应抑制氟信号。改变配体环境后，Cu2+被还原为Cu+，同时19F T1和T2延长和19F信号再现[28]。

DU等[29]合成了一种乏氧响应的19F-MR探针，氟原子接近顺磁Cu2+时，19F信号被关闭；Cu2+被乏氧细胞摄取后还原为抗磁Cu+，启动19F-MR信号，使19F-MRI可在还原微环境中区分乏氧细胞与常氧细胞。ENRIQUEZ等[28]应用乏氧响应性探针监测半胱氨酸活性：半胱氨酸还原Cu2+配合物后，氟化大环铜配合物即启动19F-MRI。也有19F-MRI和荧光成像探针[30]被开发作为生物传感器调节19F和荧光信号：含Cu2+探针显示无19F-MRI信号与荧光信号减弱；Cu2+被还原后信号开启，可在乏氧细胞中观察到19F信号，铜离子和配体解离后，其中的19F和荧光信号增加。这种含氟荧光衍生物可为检测乏氧细胞环境提供成像信息，并区分乏氧肿瘤细胞和常氧肿瘤细胞。

2.5 光/热响应性19F-MR纳米分子成像探针 TANG等[31]合成一种水溶性智能多重响应性自组装19F纳米探针，含吲哚菁绿和19F，可对氧化还原和近红外光产生响应，激活还原性肿瘤微环境中的19F信号，有效提高19F-NMR/MRI成像灵敏度；还可通过光热效应使肿瘤表明温度迅速增加，从而实现精确成像和治疗肿瘤。KOLOUCHOVA等[32]开发了一种具有生物相容性、温度响应性的新型聚合物纳米探针，具有热响应特性，可控制其在加热水溶液中经自组装形成不同大小的共聚物，由此适用于肿瘤和炎症成像；体外实验显示探针具有良好的成像敏感性，对多种细胞系无毒性作用。鉴于肿瘤组织温度(42℃)高于正常组织温度(37℃)，IIMA等[33]合成一种可对温差变化做出响应的19F-MRI探针，通过模拟温度变化进行成像，随温度升高(37～42℃)，从固态到液态相变引起的分子运动可致19F-MRI信号和T2值变化，有利于19F-MRI诊断肿瘤。

3 小结与展望

针对生理和疾病特异性分子调节信号开发各种智能响应性MR纳米分子19F成像探针作为智能成像工具，对检测肿瘤和研发新药具有重要意义。从成像角度来看，实现刺激响应性探针的临床转化需要提高MRI灵敏度，为此目前的策略是以较长扫描时间来获得良好信噪比。未来通过改进材料设计，如加入金属离子合成新型MR纳米分子成像探针等来提高灵敏度将成为重要研究方向。