19F-MR分子成像在靶向药物递送中的应用

杨洁，李迎波，吴丽娜，王凯，杨丽丽，孙夕林*

精准医疗是以个性化医疗为基础的新型医学概念与医疗模式，其能够在分子水平上实现疾病的精准诊断与靶向治疗[1]。在精准医疗模式下，精准诊断对疾病的靶向治疗具有重要意义。相比于其他影像学检查，19F磁共振(19F magnetic resonance ，19F-MR)分子成像因其缺乏内源性背景信号以及19F原子100%的天然丰度、较高的磁旋比和灵敏度等优势可广泛应用于细胞追踪、炎症成像以及药物递送等领域[2]。而目前已知的可用于19F-MR分子成像的纳米分子成像探针根据其化学结构可分为氟化小分子和氟化聚合物两大类[3]。其中，19F-MR分子成像研究中应用最为广泛的是基于氟化小分子类的纳米分子成像探针，尤其是全氟化碳(perfluorocarbons，PFC)，因为其具有较高的热、化学和氧化稳定性以及较强疏水性和疏脂性等特征，PFC是一类生物惰性极强的纳米材料。并且其安全无毒，携氧能力高，可作为血液替代品广泛应用于临床。而PFC能够递送药物的前提是包裹其表面的脂质层能够进行多种功能化修饰，包括修饰靶向的配体、多模态分子成像的信号组件以及多种的治疗药物，从而可以作为优越的诊疗一体化递送载体平台[4]。

此外，药物递送效率是决定疾病治疗效果的关键因素[5]。1906年，Enrilich首次提出了靶向药物递送以提高肿瘤内药物浓度及减少毒副作用的概念[6]。因此，开发高效的靶向纳米药物递送系统显得尤为重要。靶向药物递送系统用于疾病治疗的关键须具备合适的粒径、高载药量、精准靶向和良好的生物相容性等特性[7]。基于以上原则，利用19F-MR分子成像可明显提高靶组织内的药物浓度，定量监测药物在生物体内的定位和代谢[8]，从而实现对疾病的精准靶向治疗。本文对多种可用于19F-MR分子成像的纳米分子成像探针在靶向药物递送和智能化药物控释体系中的应用研究进展进行综述，讨论它们在该领域开展应用情况以及各自优缺点，以期为新型可用于19F-MR分子成像的多功能纳米材料的设计、制备、研发及应用提供理论依据和数据支撑。

1 基于19F-MR分子成像的纳米分子成像探针构建

为了克服PFC水溶性差的问题，最普遍的方法是制备成水包油型纳米乳剂。通常以PFC为核心的纳米颗粒被脂质层包裹，且脂质层可进行多种功能化修饰，包括修饰靶向的配体、多模态分子成像的信号组件和多种的治疗药物(图1)。此外，氟化聚合物实现药物递送的关键是在结构域上结合和递送药物[9]。因此，通过上述方法可开发出一种优越的诊疗一体化递送系统。而基于19F-MR纳米分子成像探针的靶向药物递送主要依赖于3个关键机制：特异性与细胞结合；靶细胞摄取纳米颗粒；以活性形式实现药物突释[10]。目前已经研发出多种基于19F-MR纳米分子成像探针刺激响应性的药物控释体系，从而实现高效的靶向药物递送。

2 基于19F-MR靶向纳米分子成像探针的药物递送

基于19F-MR分子成像的靶向纳米分子成像探针的研发始于1980年代后期[11-12]。一项小鼠19F-MR分子成像研究显示[13]，非靶向纳米分子成像探针不具有理想的生物学分布，其脾脏和肝脏对纳米分子成像探针的摄取量比肿瘤高1～2个数量级，因此迫切需要开发靶向的19F-MR纳米分子成像探针。通过19F-MR分子成像可以对病变部位的药物进行监测和定量分析(图2)。近年来，以表皮生长因子受体(epithelial growth factor receptor，EGFR)、血管细胞粘附分子-1(vascular cell adhesion molecule，VCAM-1)、整合素αvβ3及叶酸等为靶点的19F-MR纳米分子成像探针在心血管疾病及癌症的诊疗一体化等领域得到了广泛的应用。

2.1 肿瘤靶向治疗

Soman等[15]将蜂毒肽掺入全氟化碳均匀分散在脂质层中。全氟化碳纳米分子成像探针良好的药代动力学使蜂毒肽能够在小鼠肿瘤中蓄积，并且与单独的蜂毒肽相比，能明显抑制肿瘤的生长，并且没有任何的毒性。西妥昔单抗是一种靶向EGFR的单克隆抗体，可在纳米分子成像探针的表面上进行修饰，其在体内外与过表达EGFR的间变性甲状腺C643细胞具有较高的结合力。Wang等[16]合成了靶向EGFR的负载西妥昔单抗和10-羟基喜树碱的聚合物相变纳米分子成像探针(C225-conjugated 10-HCPT-loaded phase-transformation PLGA nanoparticles，C-HPNs)，其中载有药物西妥昔单抗和10-羟基喜树碱(10-Hydroxylcamptothecine，10-HCPT)用于肿瘤的靶向治疗。VCAM-1是参与肿瘤演进的重要因子，在多种类型的肿瘤组织和细胞中均有表达。Pan等[17]构建了靶向VCAM-1的全氟化碳纳米分子成像探针，用于乳腺癌(STAT-1缺陷型)的靶向治疗。该研究结果表明，与非靶向全氟化碳纳米分子成像探针相比，肿瘤脉管系统中靶向纳米分子成像探针的数量增加了4.9倍，这表明全氟化碳纳米分子成像探针可以作为某些抗癌药物优异的靶向递送系统。Pan等[18]将c-Myc抑制剂前药结合到靶向整合素αvβ3的全氟化碳纳米分子成像探针中，并报道该纳米分子成像探针在预防黑色素瘤方面显示出良好的功效。此外，另一项实验结果表明，载有c-Myc抑制剂前药的靶向整合素αvβ3的全氟化碳纳米分子成像探针延长了多发性骨髓瘤小鼠模型的生存时间。2016年，Vuquang等[19]设计了在PLGA壳中包裹有阿霉素的多功能叶酸受体靶向的全氟化碳纳米分子成像探针，结果显示出该探针具有良好的体外抗癌效果。

2.2 动脉粥样硬化斑块靶向治疗

动脉粥样硬化斑块由于炎症和免疫反应从早期的动脉粥样硬化病变发展为易损斑块，包括巨噬细胞浸润、脂质坏死核心增大、新生血管扩张和斑块内出血[20-21]。靶向整合素αvβ3的全氟化碳纳米分子成像探针可被用作抗血管生成肿瘤疗法与动脉粥样硬化疗法的递送载体。因此，Winter等[22]制备了靶向整合素αvβ3的全氟化碳纳米分子成像探针，用于无创检测动脉粥样硬化早期的血管生成，靶向递送抗血管生成药物烟曲霉素以及定量研究其生物分布，并能够以最小的药物剂量显著抑制血管的生成。在随后的一项研究中[23]，研究人员设计了一种载有阿托伐他汀和烟曲霉素的靶向整合素αvβ3的全氟化碳纳米分子成像探针，在家兔动脉粥样硬化模型中具有显著且持久的抗血管生成作用。此外，Pan等[17]合成了一种以VCAM-1为靶点的全氟化碳载药纳米分子成像探针，用于治疗动脉粥样硬化(ApoE缺陷)小鼠模型，为动脉粥样硬化诊疗提供一种新思路。

2.3 靶向溶栓治疗

溶栓对静脉血栓栓塞性疾病、心肌梗死和缺血性脑卒中的急性期治疗具有重要意义，但是容易引起出血及过敏等不良反应。Marsh等[24]指出靶向纤维蛋白的全氟化碳纳米分子成像探针经表面修饰后引入链激酶，可使机体纤溶系统快速启动进而溶解血栓。此外，靶向血栓纤维蛋白的纳米分子成像探针在高频超声下成像，能够进行纤维蛋白的体积评估。关键是其负载链激酶的纳米探针在不到60 min的时间内引起了纤维蛋白的快速溶解。因此，基于这种新型纳米分子成像探针的溶栓剂可减少缺血再灌注的时间，明显降低中风的发病率及死亡率。

3 响应型19F-MR纳米分子成像探针在药物递送中的应用

高效的19F-MR纳米分子成像探针药物递送系统应具备较长的体内循环时间，能够避免药物过早释放，并且可以响应外源性刺激(超声、温度)或内源性刺激(pH变化、氧化还原反应)来控制药物的生物分布等特征，达到药物的按需可控释放，减少毒副作用，从而实现肿瘤的精准治疗[25]。

3.1 超声响应型19F-MR纳米分子成像探针

超声波作为一种非侵入性的手段被广泛用于癌症的诊疗一体化研究。在超声波的空化或机械效应刺激下触发多种纳米分子成像探针按需释放药物，进而避免产生不良反应。Ma等[26]使用涂覆乳液的制备方法合成了HIFU响应的新型药物递送系统，该探针能够在HIFU触发下加速释放药物，具有热消融和化学疗法的协同效应，能够明显抑制癌症复发。然而，在HIFU治疗期间，聚焦周围的高能量超声不可避免地会破坏传播途中的正常组织，从而导致严重的副作用[27]。因此，Liu等[28]使用低强度聚焦超声(low intensity focused ultrasound，LIFU)激活药物的释放，此项研究显著提高了治疗效果并减小毒副作用，从而实现了癌症的诊疗一体化。

3.2 温度响应型19F-MR纳米分子成像探针

温度响应药物递送是研究最多的刺激响应策略之一，并且在肿瘤学领域的应用备受关注。纳米载体材料中某种成分所产生的温度响应性会随着周围温度的变化而触发药物的释放。基于这项原理，Hill等[2]利用生物合成方法制备了一种蛋白质嵌段共聚物(氟化的热响应组装蛋白质，F-TRAP)，构建成一个具有19F核磁共振弛豫性能和封装并释放小分子治疗能力的单分散纳米胶束。这种氟化胶束利用其良好的热响应性能来释放负载的药物，为热响应性19F MRI/MRS诊疗纳米分子成像探针的开发提供了一条新的途径。

3.3 pH响应型19F-MR纳米分子成像探针

近年来，pH值变化作为触发药物释放的特有刺激具有巨大的研究应用潜力，其可以控制特定器官或溶酶体中药物的传递。酸性微环境是实体肿瘤的主要特征之一。Bo等[13]设计了一种具有高19F-MR敏感性和生物相容性的氟化树突状两亲物，用于递送包裹阿霉素(doxorubicin，DOX)的全氟化碳纳米分子成像探针。在弱酸条件下，探针表面pH敏感的N，N'-二乙基乙二胺发生自溶胀反应，使得聚合物囊泡膜的渗透性增加，导致DOX释放，此种pH敏感型纳米探针对肿瘤细胞具有明显的杀伤效果。此外，Zhang等[29]开发了一种基于聚合物囊泡的pH敏感型全氟化碳纳米分子成像探针，其粒径能够在循环过程中维持在178 nm，并在酸性肿瘤微环境中增加至437 nm。并通过红外光或低频超声进行局部加热，可触发阿霉素的快速释放，从而利于癌症治疗。

3.4 氧化还原响应型19F-MR纳米分子成像探针

近年来，氧化还原响应型纳米分子成像探针也广泛应用于抗肿瘤药物的递送。通常情况下，正常组织和肿瘤组织的细胞内外环境之间存在氧化还原电位的差异。另外，谷胱甘肽(glutathione，GSH)可裂解二硫键，获得氧化还原活性。Wang等[30]构建了一种新型的多功能纳米系统，具有高稳定性、靶向性和氧化还原敏感性等特点。此类纳米治疗剂以全氟己烷(perfluorohexane，PFH)为核心，外表面装饰有氧化还原响应性共聚物(MPHSS-PFH)。基于纳米探针外部交联的可还原性二硫键对间质组织内及细胞周围的还原性物质高度敏感，当处于还原性条件下的肿瘤微环境时，其智能化复合物由交联状态转变为逆交联状态而被激活，从而在血液循环中携载药物释放到肿瘤部位，因此可进一步开展肿瘤治疗的研究。

4 展望

基于精准医疗的革命性进展逐渐发展起来的19F-MR分子成像技术，已经成为疾病诊疗一体化的重要组成部分。19FMR分子成像通过非侵入性地在体实时评价疾病的分子水平状态，可以实现靶向治疗、疗效的实时监测与预后的精准判断。此外，针对用于靶向药物递送的19F-MR纳米分子成像探针，其在19F-MR分子成像研究领域的开发对于实现诊疗一体化具有重要意义。基于19F-MR纳米分子成像探针的智能化药物控释体系对疾病的精准靶向治疗具有潜在的应用价值。在外源性或者内源性刺激下产生响应，引起药物的快速释放，进而对疾病实现最高效的治疗。在当前的工作中，全氟化碳纳米探针使用表面活性剂和蛋黄磷脂作为乳化剂，这可能会影响纳米探针的稳定性以及药物的治疗效果，需要进一步优化合成方法。同时靶向药物递送和19F-MR分子成像仍然是一个开放且具有挑战性的领域。虽然目前19F-MR分子成像用于靶向药物递送多处于临床前研究及临床转化研究阶段，但结合整体情况及当下趋势，19F-MR分子成像探针具有高的安全性、靶向性和良好的药代动力学，可实现临床转化。

利益冲突：无。