钆基无机纳米粒子磁共振造影剂设计的研究进展

赵 硕，周治国

（上海师范大学化学与材料科学学院，上海 200234）

0 引言

磁共振成像（MRI）因具有无电离辐射、多参数成像、高对比度成像等优点，已成为临床医学最常见的影像学检测手段之一.受制于当前的技术，部分条件下无法有效区分病变组织和正常组织之间的信号差异.为实现更精确的诊断，人们开始研究磁共振造影剂（MRI CAs）.MRI CAs可以显著降低体内局部组织中水质子的弛豫时间，提高正常组织与患病组织的成像对比度.目前，临床上使用的纵向弛豫（T1）造影剂（即T1CAs）多为钆离子（Gd3+）螯合物.Gd3+螯合物在体内的循环时间较短且无特异性，长时间监测具有一定的局限性.此外，Gd3+螯合物的另一个缺点是其弛豫率相对较低，为更好满足MRI对比度的要求，需要高剂量注射造影剂.但高剂量注射会导致Gd3+部分游离，游离的Gd3+因与钙离子（Ca2+）半径接近从而进入细胞，对人体造成巨大危害.在各种类型的MRI CAs中，基于钆基无机纳米粒子（Gd IONPs）的MRI CAs有它们独特的电子、磁性和光学特性，易于细胞内的吸收和积累，并且具备出色的体内稳定性.Gd IONPs的高表面积也大大提高了它们的化学反应性，利于表面修饰，以上特点使Gd IONPs成为MRI CAs未来的设计方向之一.

1 T1造影剂作用原理

T1CAs能够显著缩短水分子的T1时间，从而产生造影效果［1-2］.通常，T1CAs用于增加信号强度，所以T1加权MRI中的正对比度增强（产生的图像更亮）.纵向弛豫率（r1）是造影剂缩短水分子T1时间的能力的评价方式，其定义为r1与CAs物质的量浓度的曲线的斜率［3］：

其中，r10表示没有造影剂的弛豫率，CCAs是造影剂的物质的量浓度（mmol·L-1）.r1的值通常用于评估纳米粒子CAs的MRI弛豫率.

根据所罗门-布罗伯根-摩根理论［4-6］（简称SBM理论），基于水质子与磁性金属中心之间的结合关系，可将r1分为3个部分，如图1所示：1）内界水rIS（Inner sphere），直接与金属离子结合的水分子；2）第二层水rSS（Second sphere），通过氢键与配体相互作用的水分子；3）外界水rOS（Outer sphere），扩散在造影剂周围的水分子.

图1 水质子与磁性金属中心之间的结合关系示意图

r1可以用式（1）表示：

因为第二层水分子的寿命非常短，且它们到金属中心的距离很长，rSS通常可以忽略不计.因此，r1可表示为：

其中，q是内界水的数目；CH2O表示水的物质的量浓度；T1m是水质子在内界的T1弛豫时间；τm是水分子在内界的结合时间；μ0是玻尔磁子常数；γI是质子的旋磁比；g是电子g系数；S是相应顺磁物种的自旋量子数；rGdH是内界水分子中的氢质子到金属离子之间的距离；τc是描述波动磁偶极子的相关时间；τR是造影剂的分子旋转相关时间；ωs是电子的拉莫尔角频率；μB是玻尔磁子，μB=9.274×10-24J·T-1.

根据式（3）～（5）可知，有3个主要因素影响造影剂弛豫率：1）q值；2）τR值；3）τm值（内球体中水交换率的倒数kex=1/τm）.

2 Gd IONPs的r1影响因素

纳米技术的进步促进了纳米粒子CAs的快速发展.随着研究的深入，人们对如何设计高弛豫率的Gd IONPs有了更多了解.通常有3种方式会对Gd IONPs的弛豫率产生影响：形貌、尺寸以及表面修饰.此外，通过引入氧空位也可以有效提升弛豫率.

2.1 形貌

不同的形貌对纳米粒子会产生较大的影响，形貌的改变影响了纳米粒子表面积与体积的比值（S/V），从而改变纳米粒子的弛豫率，如图2所示.

图2 不同形貌Gd2O3∶Eu3+的合成及其磁共振性质.（a）Gd2O3∶Eu3+在不同反应时间和pH值下的形貌形成过程示意图；（b）Gd2O3∶Eu3+@SiO2和商业造影剂（Dotarem）的T1加权成像；（c）不同pH值下Gd2O3∶Eu3+的Gd3+的弛豫率

PARK等［7］制备了具有球形、方形棱柱、六角棒形状的立方结构氧化钆：铕@二氧化硅（Gd2O3：Eu3+@SiO2）样品.其中球形结构弛豫率明显高于其他形貌.这种现象可以通过粒径、表面积和r1的关系来理解.在相同的Gd3+物质的量浓度下，大表面积的样品比小表面积的Gd3+多，暴露在表面加快了水质子的自旋弛豫过程.

ZHENG等［8］合成了具有菱形形状的均匀氟化钆纳米粒子（GdF3NPs）.为解释形貌带来的影响，构建了2个几何模型（2D板和球体）分别代表GdF3NPs和传统的球体纳米粒子.将板模型的3个维度的尺寸与GdF3NPs成比例设置，并且将2个模型的体积归一化.将S定义为表面积，将a定义为流体动力学半径.根据计算，在原子数量保持不变的情况下，2D板结构的S/V值比球结构相对更高.同时，2D板结构也具有比第一个球体更长的τR.

2.2 尺寸

无机纳米粒子具备独特的尺寸依赖效应，通过控制成核和生长从而调控纳米粒子的尺寸，并对纳米材料尺寸与弛豫率的相关性进行研究，以此合理设计高r1值的Gd IONPs CAs.研究表明：NPs的S/V值是r1主要的影响因素，大部分情况下会随着NPs尺寸的减小而增加，从而提高r1，如表1所示.

表1 部分Gd IONPs尺寸对弛豫率的影响

ZHOU等［9］通过改变反应体系中甘油的剂量调控纳米粒子的尺寸，并测量了不同尺寸Gd2O3纳米粒子的弛豫率.随着纳米粒子尺寸的增加，弛豫率也在不断下降.较大尺寸粒子中弛豫率的降低是因为纳米粒子的表面积减小，CHATURVEDI等［10-12］也证实了Gd2O3纳米粒子尺寸越小，弛豫率越高.

在氟钆酸钠（NaGdF4）纳米粒子中也观察到相同规律，JOHNSON等［15］通过调节反应条件合成了不同尺寸的NaGdF4纳米粒子，其r1也随尺寸下降而提高，并发现S/V值并非影响弛豫率的唯一因素.LIU等［13-14］也证实了弛豫率随NaGdF4纳米粒子尺寸下降而升高.HOU等［16］首次合成了超过10 nm的NaGdF4，但发现对应尺寸的纳米粒子弛豫率并非完全随尺寸减小而增大，虽然15.1 nm减小到5.4 nm时，弛豫率减小，但增加到19.8 nm时弛豫率却提升了，此时弛豫率因受τR影响而提升.

2.3 表面修饰

除尺寸影响之外，基于SBM理论的3种水分子（内界水、第二层水、外界水）可以通过表面修饰改变3种水分子对r1的贡献.对于Gd IONPs表面修饰，可以调整水质子到Gd IONPs表面的距离来增强水与中心顺磁离子的距离，从而产生比单独使用小分子造影剂更高的弛豫率.提高程度取决于有机配体的种类、尺寸、链长和官能团、碳材料的修饰以及二氧化硅（SiO2）壳的厚度，如表2所示.

表2 部分有机配体修饰对Gd IONPs弛豫率的影响

2.3.1 有机配体修饰

FANG等［17］合成了油酸（OA）和十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）共包覆的Gd2O3、亲水涂层的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）包覆的Gd2O3.后者r1远高于前者，前者的低r1值是由于双层长疏水链阻止了水质子接近纳米颗粒核心中的Gd.对于后者，长PVP链向上滚动并将Gd2O3核心包裹在里面.PVP的每个单体中的极性C=O基团允许水分子穿过涂层，并与Gd2O3相互作用，从而提高了r1.

ZHENG等［8］利用柠檬酸与聚（丙烯酸）（PAA）2种有机配体改善GdF3水溶性，研究表明：PAA改性弛豫率远高于柠檬酸改性.柠檬酸分子链相对较短，改性后的纳米粒子具有较小的流体动力学半径.因此，它们的τR相对较小，不利于弛豫增强.

ZHENG等［18］选择带有羧基的阴离子PAA、带有氨基的阳离子聚乙烯亚胺（PEI）和带有醚基的中性聚乙二醇（PEG）改善NaGdF4的水溶性，PAA包裹的纳米粒子弛豫率明显高于其他2种聚合物.结合能（BE）计算表明，PAA对水分子的结合能力远强于PEG和PEI，有机配体的官能团对弛豫率也有显著影响.此外，还发现弛豫率与有机配体分子量并无正相关联系.

MIAO等［19］合成了2.0 nm Gd2O3，并用不同分子量的亲水性生物相容性聚丙烯酸改善水溶性.改善后的水溶性纳米粒子粒径随分子量的增加而增加，r1随着粒子半径增大而减小.造成这一现象的原因是表面Gd（Ⅲ）和水质子之间的磁偶极相互作用，随着流体动力学直径的增加而减弱.

GULERIA等［20］合成了表面包覆有二甘醇、三甘醇、四甘醇和PEG的Gd2O3纳米粒子.合成纳米颗粒的尺寸与多元醇的链长呈线性相关，并随链长增加而增大，弛豫率也随之增长.同时也证实了弛豫率依赖于涂层表面的亲水性，对于亲水性更高的PEG涂层，观察到最高的MRI对比度增强.

KIM等［21］选择d-葡萄糖醛酸、PEGD-250和PEGD-600 3种配体探究了超小Gd2O3纳米粒子的配体大小依赖性，发现配体尺寸越小弛豫率越高.

2.3.2 碳修饰

KUANG等［22］将Gd2O3纳米颗粒装载到介孔碳纳米球（OMCN）中制备了Gd2O3@OMCN，Gd2O3@OMCN的弛豫率远高于Gd-DTPA，OMCN的孔径（2.8 nm）适合限制超小Gd2O3纳米粒子（2.6 nm）的旋转和水分子的扩散，因此Gd2O3@OMCN弛豫率提升明显，如图3所示.

图3 Gd-DTPA，Gd2O3，Gd2O3@OMCN，Gd2O3@OMCN-PEG和Gd2O3@OMCN-PEG-RGD在0.5 T下的（a）弛豫率及（b）不同浓度下的黑白信号图像

YUE等［23］在水溶液中合成了碳层包覆（使用葡萄糖对碳层进行修饰）的超小氧化钆（Gd2O3@C）核壳纳米粒子（Gd2O3@C NPs），其具有优异的胶体稳定性、非常高的r1值（16.26 mmol-1·L·s-1）.由于碳表面含有来自葡萄糖的羟基，可以与其周围水分子相互作用，从而提高弛豫率.

2.3.3 SiO2修饰

CHEN等［24］研究了致密二氧化硅壳（d-SiO2）和中孔二氧化硅壳（m-SiO2）及其厚度对基于Gd3+的上转换纳米粒子（UCNP）的MRI弛豫的影响，如图4所示.研究结果表明：对于m-SiO2其壳厚并不影响弛豫率；对于d-SiO2其壳厚影响弛豫率的变化.造成该现象的原因是SiO2修饰的UCNP主要受外界水扩散的影响，水分子在介孔通道中的扩散不受m-SiO2壳层厚度增加的影响；不存在大孔道的d-SiO2壳层中水分子的扩散会受到壳厚的限制，导致其更长的扩散时间，从而影响弛豫率的变化.

图4 不同厚度的m-SiO2和d-SiO2修饰的上转换纳米粒子（UCNP）对弛豫率的影响.（a）用m-SiO2和d-SiO2修饰UCNP-1的示意图；（b）不同厚度的UCNP-1@m-SiO2的透射电子显微镜（TEM）图；（c）不同厚度的UCNP-1@d-SiO2的TEM图；（d）r1和横向弛豫率（r2）与m-SiO2壳层厚度的关系图；（e）r1和r2与d-SiO2壳层厚度的关系图

YIN等［25］设计并制备了均匀且单分散的核壳SiO2Gd2O3纳米颗粒（CSSGNPs），其具有90 nm的核和1.5～20 nm的可控壳厚度，其T1值比T1造影剂：马根维显（Gd-DTPA）大1.8～7.3倍.研究表明：核壳纳米粒子的弛豫性与壳层厚度成反比关系.核壳纳米颗粒的S/V值较大，对其弛豫增强起着主导作用；Gd3+与水质子之间的距离也有助于弛豫率的变化.

2.4 氧空位

最近，有研究表明可以通过氧空位实现弛豫率的提升，其原理为表面氧空位通过将水分子的氧原子与Gd3+结合使材料与更多的水分子接触从而提高弛豫率，如图5所示.

图5 0.5 T下紫外线照射对GdTi-SC NPs弛豫率的影响.（a）GdTi-SC NPs溶液在3个紫外光处理/暗处理（UV/Dark）循环期间的T1变化；（b）不同条件下T1加权的MRI；（c）0.5 T不同条件下的r1；（d）GdTi-SC NPs表面的光诱导超亲水辅助（PISA）效应示意图

LIU等［26］通过顺序生长方法，并涂有柠檬酸钠，合成了亲水性Gd掺杂二氧化钛（TiO2）椭圆形纳米粒子（GdTi-SC NPs）（如图5所示）.这些NPs在紫外线照射后r1显著增加（35%）.在紫外线照射下，GdTi-SC NPs表面会形成局部超亲水区域（PISA效应）.这种变化增加了水分子在内球和第二球中的有效配位数和驻留时间，以及水分子在外球中的扩散时间，提高顺磁弛豫（PRE）效率，并导致r1升高.

NI等［27］合成了掺杂Gd3+的钠钨青铜（NaxWO3）后经过PEG水溶性改善的PEG-NaxGdWO3纳米棒，PEG-NaxGdWO3纳米棒的高r1归因于氧空位与Gd3+结合的水分子中的氧原子结合，从而导致内界水（q）分布增加.在低氧空位浓度下，上述相互作用减弱，导致弛豫性降低.

SHAO等［28］开发了Gd掺杂二氧化铈（CeO2∶Gd）纳米粒子作为CAs，CeO2∶Gd纳米粒子表面的晶格氧空位，可以结合大量水分子以提高r1值，从而实现出色的动态对比度增强灌注加权成像性能，用于测量微血管通透性.

3 总结与展望

临床上使用的T1造影剂Gd-DTPA在体内的循环时间较短、弛豫率较低且Gd3+容易游离，易对人体造成巨大危害，而Gd IONPs合成方法简单且可控，并具备良好的生物相容性，可以更好地解决以上问题.本文作者总结了影响Gd IONPs CAs弛豫率的因素，在设计Gd IONPs时应选择适当的形貌、合理的尺寸、合理的修饰方式（选择不同的修饰方式时使用更佳的修饰条件），以及引入氧空位等，通过调整相关设计方法，未来Gd IONPs CAs在生物医学领域将迎来更广阔的发展空间.