超顺磁性纳米材料在分子影像中的研究进展

岳文怡,盛复庚

分子影像可以在组织和细胞水平反映疾病的某些生物学变化。分子探针是分子影像的核心,它能够与活体细胞内某一靶向目标特异性结合后,用来检测其结构、性质并产生可以通过设备检测的信号[1]。磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)具有高空间、时间分辨率及软组织分辨率,无电离辐射,可快速提供患者全身任意部位及任何断层的高分辨率解剖图像,已经成为大多数疾病的首选诊断方法,常需要对比剂辅助成像。铁磁性物质由于磁化率很高,即使在没有外界磁场的环境下也能保留其磁性,可以加速邻近组织氢核的弛豫,使T2信号减低。铁磁性微粒的直径一般为0.1～10 μm,当铁的氧化物如Fe3O4微粒远小于铁磁性微粒时,就能呈现出超顺磁性。超顺磁性材料作为MRI的对比剂,对组织中T2的弛豫速率高于钆对比剂[2]。超顺磁性氧化铁微粒(superparamagnetic iron oxide,SPIO)作为T2WI负性对比剂,最早是为MRI分子成像而设计开发的,作为对比剂具有良好的生物相容性、易观察性、可塑性、毒副作用小、稳定性高等优点[3]。血液中30～54 nm的颗粒被网状内皮系统(reticuloendothelial system,Res)当作异物清除,因SPIO直径约50～150 nm,因此特别适合于肝、脾、骨髓、肺、脑、淋巴结等有Res的器官和组织,使正常组织T2信号减弱,而病变部位缺乏吞噬SPIO的能力,使得T2信号相对高于其他正常组织;超小型SPIO(ultrasmall superparamagnetic iron oxide,USPIO)直径小于40 nm,可以不被Res吞噬,在血液中的半衰期长,易于在细胞内移动,适合于特定分子的细胞组织成像[4],常用于血管或血池造影剂、干细胞、祖细胞或巨噬细胞的研究[5],有利于淋巴造影和炎症成像[6]。微米级超顺磁性氧化铁颗粒(micron-sized superparamagnetic iron oxide particle,MPIO)通常用于追踪增殖细胞,由于不降解的属性,随着细胞分裂,铁不会被稀释,因此具有最高的铁含量,可以用于检测数目较少的细胞或含有较少颗粒的细胞[7]。下面将从超顺磁性纳米材料在分子影像学的应用阐述它的近期进展。

在原发肿瘤诊断中的应用

SPIO可以直观地发现早期癌症[8],以其为对比剂的MRI最早应用于肝癌的成像。正常肝脏网状内皮系统内存在大量Kupffer细胞,可以摄取SPIO,导致T2信号减低,形成阴性对照,恶性肿瘤Kupffer细胞很少,二者摄取含量的不同导致肝脏正常组织和恶性肿瘤在MRI信号上有明显差别。经过氯离子通道蝎毒素修饰的SPIO纳米颗粒能够通过基质金属蛋白酶2与肝癌建立靶向联系,得到肝癌的特异性对比剂,实现肝癌的早期影像诊断[9]。Yukihiro等[10]评估了SPIO在肝癌MRI中的优缺点,比较了42例患者在稳态旋进快速成像(fast imaging with steady- state precession,FISP)中使用SPIO前后的肿瘤和正常肝脏的信号比,发现在FISP中看不见的肿瘤可以通过使用SPIO变得可视化,这也代表为肝癌的早期诊断提供了新思路。刘国顺等[11]研究了二硫键优化透明质酸介导的SPIO靶向纳米探针在动物体内水平的显像性,发现其可在分子影像水平实现对肿瘤疗效的早期监测。

另外在其他肿瘤方面,胰腺癌是一种高度侵袭性的恶性肿瘤,提高早期诊断率是关键,目前糖类抗原19-9(carbohydrate antigen 19-9,CA19-9)是最常用的血清肿瘤标志物,但缺乏敏感性和特异性。He等[12]利用CXC趋化因子受体4能与胰腺癌发展侵袭和转移密切相关的特点,采用USPIO与CXC趋化因子受体4单克隆抗体相连接制造探针,研究其主动靶向性磁共振成像,为探针在细胞生物水平的应用打开了新视野。利用尿激酶型纤溶酶原激活物激活因子受体的特异性结合配体连接氧化铁纳米颗粒,通过MRI显示的信号差异,可以有效实现胰腺癌和其转移灶的良好显影,用作检测早期及转移胰腺癌。Chen等[13]使用SPIO和Plectin-1抗体创建了多功能靶向纳米颗粒探针,实验结果表明该纳米颗粒可以在肿瘤细胞中高度聚集,而在正常的胰腺中没有,这个结果显示了SPIO可以使胰腺肿瘤优先聚集而使胰腺癌可视化,提高了检测的能力。Liu等[14]构建了可与鼻咽癌细胞偶联的C225-USPIO纳米颗粒,对照组为IgG-USPIO,进行MRI体外成像试验,结果显示C225-USPIO纳米颗粒可以与高表达EGFR的鼻咽癌细胞特异性靶向结合,这为C225-USPIO应用于临床EGFR高表达的鼻咽癌的MR成像及评估鼻咽癌后续疗效提供了可能。综上所述,SPIO在原发肿瘤的诊断和疗效预测方面起到了可视化作用,研究其在多种原发肿瘤的应用仍是未来的热点。

在转移性淋巴结中的应用

正常人淋巴结含巨噬细胞,会摄取SPIO,癌症转移的淋巴结内因均是肿瘤细胞,对SPIO的吞噬减少,导致正常的淋巴结和肿瘤转移的淋巴结MRI信号产生差异。淋巴结的转移是早期胃癌及预后的一项重要评估指标,Chen等[15]对裸鼠皮下注射SGC-7901细胞悬液以形成实体瘤,铁标记的细胞在MRI中表现为大面积的低信号或离散的信号空洞区域。注射标记MPIO的SGC-7901细胞悬液的肿瘤在第14～35天中能观察到持续的信号空白区,这些信号空白区主要位于正在生长的肿瘤的中央部,而对照组(未标记)没有显示信号空白区,尽管存在一些信号不均匀的区域,但与实验组相比,对照组的信号显著增加。在胃癌发展过程中,通过追踪MPIO标记的细胞,观察到癌转移淋巴结中信号空白区的持续时间长达5周,这比正常在体外观察的时间长得多。这项研究为检测早期胃癌淋巴结转移提供了方向。Mirzaei等[16]使用低剂量的SPIO检测了15名黑色素瘤患者的前哨淋巴结,发现淋巴结转移的伪影与SPIO剂量有相关性,这为肿瘤患者的前哨淋巴结状态的非侵入性评估开辟了通道。

还有报道称可以使用SPIO可以对乳腺癌患者术前的腋窝淋巴结定位定性,实现选择性清扫腋窝内的转移性淋巴结[17]。Kimura等[18]使用USPIO进行高分辨率MRI淋巴结造影,将成像结果与组织病理学结果比较,发现使用UPSIO作为对比剂获得了良好的腋窝淋巴结评估效果,这种成像方法更有助于术前淋巴结分期。前哨淋巴结被定义为“直接引流原发肿瘤灶的第一站淋巴结”,可以较准确地预测前列腺癌区域淋巴结的转移情况。Winter等[19]在50名前列腺癌患者身上实现了SPIO追踪前列腺癌前哨淋巴结成像,所有患者均可检测到前哨淋巴结,其诊断率达100%。通常前列腺癌转移的前哨淋巴结大部分位于髂外和下腹部区域,该研究令人意外地发现大量前哨淋巴结位于骶前和直肠旁区域。由于MRI对极低浓度的SPIO具有高敏感性,使得检测出的前哨淋巴结数量增加。超顺磁性氧化铁纳米粒子和MRI结合的技术为术前和术中前哨淋巴结定位提供了一种完全无辐射的技术。这也是SPIO在人体内检测前列腺癌前哨淋巴结转移情况的首例结果。对于淋巴结转移情况的评估,SPIO对于术前分期及定位提供了方向。

在干细胞中的应用

干细胞是一类具有良好增殖能力和多向分化潜能的细胞,能在受损的器官、组织发挥修复作用。由于磁性氧化铁材料具有良好的磁导向性及生物相容性,SPIO与干细胞结合也是分子影像学的常用追踪方法[20]。间充质干细胞治疗人类中枢神经系统疾病具有一定潜力,用SPIO纳米粒子标记骨髓间充质干细胞并通过MRI进行追踪是评价中枢神经系统疾病治疗效果的一种可行性方法。Rami等[21]跟踪创伤性脑损伤小鼠模型体内被SPIO标记的间充质干细胞,鼻内给药24小时后,T2WI图像显示皮质损伤内侧为低信号区域,表明被SPIO标记的间充质干细胞向损伤部位迁移。虽然细胞分裂会稀释细胞内的SPIO浓度,影响标记干细胞的检测,但在动物模型的大脑中,移植后数周仍可以检测到标记的干细胞。 此方案为骨髓间充质干细胞的输送和跟踪提供了一种非侵入性的有效方法,为通过干细胞治疗脑损伤疾病的疗效预判提供了新的思路。

Scharf等[22]报道称,追踪SPIO标记的间充质干细胞可作为评价肌腱损伤治疗疗效的一种有效方法,将超顺磁性氧化铁纳米颗粒(SPIONs)和荧光蛋白双重标记骨髓间充质干细胞,并移植入肌腱损伤的大型动物模型体内,证明SPIONs标记细胞是在大型动物体内示踪细胞的有效途径,且浓度为25 μg/mL或50 μg/mL的SPIONs标记细胞时,细胞活性不受明显影响,并且追踪时间可长达间充质干细胞注射治疗后7天。间充质干细胞还被证明过有肿瘤归巢的特征,Qin等[23]做了相关实验,利用MRI图像评估间充质干细胞在肝癌中的肿瘤归巢能力,用SPIO颗粒和4,6-二氨基-2-苯基吲哚标记骨髓间充质干细胞,然后注射移植到兔VX2肝肿瘤中,MRI显示给药的间充质干细胞可以靶向趋于肝肿瘤部位,早期干细胞分散在整个肿瘤内部,后期逐渐迁移到肿瘤边缘,该研究提供了一种可视化体内追踪间充质干细胞的方法。祖细胞,即前体细胞,相当于具有增殖能力的原始细胞,但已失去了多向分化能力,只能定向增殖分化,故也称定向干细胞。内皮祖细胞可以对抗危险因素导致的内皮损伤,促进缺血后血管的恢复。Wei等[24]用SPIO标记内皮祖细胞,研究标记细胞的细胞内铁含量、标记效率和细胞活力,采用MRI进行分析,为自体移植内皮祖细胞的体内应用以及在体内治疗心肌梗死奠定了理论基础。但是SPIO作为细胞标记存在着一些局限性,随着细胞的有丝分裂,SPIO的图像会不断减弱甚至消失。当细胞在体内迁移时,SPIO的MRI敏感性也会降低。当细胞死亡时,SPIO仍会存在于体内并产生相应的图像,会对细胞示踪产生错误的引导。

在免疫系统中的应用

树突状细胞(dendritic cell,DC)被认为是最有效的抗原呈递细胞,能触发T细胞介导的免疫反应。足够的DC迁移到淋巴结才能促进免疫反应,但是检测它的体内迁移很困难。SPIO可以用来标记DC,在MRI下检测其向淋巴组织的迁移。Shen等[25]发现,乳糖化的氮烷基聚乙烯亚胺与SPIO复合的纳米粒子用于DC的标记,可作为一种低毒性伴高效率标记细胞的MRI探针。实验组的DC中SPIO纳米粒子明显增加。相关数据显示乳糖化的氮烷基聚乙烯亚胺与SPIO纳米粒子形成的聚合物可以诱导DC的自噬,有利于DC成熟,由此提高呈递抗原的能力。一些基于DC的抗癌疫苗是为了诱导肿瘤特异性有效T细胞,从而减少肿瘤体积。Yu等[26]通过SPIO-NIR797对DC进行了培养、标记和追踪,SPIO-NIR797标记对细胞活力、细胞增殖和迁移能力几乎没有不利影响。

Tremblay等[27]报道将SPIO标记的细胞注射到植入了人乳头瘤病毒的宫颈癌模型的小鼠中,标记的细胞为细胞毒性CD8+T细胞、调节性T细胞(Tregs)和髓源抑制细胞(MDSCs),一部分未经处理的小鼠作为对照组,一部分接种DPX-R9F疫苗作为实验组。通过MRI图像表明,接种DPX-R9F疫苗可以减少针对肿瘤的抑制细胞类型(MDSCs和Tregs)的募集,并适度增加作为免疫系统的第一道防线细胞毒性T淋巴细胞(cytotoxic T lymphocytes,CTLs)。CTL细胞由CD8+T细胞活化后分化而来,具备抗肿瘤应答的作用。MDSCs和Tregs的募集与最终肿瘤体积呈正相关,通过该实验,可以改进疫苗的应用和制定更个性化的治疗方案。

Coda等[28]利用[18F]DPA-714-PET、SPIO和体外免疫组化,评估多模态PET/CT和MRI对复发缓解型多发性硬化小鼠模型急性期的脑巨噬细胞和小胶质细胞激活的可行性和敏感度。这项研究表明,激活的巨噬细胞和小胶质细胞都存在于大脑的脆弱区域,对于疾病的严重程度有着参考价值,SPIO标记的MR成像有利于中枢系统炎性病变的临床研究。

在移植及炎症中的应用

SPIO在人体中可被巨噬细胞吞噬,并在巨噬细胞浸润组织中的增强MRI上显示延长的T2效应,因此由于巨噬细胞摄取SPIO对MRI的影响使得其可应用于炎症和感染的成像,提高了MRI检测的准确性,实现炎性疾病的早期临床干预[29]。Yong等[30]为了克服将胰岛细胞植入肝脏治疗糖尿病时由于细胞直接接触血液而引起的瞬时炎症反应,而不能直接监测到治疗后的预后情况这一问题,通过肝素固定的SPIO附着在胰岛细胞表面建立一种具有抗凝活性的新型磁共振对比剂,作为一种可视化监测体内植入胰岛细胞的手段。干细胞移植是治疗阿尔茨海默病(Alzheimer disease,AD)的一种探索途径,在活体中动态监测干细胞移植后AD宿主体内的迁移和分化是分子影像学的研究方向。杜磊等[31]通过观察聚乙二醇/聚乙烯亚胺修饰SPIO标记的脂肪源性干细胞移植后的AD大鼠模型内MR活体示踪成像,发现单次干细胞移植可有效改善AD模型大鼠的行为学表现,这种技术可以提供有效的无创性评估手段,但本次观察时间点内未达到正常大鼠的行为学水平,仍需进一步研究。间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSCs)因其免疫调节特性,对于脓毒症有明显的治疗作用,但其疗效很大程度上取决于MSCs的归巢作用,SPIO作为MSCs最常用的示踪剂之一,因其安全性、低毒性和代谢性可以在体内监测MSCs。Pan等[32]测定了SPIO标记的MSCs在健康小鼠和脓毒症小鼠中的时空分布,发现其可受微环境影响并改变,这为MSCs的应用提供了新的视角。

Millon等[33]发现,使用SPIO应用于MRI检测服用阿托伐他汀药物治疗后兔主动脉壁巨噬细胞浸润的信号改变效果良好并得到组织学证实。SPIO还可以检测人类新血管系统的炎症,有助于显示梗死和梗死后心肌炎,通过MRI检测到的梗死后巨噬细胞的长期存在可以增加预测心力衰竭的可能性[34]。Tang等[35]针对在急性缺血性中风中,中性粒细胞在脑缺血区释放活性氧可能导致缺血性卒中后再灌注损伤这一现象,使用选择性脾酪氨酸激酶抑制剂和SPIO共负载的血小板模拟纳米粒子成功识别和监测了中性粒细胞。在多发性硬化(multiple sclerosis,MS)的诊断与分期中,MRI已被相对广泛地用于评估血脑屏障的完整性并定位脑中的炎性病变,使用SPIO优于钆对比剂的关键优势是前者可显示单核细胞/巨噬细胞浸润,这是MS进展的标志。USPIO可被中枢神经系统中的巨噬细胞吸收,与单独使用钆对比剂相比,在MS患者中联合使用USPIO和钆对比剂能够检测额外的活动性病变从而改善患者的病变识别[36]。

SPIO在诊断软组织炎症中也发挥了作用。Baraki等[37]证实SPIO标记的粒细胞经静脉注射后,在T2WI上能够在感染部位显示信号降低的区域,该应用提高了早期诊断急性软组织感染的敏感性和特异性。另外,SPIO的一个重要的潜在应用是在腹部区分肿瘤和感染性肿块(脓肿),Seyfer等[38]发现,使用SPIO的T2WI中,脓肿显示的对比噪声比肿瘤小,这是由于巨噬细胞浸润脓肿所致。

结论和展望

超顺磁性纳米材料具备低毒性、生物相容性以及与生物大分子或细胞结合的可修饰性等特点,有广阔的发展前景,为分子影像学夯实了基础,在医学各方面都取得了很大的进展,在疾病的检测和治疗过程中提供了许多有价值的信息,部分可以用于药物递送应用。但是存在一些需要克服的问题:目前的研究绝大多数仍处于动物实验模拟阶段,真正进入临床试验阶段还有一定的困难;敏感度及与载体药物合成的稳定性、靶向定位的准确性有待提高;部分合成的探针需减少对人体的毒副作用;用SPIO标记是否影响某些疾病的进展及细胞的增殖、分化和活力等,仍需要多方位探索对比剂在各种疾病的早期诊断、预后判断以及制定更精细的治疗方案的潜能,在已有成果的心脏、肝脏、肾脏和神经系统进一步完善和优化,拓宽未来应用的范围,分子影像从现在到未来一定是是精准医学的必经之路。