血管造影剂的应用及进展

许有江 李从青 王文艳安徽医科大学第二附属医院妇产科，合肥 230601



血管造影剂的应用及进展

许有江 李从青 王文艳*
安徽医科大学第二附属医院妇产科，合肥 230601

摘要：随着影像设备的不断开发，各种造影技术在医学领域的应用不断扩大，其中血管造影的贡献尤为突出。传统血管造影剂以碘造影剂为主。随着人们对碘造影剂的大量使用及研究，碘造影剂所带来严重过敏反应，例如抢救不及时会危及患者生命，造影剂使用的安全性日益重要。随着造影剂材料的创新，特殊材料 ——CO2气体造影剂、金纳米粒子（AuNPs）造影剂逐渐被发现、研究及应用。本文综述了传统碘造影剂的应用进展及特点，CO2气体造影剂的造影特点及优缺点，重点介绍了金纳米粒子造影剂的成像特点、生物毒性和未来的发展趋势。

关键词：血管造影剂；碘造影剂；CO2-DSA；金纳米粒子

1　碘造影剂

1.1碘造影剂的发展历史及类型

自从1896年伦琴（Rontgen）发现了X射线后[1]，因为其能够无创地透视身体，在生物医学的应用领域成为一种流行的检查工具。随着X射线成像的不断发展和计算机断层扫描（Computed tomography，CT）的广泛推广应用，人们发现在X射线成像中血管的显影比较差。为提高图像质量和更精确地研究血管方面的疾病和成像特点，最早血管造影剂——泛影酸（Amidotrezoic acid）于20世纪50年代被发明[2]。

碘造影剂是临床使用最普遍的一种血管造影剂，具有较低的相对分子质量和水溶性等特点，其发展经历了无机碘至有机碘；单碘、二碘至三碘苯甲酸；离子型至非离子型等重要阶段。目前广泛应用于血管内造影的水溶性碘造影剂有4种类型：⑴ 离子型单体，以泛影葡胺为代表；⑵ 离子型二聚体，以碘克酸为代表；⑶ 非离子型单体，以欧尼派克、碘必乐和优维显为代表；⑷ 非离子型二聚体，有碘曲伦和碘克酸，由于其高碘含量，表现出了较高X射线吸收率[3]。现在碘造影剂均是在三碘苯环的基础上改进而成。研究发现离子型三碘苯甲酸盐的高渗性是导致毒副反应的重要因素，而降低渗透压的一条重要途径是使化合物非离子化[4]。非离子型造影剂的另一个特点是不含有钙的螯合物，不影响血液中钙离子浓度。与离子型单体造影剂相比，非离子碘造影剂的渗透毒性减少，神经毒性减少，黏度和化学毒性减少，亲水性增加，水溶解度增加，已经广泛用于心脏、血管造影和CT增强扫描。目前，国内临床常用的非离子型碘造影剂，包括碘普罗胺、碘海醇、碘帕醇、碘克沙醇及碘曲仑等。

1.2碘造影剂的特点

以往在静脉注射碘造影剂后，碘造影剂能够暂时停留在血液中， 从而起到血管造影的目的，然后扩散到细胞外空间的非神经组织区域，紧随其后通过肾脏排出体外[5]。现在，随着研究人员对碘造影剂研究的不断深入，特殊材料制造的碘造影剂逐渐被发现，例如含脂质体的碘造影剂可以用于肿瘤、炎症和感染的检测[6]。这种碘造影剂可以检测出较小的转移性癌细胞，特别是在淋巴结和体内特征病变的组织中[7]。另外，Mawad等[8]将碘化纳米颗粒设计用于药物输送系统，其作用特点是药物载体的纳米颗粒在体内扩散范围能够被跟踪，例如加载抗癌药物的碘化纳米颗粒在瘤内注射后可以被监控。

过去30年人们在血管造影剂应用方面没有实质性进展。尽管碘造影剂有着较多的缺点，例如成像时间短、需要导管插入、偶尔肾毒性、猝不及防的碘过敏反应和较差对比成像，碘造影剂的使用范围并没有发生改变。为了克服以上缺点，近几十年研究出了特殊的新材料应用于血管造影剂[9]。

2　CO2气体造影剂

2.1CO2气体造影剂的发展历史

最早CO2气体被用作为血管造影剂的尝试是在20世纪50年代，但是由于CO2在血管内的密度与周围软组织密度相差不大，以及人们对CO2在血管内物理性质不了解，CO2气体作为血管造影剂的研究出现停滞。直到数字减影血管造影（Digital Subtraction Angiography，DSA）出现以后，CO2气体作为血管造影剂才出现了新的突破性研究，1971年Hawkins[10]首次将CO2-DSA用于外周动脉和四肢动脉造影并且取得满意的图像。Hawkins[11,12]的研究结果表明：CO2-DSA不但可以取得满意、可靠的血管造影图像，而且某些血管及病变的显示优于常规的碘造影。如今，在国内许多医院及研究单位中，CO2-DSA做为常规血管造影的方法已经逐渐被大家所接受。

2.2CO2造影的特点

碘造影剂的造影特点是它能够迅速溶解于血液，通过增加血液的成像密度而形成血管的图像。但是CO2不能立即溶解于血液中，而是通过保持气体状态将血管充盈，使血管成像密度减少而显影。血管内血液是搏动性流动，因此气体在血管内存在复杂的气体流变学改变，故气体在血管内的分布形式将直接影响CO2-DSA成像的质量。研究发现，影响CO2在血管中的分布形式的因素不仅有注射CO2的速度、注射剂量和注射压力，还和患者的血压、脉搏以及造影血管的内径大小有关。因此，CO2造影成像既需要电脑控制注射器，控制气体注射的压力、注射速度和注射剂量，从而使CO2能够保持线性注入血管，还需要有精密的DSA系统来采集图像，并且在采集图像时需要患者的配合，以减少伪影产生。

2.3CO2-DSA适应证和禁忌证

CO2-DSA适用于碘造影剂的禁忌者，例如碘造影剂过敏、肾功能不全、甲亢及严重高血压患者的动脉造影。随着对CO2-DSA的深入研究，人们发现CO2在显示少量动脉性出血、肿瘤血窦、动静脉畸形（瘘）、狭窄血管及侧支、TIPS（经颈内静脉肝内门体分流术）中经肝实质注射使门静脉显影的造影方面优于碘造影剂。而CO2-DSA的局限性则体现在不能够用于横膈以上的动脉造影，同时应该避免在有明确自右向左分流的心脏病患者中行静脉造影。

3　金纳米粒子造影剂

3.1金纳米粒子的发展历史及成像特点

公元前4世纪，科学家发现胶体金（Au）。以后，胶体金溶液被应用于医疗目的。1880年胶体金溶液第一次被注入静脉，应用于治疗酗酒[13]，后来又被应用于治疗不能动手术的癌症患者[14]。随着胶体金被不断的研究，其涉及领域也变得越来越广泛，其中包括生物大分子中电子传递[15]，细胞内毒素的研究[16]，提高PCR效率[17]，通过细胞内吞作用而形成的药物载体和造影剂[18]等方面。随后，Dykmana等[19]在胶体金的研究基础上发现了金纳米粒子（AuNPs）具有更广泛的生物医学应用空间，其主要的应用方面涵盖了诊断、治疗、药物载体和免疫学性质等。

与碘元素相比，金元素的一个有利的物理特性是在X射线成像时具有极高的X射线吸收率。Hainfeld等[9]将直径为1.9 nm的金纳米粒子悬浮于磷酸盐缓冲液（PBS）中，通过向EMT-6皮下乳腺肿瘤的模型小鼠尾静脉注射，研究金纳米粒子的特点，结论是金纳米粒子可在较低的X射线剂量、较少的骨和软组织参照上实现更好的对比成像，同时金纳米粒子比碘造影剂在血液中的清除速度慢，从而获得更长的成像时间。另外，金纳米粒子造影剂可以直接成像、检测及测量血管生成和血管过度化增生的区域。当然，现在金纳米粒子造影剂还停留在动物实验方面，若应用到临床，必须先了解其生物毒性。

3.2影响金纳米粒子生物毒性的因素

3.2.1金纳米粒子的直径大小

Chen等[20]通过向BALB/C小鼠腹腔注射表面无涂层的直径3～100 nm金纳米粒子（每周注射剂量为8 mg/kg）来研究金纳米粒子大小差异的毒性研究。实验结果表明，注入直径为8～37 nm金纳米粒子的小鼠容易诱发严重的疾病，例如疲劳、食欲不振、皮毛颜色变化和体重的减轻等。然而，注入直径为3 nm和5 nm金纳米粒子的小鼠，没有诱发疾病或者出现恶变。

3.2.2金纳米粒子的表面修饰

Semmler等[21]研究发现在静脉注射含直径为1.4 nm金纳米粒子溶液的人群中，50%在肝脏中能够发现金纳米粒子，其中只有9%可以在24 h内通过尿液将其排出，缓慢的肾清除率和在网状内皮系统（RES）例如肝、脾等器官的积累，限制了金纳米粒子的临床应用[22]。金纳米粒子只有具备高效的肾清除率和较低的器官积累率，才可以投入临床应用[23]。研究发现，金纳米粒子的肾清除率可以通过粒子表面的修饰而得到增加。例如，Choi等[24]研究发现与表面涂有半胱氨酸的金纳米粒子相比，等体积表面涂有谷胱甘肽的金纳米粒子（GS-金纳米粒子）可以显著增加体内肾清除率。在静脉注射直径约为2 nm的GS-金纳米粒子溶液后，仅有1.9%～3.7%的人积累在肝脏中，＞50%的人体内GS-金纳米粒子能够在24 h内通过尿液被排出体外。

3.2.3 金纳米粒子的剂量

Reeves等[25]分别向小鼠腹腔内注射金纳米粒子40、200和400 μg /（kg·d），评估注射不同剂量的金纳米粒子对生物毒性的影响，其中金纳米粒子的直径均为12.5 nm，共注射8 d。实验结果表明，金元素在血液中的水平没有随注射剂量的增加而改变。另一方面，在所有检测器官中金元素含量与注射金纳米粒子剂量成正比，表明器官组织对金元素有高效的吸收性。因此，在组织中金纳米粒子的积累量取决于注射剂量，但是不引起亚急性生理伤害。

3.3金纳米粒子的制备

金纳米粒子的制备要求在胶体样品中含有高纯度分散性粒子。选择性净化金属胶体的理想分离方法是提供迅速和高效的含溶质大小为1～250 nm的溶液。例如，电泳已经成功应用于在不同大小和形状的粒子中单独分离目标粒子[26]。目前尽管金纳米粒子的制备方法很多，但是均存在不完善的方面，主要集中在工艺流程复杂、辅助材料毒性较大及样品纯度不高等方面。不过，国外已经能够生产出经济和高效的金纳米粒子。例如，美国Nanoprobe公司已经生产出直径只有1.4 nm金纳米粒子，并且被广泛应用于动物实验[27]。

4　展望

与传统的碘造影剂相比，CO2气体造影剂只适用于横膈以下血管造影，但是在显示动-静脉瘘、海绵状血管瘤、小量出血及逆行显示门脉方面优于常规碘造影剂，并且CO2造影副作用小，价格低廉，适于广泛推广。相对而言，金纳米粒子造影剂的未来发展方向是实现更小范围成像、更短时间的成像和更高空间分辨率的成像。作者相信，随着人们对金纳米粒子造影剂不断的研究，其临床应用特点会逐渐被人们认可。在不远的将来，以金纳米粒子造影剂为主体的造影剂将为血管造影带来新的突破。

参考文献

[1]Rontgen WC. On a new kind of rays[J]. Nature, 1896, 53: 274-276.

[2]Gavant ML, Ellis JV, Klesges LM, et al. Diagnostic efficacy of excretoryurography with low-dose, nonionic contrast media [J]. Radiology, 1992, 182(3): 657-660.

[3]Desser TS, Rubin DL, Muller H, et al. Blood pool and liver enhancement in CT with liposomal iodiXanol: comparison with ioheXol[J]. Acad Radiol, 1999, 6: 176-183.

[4]朱云霞. CT增强检查中造影剂不良反应的预防及护理[J].山东医学高等专科学校学报，2008，3（3）：217-218.

[5]Seltzer SE, Gregoridian G, Dick R. Evaluation of the dehydration-rehydration methods for production of contrastcarrying liposomes[J]. Invest Radiol, 1998, 23: 131-138.

[6]Elbayoumi TA, Torchilin VP. Current trends in liposome research[J]. Methods Mol Biol, 2010, 605: 1-27.

[7]Johnston SL, Lee MW, Hawthorne MF. Development of cellsurface protein targeted CT and MR contrast agents[J]. Suppl Appl Radial, 2003, 32: 70-77.

[8]Mawad D, Mouaziz H, Penciu A, et al. Elaboration of radiopaque iodinated nanoparticles for in situ control of local drug delivery[J]. Biomaterials, 2009, 30: 5667-5674.

[9]Hainfeld JF, Slatkin DN, Focella TM, et al. Gold nanoparticles: A new X-ray contrast agent[J]. Br JRadiol, 2006, 79: 248-253.

[10]Hawkins IF. Carbon dioxide digital subtraction angiography[J]. AJR, 1982, 139: 10-24.

[11]Hawkins IF, Caridi JG. CO2 digital subtraction arteriography advantages and current solutions for delivery and imaging[J].Cardiovasc Intervent Radiol, 1995, 18: 150-152.

[12]Kerns SR, Hawkins IF. Carbon dioxide digital subtraction angiography:expanding application and technical evolution[J]. AJR, 1995, 164: 735-741.

[13]Jadzinsky PD, Calero G, Ackerson CJ, et al. Structure of a thiol monolayer-protected gold nanoparticle at 1.1 A resolution[J]. Science, 2007, 318: 430-433.

[14]Lee JS, Ulmann PA, Han MS, et al. A DNA-gold nanoparticle-based colorimetric competition assay for the detection of cysteine[J]. Nano Lett, 2008, 8: 529-533.

[15]Ma N1, Marshall AF, Gambhir SS, et al. Facile synthesis, silanization, and biodistribution of biocompatible quantum dots[J]. Small, 2010, 19, 6(14): 1520-1528.

[16]Li Y, Italiani P, Casals E, et al. Optimising the use of commercial LAL assays for the analysis of endotoxin contamination in metal colloids and metal oxide nanoparticles[J]. Nanotoxicology, 2014, 14: 1-12.

[17]Rand D, Ortiz V, Liu Y, et al. Nanomaterials for X-ray imaging: Gold nanoparticle enhancement of X-ray scatter imaging of Hepatocellular carcinoma[J]. Nano Lett, 2011, 11: 2678-2683.

[18]Jung SY, Ahn S, Nam KH, et al. In vivo measurements of blood flow in a rat using X-ray imaging technique[J]. Int J Cardiovasc Imaging, 2012, 28: 1853-1858.

[19]Dykmana L, Khlebtsov N. Gold nanoparticles in biomedical applications: Recent advances and perspectives[J]. Chem Soc Rev, 2012, 41: 2256-2282.

[20]Chen YS, Hung YC, Liau I, et al. Assessment of the in vivo toXicity of gold nanoparticles[J]. Nanoscale Res Lett, 2009, 4: 858-864.

[21]Semmler-Behnke M, Kreyling WG, Lipka J, et al. Biodistribution of 1.4- and 18-nm gold particles in rats[J]. Small, 2008, 4: 2108-2111.

[22]Wang ST, Chen KJ, Wu TH, et al. Photothermal efects of supramolecularly assembled gold nanoparticles for the targeted treatment of cancer cells[J]. Angew Chem, 2010, 122: 3865-3869.

[23]Fraga S1, Brandão A2, Soares ME2, et al. Short- and longterm distribution and toxicity of gold nanoparticles in the rat after a single-dose intravenous administration[J]. Nanomedicine, 2014, 15: S1549-9634 (14) 00318-00319.

[24]Choi HS, Liu W, Misra P, et al. Renal clearance of quantum dots. Nat. Biotechnol, 2007, 25, 1165-1170.

[25]Lasagna-Reeves C, Gonzalez-Romero D, Barria MA, et al. Bioaccumulation and toXicity of gold nanoparticles after repeated administration in mice[J]. Biochem Biophys Res Commun, 2010, 393: 649-655.

[26]Hanauer M, Pierrat S, Zins I, et al. Separation of nanoparticles by gel electrophoresis according to size and shape[J]. Nano Lett, 2007, 7: 2881-2885.

[27]Hainfeld JF, Powell RD. New frontiers in gold labeling[J]. J His-tochemCytochem, 2000, 48(4): 471-480.

The application and progress of intravascular contrast media

XU You-jiangLI Cong-qingWANG Wen-yan*
Department of obstetrics and gynecology, the Second Hospital of Anhui Medical University, Hefei 230601, China

Abstract:With the development of imaging equipment, all kinds of imaging technology application in the medical field have been expanded, especially angiography. The traditional vascular contrast media is given priority to iodine contrast agent. Along wiht the using and research of iodine contrast agent, iodine contrast agent brings severe allergic reactions, such as endangering the patient lives if don’t timely rescue, so that the safety of the contrast agents to use become increasingly significant. As the contrast material innovation, special materials——CO2gas contrast agent, gold nanoparticles (AuNPs) contrast agent have been found, researched and applicated. This paper reviews the application progress and characteristics of traditional iodine contrast agent, CO2gas contrast imaging features and the advantages and disadvantages, and focus on the imaging characteristics of gold nanoparticles contrast agents, biological toxicity, and the development trend of the future.

Key words:intravascular contrast media; iodine contrast media; CO2-DSA; AuNPs

基金项目：国家自然科学基金青年科学基金（81100412）*通信作者：王文艳，E-mail：wenyanautumn@sina.com.

文章编号：2096-0646.2016.02.01.18