磁共振对比剂在肝脏及其肿瘤靶向成像中的应用研究进展

余日胜 周佳萍

慢性肝病是威胁生命健康的重要因素，是肝细胞癌（HCC）的高危因素。我国作为慢性肝病，尤其是慢性乙肝的第一大国，对高危人群进行定期监测尤其重要。HCC是全球第五大常见癌症，也是癌症相关死亡的第二大常见原因[1-2]。其预后很大程度上取决于肿瘤分期，由于缺乏早期诊断的机会与方法，且HCC患者多伴有脂肪肝、肝硬化，使得很多患者在确诊时已失去手术切除机会，这对现有的影像学检查及成像技术带来挑战[2-6]。

MRI是一种没有电离辐射，空间分辨率高，对病变组织本身及其周围组织关系成像较清晰的检查，便于对疾病分期作出判断[7-8]。MRI是肝脏疾病诊断与鉴别诊断常用的影像学手段之一，但其常规扫描对于疾病检出的敏感性仍然较低，影响肿瘤的检出[4-5，9-10]。因此为了得到更清晰的MRI图像，提高邻近组织与肿瘤的成像对比度，常使用MRI对比剂来弥补敏感性低的缺陷，旨在更好地对病灶定位、定性。MRI分子成像是分子影像学的重要组成部分，其相关的对比剂研究对肝脏疾病早期诊断作出重要贡献[7，11]。为了满足早期成像，设计合成生物安全性高、磁性活力强、肝脏肿瘤靶向的MRI对比剂，进一步提高肿瘤MRI诊断的敏感性及特异性是肝脏MRI成像技术的研究重点。本文将MRI对比剂在靶向肝脏肿瘤成像应用中的研究及进展作一述评。

1 MRI对比剂分类

MRI信号来自于被外部磁场磁化质子的射频信号，这些质子主要来自水分子，应用射频脉冲来激发磁化，并使用磁场梯度来提供空间定位。磁共振成像反映的不同信号强度，取决于核自旋密度、水质子的纵向弛豫时间（T1）、横向弛豫时间（T2）、水分子流动性的组织参数以及回波时间、重复时间等扫描参数。MRI对比剂一般通过改变纵向、横向弛豫时间来改变信号强度，主要分为顺磁性对比剂和超顺磁性对比剂。顺磁性对比剂一般是含有钆（Gd3+）或锰（Mn2+）等镧系元素的配合物，这些元素可以缩短纵向弛豫时间，使目标部位T1信号增强，被称为阳性对比剂。超顺磁性对比剂一般是基于氧化铁粒子，通过缩短横向弛豫时间，减低成像信号，被称为阴性对比剂。目前临床应用及影像研究的肝脏MRI对比剂主要有肝非特异性细胞外对比剂、肝细胞特异性对比剂、网状内皮系统特异性对比剂、血管内或血池对比剂以及基于分子影像学制备的肿瘤靶向对比剂[12-16]。

1.1 肝非特异性细胞外对比剂 肝非特异性细胞外对比剂是由因含未配对电子而具有顺磁性的镧系金属离子钆（Gd3+）或锰（Mn2+）和螯合配体如二亚乙基三胺五乙酸（DTPA）、1，4，7，10-四氮杂环十二烷-1，4，7，10-四羧酸（DOTA）及磷酸二苯一异癸酯（DPDP）组成，以被动分布机制聚集在血管间隙和细胞外血管外间隙[17-18]。钆螯合物是最早研制并应用于临床的肝脏顺磁性对比剂。目前在临床最常应用的主要有Gd-DTPA、Gd-DOTA等含钆对比剂细胞外对比剂相对小分子，通常为亲水性螯合物，不与蛋白结合，经静脉给药后能快速分布到全身血管系统，随后渗透过肝内毛细血管网弥散到细胞外组织间隙，几乎全部通过肾小球滤过排泄[18-19]。有报道称含钆对比剂可能会导致患者出现肾源性系统纤维化，在多次反复注射后可能会导致骨、脑组织钆络合物沉积[20-21]。除此之外，肝非特异性细胞外对比剂还存在一些不足之处：（1）血液循环时间短，体内消除快；（2）无特异性。

1.2 肝细胞特异性对比剂 肝细胞特异性对比剂是由有功能的肝细胞吸收并在胆汁中排泄的含顺磁性金属离子的螯合物，同时具备肝细胞特异性和细胞外对比剂的性质，可提供肝动脉、肝静脉、肝门脉及肝胆期四期现象。该类对比剂主要通过肝细胞特异性有机阴离子转运蛋白（OATPs）摄取，能缩短组织的T1值，使得有功能的肝细胞在T1WI上显著强化，无肝细胞功能或转运蛋白功能减弱、缺失的癌前病变/恶性肿瘤呈现肝胆期低信号[22-23]。由此，该对比剂对于肝脏肿瘤的早期检出及鉴别、HCC表征分型以及肝转移瘤的早期检出有较大价值[23-24]。肝细胞特异性对比剂的制备已具有二十多年的历史，目前最常用于临床的包括钆塞酸二钠（Gd-EOBDTPA，普美显）、钆贝葡胺（Gd-BOTPA，莫迪斯）[25]。

Gd-EOB-DTPA、Gd-BOTPA均属于钆螯合MRI对比剂，通过肝细胞OATPs摄取，通过多药耐药相关蛋白转运体（MRP2）经胆道排泄。据研究报道该类对比剂经胆道肾脏双重排泄，约有50%的Gd-EOB-DTPA经胆道排泄，远高于Gd-BOTPA，因此Gd-EOB-DTPA在肝胆疾病的应用中更加广泛[23，25-26]。除了钆螯合物外，含锰的肝特异性MRI对比剂锰福地匹三钠（Mn-DPDP，泰乃影）也被应用，该对比剂在缓慢输注后被肝细胞摄取，使肝实质明显强化，但其并不适用于动态显像[23]。

肝细胞特异性对比剂对于肝肿瘤的早期诊断，尤其是早期小病灶诊断较敏感；有助于鉴别边缘性肝结节，如局灶性结节增生（FNH）、肝硬化相关再生结节或发育不良结节、早期HCC。但该类对比剂也存在一些缺点：（1）与常规的细胞外对比剂相比，其动脉期强化效果较差；（2）容易在动脉期产生伪影；（3）对肝实质本身功能有要求，若伴随肝功能退变或纤维化，肝细胞表面OATPs减少，肝实质对其摄取减少，从而可能降低病变的检出敏感性及诊断准确性[23]。

1.3 网状内皮系统特异性对比剂 正常肝组织存在大量属网状内皮系统的单核巨噬细胞（Kupffer细胞），主要功能是识别、吞噬清除血液中粒径＞200 nm的颗粒，而肝肿瘤中缺乏网状内皮系统及Kupffer细胞，因此粒径＞200 nm的MRI对比剂选择性分布在正常肝组织。

目前最常见的网状内皮系统特异性对比剂主要有超顺磁氧化铁（SPIO）颗粒，其一般由纳米氧化铁晶体核与稳定的生物相容性材料组成，以改善溶解性及耐受性。该类对比剂的直径分布在30～5 000 nm，能被巨噬细胞吞噬，尤其是肝窦周围的Kupffer细胞。正常肝组织摄取SPIO颗粒后会产生“黑肝”效应，而肿瘤组织很少或几乎不摄取SPIO颗粒，由此呈现为高信号，从而提高了肝内病灶检出率[27-28]。

近年来对合成基于SPIO的纳米分子探针作为MRI对比剂的研究进展广受关注，也有不少研究制备了SPIO相关纳米粒并证明了其在细胞层面及体内成像的作用[29-30]。该类对比剂特点是对网状内皮系统具被动靶向作用，增加正常肝实质与病灶间的对比度，从而提高肝脏疾病及肿瘤检出率。但SPIO的应用有一定的缺陷：（1）如前所述较多的HCC患者伴肝硬化背景，其肝内铁沉积会对其强化效果有一定影响；（2）有研究认为SPIO存在剂量相关的细胞毒性[31-32]；（3）对于部分遗存少量Kupffer细胞病灶的成像效果不佳[33]。

1.4 血管内或血池对比剂 超小顺磁性氧化铁纳米粒（USPIO）是一种以氧化铁晶体核包裹左旋糖酐或葡萄糖所形成的纳米粒，其直径一般＜20 nm，不同于会被网状内皮系统快速吞噬的SPIO，USPIO可以逃避巨噬细胞的捕获，表现出相当长的血液循环时间，因此被称为血管内或血池对比剂[27，34]。USPIO除了能缩短T2弛豫时间外，还能影响T1弛豫时间，因此可以在T1WI上增强背景肝实质信号，在T2WI时降低背景肝实质的信号，即USPIO既是T2对比剂，也是T1对比剂。由于USPIO最终被淋巴结和骨髓中的吞噬细胞消除，因此也有研究报道了利用USPIOs增强MRI对前列腺癌淋巴结的术前评估分期[35]。

2 肝脏MRI对比剂分子影像学发展及方向

随着分子影像学的探究发展，制备安全高效、肿瘤靶向的MRI对比剂，利用对细胞表面分子的特异性识别，在分子水平实现可视化的研究逐渐广泛。肿瘤分子水平的研究发展指示肝细胞、肝脏肿瘤细胞表面的一些过表达受体在肿瘤细胞代谢及生长增殖中起重要作用。设想研发经特异性抗体或配体修饰的MRI对比剂，通过与受体的配合反应，使MRI对比剂在进入体内后实现主动靶向肿瘤靶组织并特异性结合的目的，有望明显提升成像效果，减少全身不良反应，提高MRI对肝脏肿瘤的早期检出及诊断准确率。

2.1 肝细胞受体MRI对比剂 肝细胞具有多样性，其细胞膜上存在各种转运通道及转运受体，最常见并且研究较多的是去唾液酸糖蛋白受体（ASGPR）[36]。ASGPR单一存在于肝细胞表面，在肝细胞糖蛋白代谢中发挥作用，其可以识别无唾液酸基胎球蛋白或阿拉伯半乳聚糖等配体并特异性结合，使对比剂在肝细胞中的靶向传递，故可被称为肝细胞受体对比剂。有不少研究报道了应用半乳聚糖与肝ASGPR受配体反应，制备含成像对比剂的纳米颗粒，以鉴别正常肝组织与肿瘤组织[37-38]。

2.2 肿瘤细胞受体MRI对比剂 按照功能将肿瘤表面过表达的受体主要分为代谢性受体和营养性受体，这些过表达受体在正常组织中近少量表达或不表达。

2.2.1 代谢性受体特异性MRI对比剂 代谢性受体包括受体酪氨酸激酶超家族，如叶酸受体（FA）、表皮生长因子受体（EGFR）、人类表皮生长因子受体（HER-2），以及其他一些激素类受体[39-40]。将这些受体的配体或其类似物直接与钆螯合物链接，或与含对比剂载体的表面间接连接，能增强钆螯合物或载体的靶向性，有望制备肝脏肿瘤靶向的MRI对比剂。以叶酸受体系统为例，叶酸是新细胞产生与代谢维持的必需物质，与合成DNA碱基合成相关，在细胞快速分裂与生长时期或细胞异常增殖时显得十分重要；而叶酸受体是一种高亲和性、糖基磷脂酰肌醇锚定的叶酸结合蛋白，在各类肿瘤细胞中明显过表达。有研究者针对HER-2将Gd-DOTA与曲妥珠单抗偶联于含金纳米粒，制备一种能在CT及MRI中成像的新型对比剂[40]。另有研究报道基于叶酸受体靶向成像与治疗的发展，揭示了其携带的化疗药物、寡核苷酸、MRI对比剂的靶向治疗以及靶向成像的发展[41-42]。

2.2.2 营养性受体特异性MRI对比剂 营养性受体包括葡萄糖受体（GR）、转铁蛋白受体（TfR）、低脂蛋白受体（LDLR）等，将这些受体的配体或其类似物直接与钆螯合物链接，或与含对比剂载体的表面间接连接，亦有望制备得到肝脏肿瘤靶向的MRI对比剂。转铁蛋白TfR是铁稳态的重要组成部分，能与细胞外结合了Fe3+的转铁蛋白Tf结合，形成Fe3+-Tf-TfR被内吞入细胞，转运入细胞的Fe3+主要储存在铁蛋白中，脱铁的Tf-TfR再回游到细胞膜解离，开始新的循环，以上由Tf-TfR介导的内吞作用是细胞内铁的主要转运途径。由于肿瘤细胞包括肝脏肿瘤细胞的快速增殖，对铁的高需求，其细胞表面TfR高表达，以此作为靶向受体的MRI对比剂，有望明显提高对比剂肝脏肿瘤靶向性，增强成像效果。已有文献报道关于TfR作为靶点的MRI成像、MRI诊疗一体化的研究，将Tf与SPIO、钆螯合物等连接，证明所制备新型MRI对比剂的诊断、诊疗能力[42-44]。

2.3 肿瘤血管受体MRI对比剂 实体肿瘤营养物质获取方式从早期直接在周围环境中摄取改变为后期从主要供给血管中获取，可见肿瘤新生血管在其获取营养、快速增殖甚至远处转移中的重要作用。研究表明，肿瘤血管内存在某些高表达受体能刺激肿瘤血管内皮细胞增殖，诱导肿瘤新生血管形成，如血小板衍生生长因子受体（PDGFR）、血管内皮生长因子受体（VEGFR）、整合素、E-选择素、酪氨酸激酶受体（Tie-2）。由此，利用生长因子拮抗及相关受体阻滞成为了肿瘤靶向研究热点，而针对这些受体作为靶点进行MRI成像的研究也不乏报道。已有研究者针对VEGFR制备结合聚赖氨酸与氧化铁，合成了新型纳米分子探针，在动物磁共振成像中验证了该探针的早期诊断作用[45]。

2.4 MRI报告基因相关特异性对比剂 MRI报告基因成像是将报告基因转染到细胞，通过其在细胞内的持续表达以及后续对聚集铁和其他介质的效应，是细胞产生明显的信号改变。目前应用于MRI成像的报告基因有酪氨酸酶基因（TYR）、β-半乳糖苷酶基因（LacZ）；转铁蛋白受体基因（TfR）及铁蛋白基因（Fth）等[7，11]。以目前研究中应用较多的铁蛋白报告基因为例，不同于所述的其他几种基因，该基因成像不用依赖于外源性对比剂。铁蛋白是机体内铁蓄积的重要形式，其在体内表达可以导致细胞内的Fe3+浓度下降，从而引起细胞增强对细胞外铁离子的摄取，而储存在铁蛋白的铁将变成具有超顺磁性的氧化铁颗粒，以此缩短T2弛豫时间，降低T2信号。与基于纳米离子的技术（如SPIOs）不同，铁蛋白报告基因不会因为细胞分裂被稀释，而导致成像敏感性的改变[11]。研究报道了利用铁蛋白基因表达进行MRI检查，显示了铁蛋白基因表达后T2时间缩短的现象[46]。另外，报告基因还可以通过赋予启动子来进一步调控基因在靶向组织表达，如给予甲胎蛋白（AFP）作为启动子，使期其在AFP表达阳性肝细胞中特异性启动后续报告基因表达，以提高MRI成像的精准性。

3 总结

通过应用MRI对比剂，肝脏病变的检出率及诊断准确性、可靠性得以明显提升，如肝细胞特异性和网状内皮系统特异性MRI对比剂有助于肝内病灶的早期检出。而肿瘤靶向研究随着其分子水平的深入探究也呈现出新的、多样化的研究方向。在已有MRI对比剂基础上，设想新型的具备肝脏肿瘤靶向性的分子影像探针是目前乃至未来研究的热点，相信这些新型成像对比剂有望进一步提高MRI在肝脏疾病的早期检测、诊断、可视化诊疗的作用。

（本文由浙江省医学会推荐）