纳米级造影剂在肿瘤影像学诊疗中的基础应用进展

朱小琪， 刘军杰, 李红学， 周知展

广西医科大学附属肿瘤医院 超声科， 广西 南宁 530021

随着纳米技术的发展，纳米材料在医学领域的应用也来越广泛，纳米平台有可能为肿瘤的早期诊断提供更准确高效、实时可靠的成像[1]。相比传统造影剂，纳米级造影剂在体外和动物疾病模型中表现出更高的信号强度、良好的靶向能力和更长的循环时间，特别是在肿瘤的诊断和治疗上[2]。本文主要综述了近几年纳米级造影剂应用于CT、 MRI、US、PET和SPECT等成像技术中，其在肿瘤影像学诊断及治疗上的基础应用进展，同时探讨纳米级造影剂的发展前景和存在的问题。

1 纳米级造影剂的材料及制备方法

可用于合成纳米粒子的材料有很多，如脂质体、树状大分子、胶束、富勒烯、碳纳米管、量子点，以及二氧化硅、稀有金属等[3]，还可直接利用一些天然的纳米粒子，如脂蛋白、病毒和铁蛋白，其具有可精确定义尺寸大小、潜在的非免疫源性和可降解性等优点[4, 5]。纳米级造影剂的制备方法主要有：选择性蚀刻法[6]、薄膜水化法[7]、冷冻干燥法[8]、机械振荡法[9]、喷雾干燥法[10]、超声乳化法[11]等，Turkevich法[12]是合成金纳米粒子最简单实用的方法。可通过静电吸附[13]、共价偶联[14]、生物素-亲和素结合[15]、马来酰亚胺硫醇反应[16]等方法将靶向物质连接在纳米粒子表面，以增加其靶向性和功能多样性，还可以使用聚乙二醇、磷脂和葡聚糖、肽类等涂层材料，赋予纳米粒子表面涂层，使其具有生物相容性、长循环时间、低毒性和低剂量调理作用[5, 17]。

2 纳米级造影剂成像相关机制

纳米级造影剂所具有的主动靶向、被动靶向及增强渗透和滞留(EPR)效应等特点，为肿瘤的诊断和治疗提供了新思路。主动靶向是指造影剂通过偶联或吸附与靶点特异性结合，在目标位置主动聚集和滞留，以提高造影剂的定位，而被动靶向是指造影剂通过机体自身免疫系统，在调理素的协同作用下被某些细胞或组织吞噬或吸附，到达靶器官或组织进行特异性分子成像的过程，其影响因素主要有纳米粒子的粒径大小、表面电荷及疏水性等。EPR效应与被动靶向相关，纳米粒子可从肿瘤血管渗漏扩散到血管外，在瘤周组织聚集，使肿瘤局部造影剂浓度相对增加[18]。增强渗透和滞留的效果取决于纳米粒子的性质、肿瘤异质性及其血管的性质和分布状况[19, 20]。

此外，纳米粒子的大小与造影剂的生物分布、血液循环半衰期、细胞摄取、肿瘤穿透性和靶向性密切相关[21]。直径小于10 nm的纳米粒子会被肾脏迅速清除，直径10～100 nm间的纳米粒子具有良好的药物代谢动力学，在长时间循环后积聚在肿瘤部位且不易被肾脏清除，最适合应用于体内[22]，而大于100 nm的纳米粒子则易被巨噬细胞识别，并在具有单核巨噬细胞系统的器官，如淋巴结、肝、脾和肺中蓄积[23, 24]。直径小于780 nm的纳米粒子可以穿过肿瘤血管内皮间隙(380～780 nm)到达血管外，渗透到肿瘤组织，且能穿过肿瘤基质屏障[25]。纳米粒子进入细胞的吸收率与其形状也有很大关系，有研究表明，棒状粒子的吸收率高于其他形状的纳米粒子[17]。除粒径外，纳米粒子的表面性质对内皮网状系统对造影剂的吸收也有重要影响，亲水表面和中性表面一般不容易被其识别吸附[26]。

3 纳米级造影剂theranostic平台

theranostic平台旨在设计集诊断和治疗为一体的纳米粒子，其主要机制是EPR效应。在造影剂的表面同时连上靶向物和药物，当造影剂在主动靶向作用下进入肿瘤组织后，其上携带的药物在一定条件下释放出来，可达到治疗的目的[27]。Chiang等[28]研究的集核磁共振成像(MRI)和化疗为一体的叶酸修饰的超顺磁性氧化铁-阿霉素负载的纳米凝胶聚合体，其肿瘤靶向性、高磁相关性及细胞摄取显著促进了靶向癌细胞的MRI成像，成像效果优于商用的基于超顺磁性氧化铁纳米粒子(SPION)的T2造影剂Resovist。李正林等[29]开发了一种用于多模态成像、刺激响应型给药和协同化学光热联合治疗的牛血清白蛋白修饰的多孔铋“纳米树莓”载体，将阿霉素装载到载体中，由激光和酸性pH响应触发，进行可控的药物释放，肿瘤抑制效率显著高于单一化疗,且未见明显的毒副反应，同时实现了肿瘤高对比度的红外热、CT和光声三模态成像。theranostic纳米粒子可实时监测给药量和药物不良反应，评估药物给药效率和肿瘤内药物的分布情况，对实现肿瘤患者个体化精准治疗有重要意义[27]。

4 纳米级造影剂在MRI成像中的应用

4.1 MRI成像特点

MRI具有无创性、高空间分辨率、非电离辐射、软组织成像良好等特点[30]。MRI造影剂根据作用原理可分为纵向弛豫(T1)造影剂和横向弛豫(T2)造影剂。T1造影剂通常是顺磁性材料，可以缩短T1弛豫时间，在T1加权图像上产生明亮的“正”对比。T2造影剂一般是超顺磁性材料，可以缩短T2弛豫时间，从而在T2加权图像上产生暗的“负”对比[2, 31]。 T1造影剂粒径越小，成像效果越好，而T2造影剂则是粒径越大，成像效果越好[32]。

4.2 结构和组成特征

纳米级MRI造影剂常见的结构设计一般有以下几种：带表面修饰的磁性纳米粒子、核-壳结构、矢量结构及混合结构[2]。带表面修饰的磁性纳米粒子是最基本简单的结构，例如超顺磁性纳米氧化铁[33]。核-壳结构是用有机或无机材料合成壳，磁性材料作为核，能在一定程度上控制纳米粒子的大小和负载的磁性材料的量，降低毒性，延长血液循环时间，增加造影剂的稳定性[34]。矢量结构可使纳米粒子具有多种成像功能。混合结构将多种结构的优点相结合，提高成像能力。

4.3 在肿瘤诊断中的应用进展

钆类是目前最常见的T1造影剂，由于游离Gd3+具有毒性，主要以钆螯合物的形式存在或者表面偶联。Cao等[35]采用聚丙烯酰胺修饰的聚氨基胺作为纳米球状结构的核心，并在侧链上通过二硫键与钆螯合物连接，然后与叶酸部分偶联，最后自组装成具有生物降解性和靶向性的PAMAM-PG-g-s-s-DOTA(Gd)+FA纳米球状大分子MRI造影剂，静脉注射至荷瘤小鼠体内，实验结果显示，该造影剂在肿瘤成像中具有良好对比效果和生物安全性。

以氧化铁为基础的造影剂一般是T2造影剂。Xiong等[36]通过聚乙二醇-d-氨基葡萄糖修饰磁性氧化铁，制备了Fe3O4@OA@PLA-PEG-DG纳米粒子，然后被动靶向肿瘤细胞，这些功能性磁性纳米粒子在体内外均表现出良好的生物相容性、稳定性和高靶向性。Gao等[37]提出了一种新型纳米级造影剂——壳聚糖/Fe3O4包封双特异性抗体(BsAbCENS)，对癌胚抗原(CEA)和神经元特异性烯醇化酶(NSE)具有靶向性，该造影剂可提高肺癌诊断的敏感性和特异性，为疑似早期肺癌患者的肿瘤诊断提供了一种潜在的新方案。

锰基MRI造影剂也是常见的一类造影剂，具有缩短T1弛豫时间的功能。Li等[14]通过共价偶联反应引入氨基修饰的AS1411配体作为靶向分子，制备AS1411-PEG-MnO纳米探针，其成像效能和稳定性优于临床使用的造影剂Magnevist，且可以在体外MRI清晰持久地显示786-0肾癌细胞，经静脉注射的纳米级造影剂最终通过肾脏从体内清除。锰基MRI造影剂还可作为pH响应型造影剂，对弱酸性肿瘤微环境较为敏感[38]。此外，有研究发现，含氟纳米粒子也有作为MRI造影剂的潜能，例如全氟聚醚的超支化纳米粒子用于乳腺癌的体内特异性检测，具有很高的19F MRI灵敏度[39]。

5 纳米级造影剂在US成像中的应用

5.1 US成像特点

超声具有无创、实时成像、操作方便等优点。超声造影对区分病灶和周围正常组织显示出很好的效果，其安全性高，可产生丰富的谐频，具有一定的稳定性。目前，市面上常用的超声造影剂多为2.8 μm左右的微泡，只能进行血池成像，不能进行细胞摄取，由于其体积较大，循环寿命也相对较短[11]，纳米级造影剂被引入用于克服这些局限性，为了获得足够的声反射，大多数纳米级超声造影剂比MRI、CT所使用的粒子直径要大很多，一般在100～1000 nm左右[2]。

5.2 结构和组成特征

纳米级超声造影剂通常设计成壳-核结构，由3部分组成：内核、外壳、连接靶点的配体或抗体。内核主要是气态或液态的氟化合物，根据其形状结构和外壳材料可分为纳米微泡、纳米胶束、纳米乳剂、纳米胶囊、纳米颗粒、纳米囊泡等[40]。外壳表面可与特异性受体的配体或针对特定抗原的抗体连接(多肽、转铁蛋白、叶酸等)，使纳米级造影剂具有靶向性，达到分子特异性成像的目的。

5.3 在肿瘤诊断中的应用进展

在肿瘤方面的应用是靶向纳米级超声造影剂研究的主要方向，其依靠被动靶向和主动靶向机制，实现超声在分子水平更加实时精准的成像。大致可分为基于肿瘤新生血管的靶向纳米级超声造影剂和基于肿瘤特异受体的靶向纳米级超声造影剂。以下举例：Chen等[41]开发了一种新型的包裹苯二甲蓝染料和全氟己烷的纳米粒子，与抗VEGFR -2抗体结合后靶向乳腺肿瘤的新生血管内皮细胞，用于体内PA/US双模成像。Hamano等[16]制备了使用Fc结合多肽结合抗CD146抗体修饰的纳米气泡(m146-NBs)，在荷瘤小鼠中采用对比谐波成像技术进行成像，在给药后1 min显示了强信号且造影图像维持20 min。此外，纳米级超声造影剂还能发挥靶向治疗作用，可携带化疗药物或靶向药物，在高强度聚焦超声介导下实现药物可控释放[42]。光热疗法是另一种新兴的肿瘤治疗方法，被应用于实体瘤的消融治疗[43]。

6 纳米级造影剂在CT成像中的应用

6.1 CT成像特点

CT密度分辨力高，可行密度量化分析，组织结构无重叠，显著提高了病灶的检出率。注射造影剂后，对比增强检查能将衰减系数相近的组织和病灶区分开。目前使用的CT造影剂主要以碘剂为主，但碘类造影剂只能进行非特异性血池成像，且在体内清除迅速，存在过敏反应和潜在的肾毒性。纳米级造影剂的有效载荷要比碘类造影剂高得多，并能增加X射线的吸收，意味着患者接触到的X射线剂量较少[26]。引入纳米级造影剂有望改变以上局限性，并在此基础上产生更广阔的作用。

6.2 结构和组成特征

CT纳米级造影剂可分为两类，基于碘的造影剂和基于金属的造影剂[2]。基于碘的造影剂一般为经典的核-壳结构，其外壳可以是有机或无机材料，核心是碘剂，例如脂质体包裹碘剂的纳米级造影剂[44]。基于金属的造影剂结构与MRI纳米级造影剂类似，可具有多种结构，稀有金属具有高X射线衰减系数，例如金、铋、钽、镧系等均可作为纳米级CT造影剂材料[45]。

6.3 在肿瘤诊断中的应用进展

将碘剂包裹于纳米材料中，不仅可以大大降低碘剂的细胞毒性，而且比传统的造影剂成像效果更佳。Zou等[46]将cRGD功能化的二硫代交联富碘聚合体(cRGD-XIPs)造影剂和碘己醇分别在以αvβ3过表达的B16黑色素瘤模型中进行瘤内注射和静脉注射，研究其在体内外CT成像效果。在分别进行瘤内注射和静脉注射4 h时，cRGD-XIPs对B16黑色素瘤CT成像的增强效果分别是碘己醇的46.5倍和24.0倍。Hu等[47]制备了一种空心的亚碳酸铋纳米管(BNTs)，用于进行肿瘤靶向成像，结果表明，BNTs对肿瘤细胞有高效的靶向性，造影效果良好，而且细长的纳米管可以在酸性的肿瘤微环境中分解成独立的小纳米团簇，加速了药物在肿瘤细胞的释放及在肾脏的排泄时间，极大减轻了铋类造影剂的毒副反应。金纳米粒子具有很强的生物相容性，能够通过EPR效应靶向肿瘤细胞，是CT成像中可以替代碘剂的最佳纳米级造影剂材料[26]。Kim等[48]利用前列腺特异性膜抗原(PSMA) RNA配体对金纳米粒子(GNPs)表面进行功能化，随后对前列腺癌细胞进行CT成像，PSMA 配体偶联的金纳米粒子和非靶向的金纳米粒子均显示出较高的CT值，PSMA 配体靶向的金纳米粒子比非靶向的粒子高出4倍的CT强度。有趣的是，Wang等[49]通过“旧药新技”的方法制备硫化铼(ReS2)纳米粒子，硫化铼原本是一种临床放疗增敏剂，生物安全性较高，且具有出色的光谱CT成像能力，有望成为胃肠道纳米级CT成像造影剂，并具有成为体内肿瘤theranostics平台的潜能。

7 纳米级造影剂在PET和SPECT成像中的应用

7.1 PET和SPECT成像特点

正电子发射断层扫描(PET)和单光子发射计算机断层扫描(SPECT)都属于放射性核素成像，其缺点是图像采集时间慢、空间分辨率低、暴露于电离辐射、缺乏解剖信息，因此，通常与MRI或CT等其他成像方式结合以提供解剖定位[50]。PET成像示踪剂需要半衰期较长的核素，临床常用的是18F，但由于制备和细胞摄取所需的时间，对于纳米级示踪剂来说这一半衰期仍太短，需要其他半衰期更长的核素来替代，如64Cu、131I等[2]，而SPECT成像中使用的放射性核素的半衰期最长，临床常用99Tc。

7.2 结构和组成特征

用于PET和SPECT成像的纳米粒子在结构上与MRI、CT、超声等其他医学成像方式所述的纳米粒子相似，因此，许多用于PET和SPECT成像示踪的纳米粒子，具有多模态成像的潜能。

7.3 在肿瘤诊断中的应用进展

PET和SPECT主要用于肿瘤成像示踪，纳米剂造影剂对肿瘤的成像可以通过主动靶向或EPR效应实现。Sun等[51]制备了一种131I标记、聚醚酰亚胺包埋金纳米颗粒，作为一种新型纳米探针(BmK CT-Au PENPs-131I)，该新型纳米探针X射线衰减系数、胶体稳定性、细胞相容性和放射化学稳定性等方面均有较好的表征，适用于肿瘤细胞体内外异种移植肿瘤模型的靶向SPECT/CT成像和放射性核素治疗。最近，Mojarrad等[52]合成了99mTc-(DOTA-NHS酯)-蛋氨酸放射化合物，并应用于SPECT/CT诊断乳腺癌，结果表明，99mTc -(DOTA-NHS酯)-蛋氨酸放射性化合物对人胚胎肾细胞293细胞系(HEK293)细胞毒性较低，使用蛋氨酸作为标记，细胞摄取率较高。因此，99mTc -(DOTA-NHS酯)-蛋氨酸放射化合物有可能成为用于乳腺癌早期诊断造影示踪剂的较好选择。此外，金纳米粒子可通过细胞摄取作为示踪剂，已被用于标记肿瘤细胞，以监测肿瘤细胞在X射线照射下的生长情况，其最具备多模态成像潜能[53]。

8 发展前景与存在的问题

随着纳米技术的发展，单一成像方式变得比以前更强大，而多模态成像和集诊断和治疗为一体的纳米theranostic平台将是未来的研究重点。大约有50种纳米药物已经被FDA批准[54]，以氧化铁纳米粒子作为代表的一些生物相容性好的纳米材料已经进入临床，进行单核巨噬细胞系统成像，特别是肝脏成像，更多的药物正处于早期开发或临床试验阶段[3]。

目前，纳米级造影剂仍处于研究阶段，依然存在一些问题：(1)制备技术仍不够成熟且缺乏统一性，虽然研究者们研究出很多种适合于制备纳米级造影剂的方法，但没有公认的可重复性强、可批量生产的成熟制备技术；(2)实现多功能性所需的复杂结构也是一个巨大的技术挑战，如胶体稳定性、实验过程的可控性和成本控制[30]；(3) 纳米级造影剂的制备材料生物安全性仍未知，虽然多数动物实验表明大多数纳米材料无或存在极低的生物毒性，但未经过临床试验应用于人体，仍需要进行长期的生物毒性评估；(4)尚未能确定最适于应用人体的纳米级造影剂的粒子直径、形状及剂量等；(5)集成像和治疗一体的纳米粒子如何协调其成像效能及载药量，也是需要考虑的问题。这些都是纳米级造影剂向临床转变所面临的挑战。但是，随着纳米技术和医学成像技术的不断发展，相信以上问题都会迎刃而解，纳米级造影剂在肿瘤早期诊断和个体化精准治疗中将发挥越来越重要的作用。