19F-MRI纳米探针设计及其肿瘤诊疗应用

李晨珑，李亚楠，常俊，周慧敏，张辉

癌症发病率及死亡率逐年上升，并很有可能在2060年跃居为人类第一大死因[1]。传统的癌症诊疗方法存在敏感性低、特异性差和时效性弱等缺点，因此亟需开发高效的肿瘤诊疗手段。从分子水平对肿瘤细胞进行早期检测及干预是实现癌症超前诊疗的有效策略。基于MRI的分子成像技术利用MRI的空间及组织分辨率高的优势，可在细胞及亚细胞水平对肿瘤进行无创性分子显像，可为癌症早期诊断提供精确的解剖及生理信息。

分子探针系统是实现分子成像的必要前提，应满足有效的信号放大、合适的药代动力学、优秀的靶向富集能力、良好的生物相容性及生物降解性等性能要求。为实现高质量诊断，常需使用较大剂量对比剂，但会带来潜在毒性风险等问题。已有研究表明，钆离子螯合物易在脑部沉积并可造成肾源性系统性纤维化[1]。因此，降低背景噪声并减少对比剂用量是提高信噪比和成像质量的有效策略。传统1H-MRI的信号来源于质子，在生物体内具有很强的背景信号干扰[3]。与之相比，19F原子核具有7个外层电子，可产生1/2的自旋比和接近于1H的磁旋比，具有100%自然丰度、高达83%的敏感度及89%的信噪比[4]，可对病灶进行无背景显像[5]；19F产生的化学位移对局部晶格环境敏感性高于1H，有利于制备刺激响应型纳米探针[6]；19F含量与MRI信号强度间存在一定线性关系，可进行定量检测；除此，19F具有与1H相近的拉莫尔共振频率，稍加修改后的1H-MRI硬件可用于19F-MRI[7]。这些优势使19F-MRI成为理想的分子成像方法，并在大量临床前研究中得到验证。此外，美国食品药品监督管理局已批准部分较高含氟化物的临床试验[8]。

尽管优势明显，但大多数19F-MRI探针仍存在水溶性低、靶向性差、低氟原子负载及高网状内皮系统清除率等问题。纳米技术为解决这些缺陷提供了有效策略。通过设计纳米载药系统并控制其大小形貌和表面修饰，可高效负载探针并将其输送至靶点，同时延长血液循环时间、增强生物相容性、克服耐药性、降低免疫原性和毒性[9]。多样化纳米平台的发展使得兼具成像及治疗功能的复合探针开发成为可能。

本文从19F-MRI纳米探针设计出发，概述作为“理想化”纳米探针应具备成像灵敏性、靶向特异性、刺激响应性及治疗有效性等特性，全面介绍19F纳米探针在MRI介导的肿瘤靶向诊疗中的应用进展(图1)[6]，讨论此多功能纳米探针的研究和应用中所面临的挑战，为进一步优化探针设计、早日实现临床转化奠定基础。

图1 19F MRI纳米探针在生物学和疾病诊疗中的应用示意图[6]。

19FMRI纳米探针制备及分类

19F-MRI纳米探针需将外源性含氟化合物作为探针的信号组件，通过转运体与靶向组件相连接，并且由于19F-MRI信号强度与探针稳定性及载氟量间存在线性关系，需对探针结构进一步优化，以提高图像信噪比并进行量化分析。含氟化合物具有非极性、高表面张力、疏水性、疏脂性和高惰性等特性，这种氟效应可促进氟原子间的相互作用而抑制氟原子与其它原子的结合，导致常温下含氟化合物难以与有机溶剂、水以及离子液体相容[10]，将其制成生物相容性纳米制剂，可增强稳定性及生物负载[11]。为提高载氟量，常用方法是制备氟化聚合物或聚合氟化单体[7]，或将氟化单体聚集形成具有特定结构和功能的自组装纳米颗粒[12]。近年来，多种19F-MRI纳米探针相继被研发，其中以全氟化碳类的应用最为广泛，表1汇总了目前广泛使用的19F纳米探针的分子类型及特点。

表1 19F-MRI纳米探针的分子类型及主要特点

19FMRI纳米探针的理想特性

19F MRI诊疗纳米探针应具备足够氟原子含量以提高信噪比、表现出单一核磁共振谱线和尖锐单峰以提高检测敏感度，具备短T1、长T2弛豫时间以提高图像分辨率，同时具备良好的生物相容性[16-17]。

纳米药物递送系统的发展丰富了抗癌途径。已形成诸如脂质体、聚合物纳米颗粒、树枝状大分子及无机载体等纳米载药平台，靶向运输活性药物以延长体内循环时间、增加稳定性及避免耐药性。明确的靶向性有利于提高诊疗效率并减少副作用，可利用增强渗透保留效应通过肿瘤周围渗漏血管被动靶向到肿瘤部位[22]，也可通过偶联主动靶向分子(例如抗体、特定配体)与肿瘤细胞特异结合[23]。

刺激响应性是利用外部环境变化或物理刺激，引起探针分子构象的改变，从而释放成像或治疗组分[24]，形成“开-关”式智能响应探针。这将大大增加肿瘤成像灵敏度和抗肿瘤药物稳定性、减少用药量、降低毒副作用及改善耐药性。

此外，制备多功能纳米探针还需考虑生产工艺、材料稳定性、生物相容性、产物降解及潜在毒性等问题。综合考虑以上特性，近年来已有大量19F-MRI纳米探针被开发并在肿瘤诊疗中发挥重要作用。

19F-MRI纳米探针在肿瘤靶向诊疗中的应用

在用于肿瘤诊疗的19F-MRI纳米探针中，聚合物结构性能可控且形式多样，成为临床研究的理想载体；无机纳米材料在光、声、热、电和磁等方面具有独特理化性质，可制成多模探针并改善探针稳定性及生物相容性。目前，19F-MRI纳米探针应用领域主要为肿瘤成像、细胞示踪、药物传递、疗效监测等，直接或间接地实现肿瘤诊疗。下面重点分析基于不同载体19F-MRI纳米探针设计及其肿瘤诊疗应用。

1.脂质纳米乳剂

PFC和PFPE的疏水性、药代动力学差及降解速率低等原因限制了其作为体内试剂的应用，脂质体作为一种封闭磷脂双层系统，具有包封亲水和疏水性物质的能力，同时具备良好的生物相容性及生物降解性[25]。

图2 典型核-壳结构纳米胶束示意图。 图3 树枝状大分子结构纳米颗粒示意图[29]。

目前常见的19F-MRI探针大多是利用脂质体外壳包覆PFC形成的纳米乳剂，其表面可偶联靶向抗体且内部可输送一定量疏水性药物。O'Hanlon等[26]制备了一种PFPE纳米乳剂，由PFPE-乙酰胺、脂质体、烃类油、表面活性剂和近红外染料组成，利用自组装和高能乳化方法制得，具有双重成像及载药能力。

另外，将脂质体进行氟化标记，有利于提高探针溶解性并降低潜在毒性。Ren等[27]开发了一种非封装温度敏感氟化脂质体，同时满足19F-MRI和荧光成像两种诊断要求，该脂质体具有良好的生物相容性和可逆的温度响应性(42℃时打开)，通过局部加热可增加肿瘤细胞对脂质体的吸收，并且在脂质体空核内可携带其他亲水性功能物质，如抗癌药等。

进一步，19F-MRI作为一种非侵入性成像方法，可通过评估细胞的生物学行为为肿瘤细胞疗法的过程监测提供重要帮助。Eric等[28]使用PFC纳米乳剂将培养中的免疫治疗性树突状细胞进行标记并经内皮注射转入大肠腺癌患者体内，定量监测19F-MRI中无背景信号的“热点”图像，实现“活体细胞计数”。这将及时有效地反馈临床治疗过程，增强肿瘤细胞疗法的疗效评估和安全监测。

2.聚合物胶束

聚合物胶束是由两亲嵌段共聚物在水溶液中自组装形成的核-壳结构超分子纳米颗粒(图2)[29]，其优点为形貌尺寸、稳定性、药物负载率及释放率等特性可控，并可引入智能模块(如精准靶向性、环境敏感性等)，从而可实现个性化诊疗。

Hill等[30]制备了一种蛋白质嵌段共聚物——氟化热响应组装蛋白(F-TRAP)，当浓度和温度升高时可组装成纳米胶束，注射F-TRAP后短时间内即可在人乳腺癌小鼠异种移植模型中使用19F-MRI检测到其信号。这种氟化胶束还可封装小分子化疗药物阿霉素(DOX)，由于热响应蛋白固有的温度响应性而实现药物智能释放，并可检测F-TRAP胶束在特定器官的定位和浓度。具有较强的19F信号且保持探针分子良好的水分散性及生物相容性是阻碍19F-MRI探针发展的难题。Hu等[31]开发了一种简易策略制备多功能19F-MRI纳米探针，将疏水性纳米粒子封装到由1H、1H、2H、2H-全氟癸基三乙氧基硅烷和油胺官能化聚琥珀酰亚胺组成的杂化聚合物胶束中，该聚合物胶束具备良好的溶解度、分子迁移率和高19F原子数，可产生单一磁共振谱线及尖锐单峰，且具有出色的光热转换效率，是MRI引导光热治疗的潜在多功能制剂。

最近，Tang等[32]设计合成了一种由含氟双亲共聚物及近红外吲哚菁绿(ICG)分子自组装形成的级联多响应型19F-MRI纳米探针(1-ICG)。此探针在初始状态时由于自旋-自旋弛豫和分子迁移率的限制处于“猝灭”状态，当暴露于肿瘤微环境时诱发氧化还原，二硫键断裂引起纳米粒子分解，19F信号初步激活。进一步吸收近红外光导致含ICG结构的纳米粒子二次分解为水溶性小分子，使得19F信号倍增。同时，ICG优良的光热转换性能诱发肿瘤微环境温度升高和病灶消融。在荷有人肝癌细胞(HepG2)的裸鼠移植瘤实验中，经尾静脉注射1-ICG纳米粒子并进行808nm激光照射，3周内肿瘤基本消除。此设计思路和材料体系为肿瘤精确诊疗提供重要参考。

进一步，Jamgotchian等[33]设计合成了由全氟化疏水核及聚乙二醇亲水表面基团组成的两亲性隐形胶束，该胶束对超氟化19F-MRI探针表现出优异的包封和增溶性能，在荷瘤小鼠体内具有延长的循环时间及特异的肿瘤靶向性，且该纳米胶束化技术可广泛适用于其它氟化功能分子(如氟化药物等)，表现出高效的肿瘤诊疗潜力。

3.树枝状大分子

树枝状大分子是类似球形且对称的重复结构(图3)[29]，对称的树突分支从中心核向外延伸，其外部可与多种分子结合进行表面改性，内部可通过共价或非共价键携带不同种类药物。

利用19F-MRI技术追踪药物有利于增强诊断、优化治疗及评估疗效。Bartusik-Aebisher等[34]将曲妥珠单抗与氟化树枝状大分子共价连接，形成曲妥珠单抗-树枝状大分子-氟药物递送系统，靶向乳腺癌细胞上的人表皮生长因子受体-2(Her-2)，通过19F-MRI检测出该系统在肿瘤部位的特异性累积，在Her-2过表达的人乳腺癌细胞(MCF-7)中表现出更佳的治疗效果。Jason等[35]开发了一种具有荧光成像、19F-MRI及光动力疗法的多功能氟化卟啉树枝状大分子(F-PP)，这种树状大分子结构可消除卟啉和碳氟化合物的强聚集，避免荧光和19F-MRI间的信号猝灭，提高PDT的治疗效果，将这种树枝状大分子作为“附加模块”通过自组装添加到装载有DOX的脂质双层上。这种双模成像方式优势互补，提供了精确生动的药物输送系统图像，并在小鼠异种移植瘤模型中表现出更佳的双重治疗效果，明显改善小鼠整体存活率。

4.聚合物纳米颗粒

基于聚合物的纳米颗粒是一种呈线性、支链或球形且大小严格可控的结构，有利于将治疗剂固定或封装在聚合物基质内部，或者吸附结合到其表面，还可通过表面修饰获得靶向能力。

目前，聚乳酸-羟基乙酸共聚物是有效且可降解的纳米颗粒之一。Li等[36]利用该纳米颗粒封装PFC和吲哚菁绿用于体内19F-MRI、荧光和光声三模态成像，该纳米颗粒具有高对比度及高空间分辨率，可在三模成像引导下进行肿瘤光热消融，表面包裹A549(人非小细胞肺癌细胞)的细胞膜使其具有其同源靶向能力，形成多模态诊疗探针可明显抑制荷瘤小鼠的肿瘤生长。

最近一项研究中，Xu等[37]在兔VX-2原位肺癌模型中，通过气管内注射含氟靶向纳米粒子αvβ3-PFC，并利用19F-MRI实现了对纳米颗粒的分布监测及新生肿瘤血管的定量评估，这将为肺癌临床诊疗研究提供依据。

鉴于药物控释系统在改善药效及药代动力学方面的优良作用，Kolouchova等[38]设计合成了一种基于N-(2,2-二氟乙基)丙烯酰胺(DFEA)的热/活性氧自由基(ROS)双响应的双嵌段共聚物，其中热响应性使共聚物在加热条件下形成纳米颗粒进行药物封装，ROS响应促使纳米颗粒在肿瘤微环境中发生氧化还原反应而分解，DFEA提供丰富的氟信号用于19F-MRI可视化监测的癌症诊疗。

5.离子聚合物纳米颗粒

Nafion是第一个具有离子特性的氟化聚合物，它开创了一种全新的聚合物形式，称为离聚物[39]。Szczech等[40]采用饱和法将聚电解质Nafion逐层沉积在纳米乳滴上，进行表面聚乙二醇(PEG)修饰后，得到一种新型的纳米体系，通过19F-MRI证明该体系不仅具有较高的信噪比，还具有增强的靶向性和药物递送率。

6.无机纳米颗粒

无机纳米材料具有合成简便、易于功能化、优良的光学和磁学性质、高稳定性等优势，可依赖其物理特性进行联合治疗(光热及磁热癌细胞消融)，还可携带一定药物分子，如小分子化疗药物、核酸及生物药物。

介孔二氧化硅纳米颗粒(MSNs)具有比表面积大、孔径可调和易于功能化等优势。Nakamura等[41]开发了一种新型19F-MRI对比剂，由PFC核和二氧化硅壳组成，通过表面PEG修饰后可被动递送至肿瘤部位，并经19F MRI证实其靶向性及体内肿瘤成像能力。为了更有效地进行药物输送和监控，该团队设计合成了一种具有双重成像功能(近红外荧光成像和19F-MRI)及主动靶向性的载药探针，将DOX装载到叶酸功能化的MSNs孔中，在叶酸受体过表达的肿瘤细胞中，纳米探针表现出明显的细胞摄取和药物释放能力。结果表明，MSNs可作为利用19F-MRI进行药物示踪的有效载体，且有望在不久的将来应用于癌症生物成像和靶向治疗中[42]。

硅纳米功能材料具有高丰度、低成本、低毒性及生物相容性良好等优点。尤其是荧光硅纳米粒子具有稳定的强荧光特性，这为光学成像结合MRI以实现敏感度、特异度和时空分辨率高的疾病诊断提供材料基础。Li等[43]制备水分散性良好且生物相容的氟化硅纳米粒子(19FSiNPs)标记癌细胞进行双模态成像(19F-MRI及荧光成像)，显著提高了大鼠非小细胞肺癌的图像对比度和诊断准确性。

金纳米颗粒可吸收和散射光，并将光能转化为热能，不仅具有良好的稳定性和生物相容性，还可利用表面化学作用输送药物[44]。Cui等[45]报道了由19F基团接枝的Cu7S4金纳米颗粒，大大提高了光热转换效率及成像敏感度，同时减少正常组织损伤，形成的多功能探针在CT/MRI双模态成像引导下可用于深部肿瘤光热消融。

Guo等[46]报道了一种被钆或放射性核素标记的氟化钯纳米片，这种纳米材料通过PEG修饰，表现出超小尺寸、良好分散性及超高19F-MRI信号。该pH响应纳米探针靶向富集在肿瘤部位，并在多模态成像(SPECT/MRI/光声成像)的精确引导下，实现了更好的光热/放疗协同治疗。

结论与展望

随着精准医学和个性化医疗的不断发展，用于肿瘤诊疗的纳米探针越来越受到人们的关注，经优化筛选，将各种功能组件有机协同地整合到同一纳米体系中，将会起到“1+1>2”的效果，其中基于19F MRI的纳米探针由于“无背景”的独特优势展现出精准的显像能力。设计合成基于19F的结构功能多样化纳米探针，已在分子显像、细胞示踪、肿瘤成像、光热治疗、辅助放化疗及药物递释等领域发挥了重要作用。但大多停留在临床前研究阶段，仍有诸多挑战阻碍纳米探针的临床转化，例如局部深层肿瘤组织成像灵敏度低，需在等效19F原子核负载下进一步提升探针弛豫性能；奥斯瓦尔德熟化导致部分纳米探针结构不稳定，限制其肿瘤富集及应用储备；此外，含氟探针的体内滞留及其分解代谢过程中的潜在毒性仍需深入探索和清晰揭示。协同组合单一模块有利于加强各自功能，形成集多重响应、多模态成像及多峰治疗于一体的纳米平台，但需不断优化纳米复合物的结构设计和功能组合。相信在不久的将来，随着纳米医学的不断发展，基于19F-MRI的纳米探针将会为实现癌症早期诊断、靶向治疗及精准诊疗发挥更大的作用。