肿瘤微环境响应性MRI纳米探针研究进展

李 悦 童 彤

MRI是一种常用的肿瘤诊断成像技术，具有高组织分辨率、高空间分辨率、无辐射、无穿透深度限制等优势，然而其灵敏度欠佳。临床应用中通常使用含钆对比剂（gadolinium-based contrastagents，GBCAs）进行增强扫描以提高肿瘤组织与正常组织间的对比度，但其存在导致肾源性系统性纤维化及反复使用致钆在脑组织内沉积的风险［1-3］。常见的磁共振纳米探针多以铁、锰等金属化合物为核心，镧系螯合物等因化学交换饱和转移技术而具备了设计新型磁共振探针的潜力。部分研究也正在探究应用金属-有机框架、沸石等新型材料作为磁共振探针的潜在可能性。与GBCAs相比，响应性磁共振纳米探针不仅具有独特的理化特征、良好的生物相容性及提供功能化平台的优势，还可在特定刺激下智能开/关以达到原位成像、提高灵敏度及获得实时功能信息的目的。

肿瘤微环境（tumormicroenvironment，TME）被认为与肿瘤增殖、血管生成、侵袭、迁移、耐药性等密切相关［4-8］。TME与肿瘤细胞间存在着复杂的相互作用机制，对其进行无创成像可促进肿瘤机制的基础研究及改善临床治疗效果。目前肿瘤微环境响应性磁共振纳米探针主要包括pH响应、酶响应、氧化还原响应等，本文对常见类型响应性磁共振纳米探针在肿瘤诊治领域的研究现状进行阐述。

肿瘤微环境

肿瘤微环境指肿瘤细胞所处的内环境，包括间质细胞、微血管、细胞外基质、大量的分泌因子等。与正常组织相比，肿瘤微环境具有异常的生理生化特征，如胞外pH值呈酸性、缺氧、过量谷胱甘肽等。其生理特征、肿瘤细胞与间质细胞的相互作用、细胞外基质等影响肿瘤的发生发展，包括增殖、血管生成、侵袭、迁移、耐药性等［4-8］。

取决于细胞外间质的不同，分子表型相似的肿瘤可能具有不同的预后。例如，肿瘤微环境被认为在肺癌的进展中具有关键性作用［9］，肿瘤重塑的肺微环境通过促进炎症、血管生成、免疫调节和治疗反应来促进原发肺肿瘤和肺外肿瘤肺转移。

肿瘤血管发育不良导致的异常灌注、结构异常使细胞外pH呈酸性，可诱导巨噬细胞极化，促进肿瘤的发生发展［10-11］。

复杂的肿瘤微环境通过分泌因子和细胞外基质能够调控细胞的可塑性，从而介导药物抗性的产生。癌症相关成纤维细胞、巨噬细胞、炎症、和血管密度/分布都与药物抗性的产生相关［12］。

鉴于肿瘤微环境对肿瘤的发生发展具有重要作用，有助于早期发现癌灶、指导治疗，因此对肿瘤微环境的精确无创检测十分重要。

微环境敏感的MRI纳米探针

1.p H响应

实体肿瘤的pH值因肿瘤生长代谢旺盛所致的乏氧、乳酸堆积和灌注不良而呈酸性，肿瘤酸性微环境可驱动肿瘤生长、局部浸润［13］。正常机体细胞的胞外pH维持在7.4，而TME的pH则维持在6.5～6.8［14-15］。因此这种差异可作为开发肿瘤成像、研究肿瘤新陈代谢及治疗效果的有价值靶点。

Ward等提出利用化学交换饱和转移（chemicalexchangesaturationtransfer，CEST）技术 可用于MRI测量pH值［16］，但灵敏度仍较低。随后ParaCEST技术通过应用顺磁性镧系金属螯合物来提高灵敏度，但其探测限度仍较高［17］。pH敏感的响应性探针在未到达靶向组织前处于“关闭状态”，可不产生信号或减少周围噪声；在肿瘤酸性微环境的刺激下，转变为“开放状态”，产生显著增强的成像信号，从而实现高敏感的原位靶向成像。此类磁共振纳米探针一般分为两类：①在酸性环境下，析出离子（如Mn2+）产生弛豫信号；②在酸性环境下，探针的结构发生改变或表层修饰溶解产生成像信号。

锰基和铁氧化合物是最常用的响应性磁共振纳米探针核心。Huang等［18］采用水热共沉淀法，以Mn（NO3）2和Fe（NO3）3为前体，合成了锰铁层状双氢氧化物（MnFe-LDH）。其能响应实体肿瘤的酸性微环境，释放顺磁性Mn2+、Fe3+离子，使肿瘤区的T1信号增强。此外，该层状结构能以pH控制的方式有效地传递化疗药物，从而能够同时抑制实体瘤的生长。Chen等［19］以铁锰硅酸盐［FeMn（Si O4）］空心纳米球为基体，合成了可在酸性环境中释放Mn2+离子的pH响应型T1-T2*磁共振双模造影剂，显示了良好的磁共振和红色荧光成像性能。

类似地，Jin等将介孔二氧化硅涂层Co-P纳米复合材料与MnO2纳米片功能化，应用于T1/T2双模MRI引导的体外和体内化学光热联合抗癌治疗［20］。在肿瘤酸性环境中，MnO2纳米片溶解释放Mn2+，不仅实现pH响应性的按需释药，可作为激活T1/T2双模MRI的开关。生成的顺磁性Mn2+离子和Co-P纳米复合材料的本征磁性使其具有MRI双模成像功能，该探针的r1值为9.05 L·mmol-1·s-1，r2’值为253.44 L·mmol-1·s-1，显著增强MRI弛豫。

Mn2+离子在中性pH条件下仍存在缓慢释出的情况，因此Fe3+离子对机体来说更加安全。Zhang等［21］利用Kramers-Anderson超交换效应，引入了一种不饱和Fe3+配位/没食子酸结构，使该以上转换发光（UCL）为核心的纳米探针只能在肿瘤微环境中对微酸性的pH值作出反应，实现了可激活的MRI增强。

Yi等［22］报道了一种自组装NaGdF4和CaCO3纳米共轭物组成的新型纳米MRI造影剂。由于质子和晶格之间的相互作用不足，T1源（Gd3+）的空间限制导致磁共振信号“关闭”。然而，当处于弱酸性肿瘤微环境中时，嵌入的碳酸钙纳米颗粒会产生二氧化碳气泡，并随后断开纳米结合物，从而“开放”磁共振信号。与商用造影剂Magnevist相比，这些纳米结合物的体内对比增强效应超过60倍。

多模成像也是响应性MRI纳米探针的研究热点。Liu等［23］报道了一种多孔金纳米簇修饰的氧化锰纳米复合材料，可用于酸性微环境可激活的MR/光声/CT肿瘤成像。多孔结构提高了Mn中心对近端水分子的可达性，大大增加了T1加权MRI的对比度。与传统的锰基造影剂相比，MnO@Au纳米颗粒表面的多孔Au纳米团簇可以延缓Mn2+离子的释放，有效增加诊断时间窗。

2. 氧化还原响应

正常组织、细胞及体液中的氧化还原环境由大量浓度相对较高的氧化还原对维持。其中谷胱甘肽（GSH）是细胞内主要的硫醇-二硫键氧化还原缓冲液，谷胱甘肽二硫化物-谷胱甘肽对（GSSG/2GSH）可作为细胞内氧化还原环境的指标。肿瘤内异常表达的氧化还原性物质还包括半胱氨酸、H2S、H2O2等。因肿瘤微环境中存在显著过量的谷胱甘肽，大部分研究将GSH作为氧化还原响应性探针的触发靶点。GSH响应性的纳米探针主要利用GSH大量存在时断裂二硫键，从而使探针结构改变或释出磁性离子以达到成像目的。Gao等［24］通过原位交联反应肽序列修饰的Fe3O4纳米颗粒，将肿瘤靶向的Arg-Gly-Asp肽和作为“自我标记”的自身肽通过二硫键连接起来，最外层的自体肽可延迟纳米颗粒在血液中的清除，当自身肽在肿瘤微环境中被谷胱甘肽裂解后，可使纳米颗粒原位交联，极大提高了T2信号强度；该探针还通过99mTc标记实现了SPECT/MRI双模成像。

GSH氧化还原MnO2纳米片的能力使研究人员能使用MRI检测到细胞内的GSH。基于此，Shi等［25］设计了一种MnO2纳米片状-Ru（Ⅱ）配合物纳米探针，当暴露于GSH时大量Mn2+释出同时被猝灭的磷光恢复，实现了GSH响应的双峰磷光/MRI肿瘤成像。Song等［26］将发光的β-二酮-Eu3+配合物锚定在层状MnO2纳米片上，构建了谷胱甘肽时间门控发光/磁共振纳米探针BHHBB-Eu3+@MnO2，在GSH作用下，MnO2纳米片被快速选择性地还原为Mn2+离子，导致TGL和MR信号同时显著增强。该纳米探针可检测宽浓度范围（1～1 000μmol/L）的谷胱甘肽，可用于TGL/MRI双模肿瘤成像。

由于GSH存在条件下Mn2+的弛豫率较低，Li等［27］引入钆基造影剂改善灵敏度，设计了一种基于GSH作用下T1和T2造影剂距离变化引起的MRI信号变化的新型可激活MRI纳米探针，由于聚乙二醇包覆氧化钆纳米粒子和羧基功能化氧化铁纳米粒子相近，导致T1信号猝灭；而在GSH存在时，连接这二者的二硫键断裂而使图像“亮起”。多数研究探测GSH时采用MRI结构成像（T1WI/T2WI），Wang等［28］提出了一种基于距离相关磁交换耦合效应的磁共振能量转移（MRET）策略，通过磁化率加权成像（SWI）实现体内肿瘤内GSH的检测。该探针由Fe3O4纳米粒子和偶联半胱胺的CoFe2O4纳米粒子组成，肿瘤中过量的GSH破坏二硫键后，两纳米粒子间距离的增加将导致总磁化率降低和SWI信号的变化，提高了检测灵敏度。

部分研究也将H2S作为氧化还原响应性探针的靶点。Lin等［29］开发了一种鞣花酸-铁-牛血清白蛋白（EA-Fe@BSA）纳米粒子，结肠癌细胞中丰富的H2S可将该纳米粒中Fenton反应催化活性较低的Fe（Ⅲ）快速转化为更高效的Fe（Ⅱ），提高化学光动力治疗效率，是一种结合光热与光动力治疗的T1加权磁共振诊疗探针。

3. 酶响应

癌细胞侵袭和迁移的能力代表着肿瘤的最致命的两个表型特征。肿瘤细胞侵袭和迁移需要细胞-细胞间黏附的清除，侵入周围结缔组织，从血管外渗，最后形成转移灶。肿瘤细胞分泌的蛋白质分解酶有部分在分泌时没有活性，只能被细胞外基质的成分或间质细胞激活［30］。因此，非侵袭性地对酶的降解过程成像可以研究肿瘤的侵袭性、评估蛋白水解酶抑制剂的治疗效果。

基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）在肿瘤的侵袭与迁移中起重要作用。Shi等［31］设计了一种血管整合素αvβ3和MMP-2双靶向的可激活MRI/荧光双模纳米探针，通过cRGD和MMP-2可切割的荧光底物共价修饰Gd掺杂的CuS胶束纳米颗粒，首次实现了术中小鼠原位胃肿瘤的准确检测和激光照射引发的光热消融。

Guo等［32］通过静电作用诱导自组装，构建了大小可调的胰蛋白酶响应性近红外荧光和磁共振双成像复合纳米颗粒/多肽凝聚纳米探针，当胰蛋白酶水解修饰Fe3O4纳米颗粒的聚-L-赖氨酸时，近红外荧光信号比淬灭状态下的自组装探针强度高18倍，MRI信号也随凝聚纳米探针的解体而显著增强。

Zhou等［33］制备了透明质酸（HA）包裹的Fe3O4纳米颗粒，该纳米颗粒具有良好的穿透能力，可以获得清晰的肿瘤T1WI，而在酸性肿瘤微环境中，可响应透明质酸酶，降解探针表面的HA使Fe3O4核心聚集，减弱T1信号而增强T2信号，从而可以在肿瘤的不同时空获得T1和T2图像，有助于相关诊断。

4. 多重响应

纳米探针经过适当的工程设计，可对多种刺激产生反应，进而实现更高的特异性，从而达到更好的功效。Li等［34］通过将超微锰铁氧体纳米粒子（UMFNPs）与肿瘤靶向五肽CREKA（Cys-Arg-Glu-Lys-Ala）结合，合成了一种超灵敏的T1加权MR造影剂UMFNP-CREKA。其表现出趋化的“靶向激活”能力，通过CREKA与肿瘤周围丰富的纤维蛋白-纤维连接蛋白复合物结合，然后在病理参数（弱酸性和H2O2升高）下释放Mn2+，被招募到肿瘤转移的边缘。Mn2+的局部释放及其与蛋白质的相互作用影响T1加权磁共振信号的显著放大。该探针可以准确地检测到超小乳腺癌转移（0.39 mm），极大地扩展了以往报道的MRI探针探测下限。

展 望

在肿瘤发展和治疗过程中，肿瘤微环境会随之改变，因此使用非侵袭性成像方法检测肿瘤微环境非常重要。对肿瘤微环境的无创实时探测有助于探究肿瘤细胞与肿瘤微环境间复杂的相互作用机制，了解肿瘤发生发展的过程，将治疗过程中肿瘤微环境的变化与个体特征相结合，从而提高癌症治疗水平。目前已有一部分研究证明了肿瘤微环境响应性的MRI纳米探针具有潜在的临床应用价值，但其仍极具挑战性。例如，目前的多数纳米探针有赖于肿瘤区域的EPR效应实现聚集，但EPR效应的有效性存在争议［35］。随着肿瘤微环境作用机制及纳米颗粒转运机制研究的深入、动物模型数据及临床转化实验结果的增多，这种可控制的、特异性靶向的响应性纳米探针将成为肿瘤个体化治疗的重要组成部分。