分子影像學(xué)是精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的三大支撐技術(shù)之一，其借助分子探針，運用影像設(shè)備實時監(jiān)測活體細(xì)胞、組織乃至整個機體在細(xì)胞或分子水平發(fā)生的生理、生化事件。目前常用的分子影像探針包括常規(guī)的非特異性造影劑、帶有特異分子配體的分子探針及納米探針。納米探針主要包括磁性納米探針、光學(xué)納米探針、放射性核素標(biāo)記納米探針、聲學(xué)納米探針、多模態(tài)納米探針和診療一體化納米探針等。

由于PET的高靈敏度、精確的空間定量能力及其在診斷和監(jiān)測疾病變化中的重要作用，放射性核素標(biāo)記納米探針迅速成為近年的研究熱點。本文擬以放射性核素標(biāo)記納米材料的策略為起點，介紹近年分子影像領(lǐng)域出現(xiàn)并用于臨床研究的多功能納米探針。

1.放射性核素標(biāo)記納米材料的策略

放射性核素標(biāo)記的納米探針主要包括放射性核素和納米材料兩部分，幾乎所有的納米材料均能進(jìn)行放射性核素標(biāo)記。制備放射性核素標(biāo)記的納米探針需要考慮兩個方面：①放射性核素的選擇，主要依據(jù)放射性核素的物理特征如放射性核素的成像特點、半衰期等做出選擇;②如何將放射性核素標(biāo)記到納米材料上。放射性核素標(biāo)記納米材料的方法可能影響其體內(nèi)分布，因此標(biāo)記方法必須安全、迅速、有效。

目前主要標(biāo)記方法包括：①螯合：放射性金屬離子通過配位化學(xué)與螯合劑進(jìn)行絡(luò)合反應(yīng);②質(zhì)子束/中子束直接轟擊納米粒子;③利用放射性和非放射性材料直接合成放射性納米粒子;④納米粒子合成后無需螯合劑的放射標(biāo)記。

1.1螯合

以往納米粒子一般通過螯合方法進(jìn)行放射性核素標(biāo)記。采用螯合方法進(jìn)行放射性核素標(biāo)記需要著重考慮放射標(biāo)記的穩(wěn)定性。如果放射性同位素從納米粒子上脫落，可與內(nèi)源性蛋白反式螯合，導(dǎo)致對探針信號分布的錯誤解讀。商業(yè)化的1，4，7，10-四氮雜環(huán)十二烷-1，4，7，10-四乙酸(1，4，7，10-tetraazacyclododecane-1，4，7，10-tetraacetic acid，DOTA)通常用于螯合64Cu，但由于空間位阻導(dǎo)致放射標(biāo)記穩(wěn)定性較差。因此，研究者合成了更靈活的雙功能連接器1，4，7，10-四氮雜環(huán)十二烷-1，4，7-三乙酸(1，4，7，10-tetraazacyclododecane-1，4，7-triacetic acid，DO3A)替代DOTA以提高放射標(biāo)記的穩(wěn)定性;邢巖等研發(fā)了比DOTA更小的1，4，7-三氮雜環(huán)十二烷-1，4，7-三乙酸(1，4，7-triazacyclononane-1，4，7-triacetic acid，NOTA)螯合64Cu，并用整合素結(jié)合肽cRGD靶向新生血管和腫瘤細(xì)胞。

盡管如此，螯合方法依然存在諸多問題，如螯合劑可能影響納米粒子體內(nèi)的藥代動力學(xué)、化學(xué)合成費用高但效率低、有時標(biāo)記穩(wěn)定性較差。因此，內(nèi)在放射標(biāo)記納米粒子的方法應(yīng)運而生。

1.2質(zhì)子束/中子束直接轟擊納米粒子

該方法利用質(zhì)子和中子束轟擊非放射性納米材料產(chǎn)生放射性納米材料。質(zhì)子束或中子束轟擊非放射性納米材料通過16O(p，α)13N、18O(p，n)13N、165Ho(n，γ)166Ho核反應(yīng)產(chǎn)生放射性核素標(biāo)記納米材料。這種方法具有一定的價值：①無需合成步驟，能夠迅速產(chǎn)生半衰期非常短的放射性核素標(biāo)記納米材料，并進(jìn)行體內(nèi)成像;②可根據(jù)需要迅速激活;③放射性原子包被在納米粒子中，其產(chǎn)生的信號真實反映了納米粒子的分布。但由于轟擊導(dǎo)致納米粒子結(jié)構(gòu)破壞或納米粒子表面生物活性分子受到影響，在某些情況下使得此法獲得的納米粒子不適用于體內(nèi)成像。

1.3利用放射性和非放射性材料直接合成放射性納米粒子

最直接和廣泛應(yīng)用的方法是添加微量放射性前體材料到非放射性材料中產(chǎn)生高穩(wěn)定性的放射性標(biāo)記納米材料。在PET顯像中，這種類型的放射標(biāo)記方法常用于64Cu標(biāo)記。在Na2S存在的條件下，放射性鹽化合物如64CuCl2和非放射性鹽化合物如CuCl2通過加熱產(chǎn)生[64Cu]CuS納米粒子。類似條件和方法可產(chǎn)生65Zn、68Ga、109Cd、111Zn、141Ce、153Sm、198Au放射標(biāo)記納米探針。此外，某些與金屬離子具有高度親和力的有機分子也能作為非放射性材料與放射性金屬離子自組裝產(chǎn)生內(nèi)在固有放射性標(biāo)記。如在酸性環(huán)境下簡單地混合64Cu2+與轉(zhuǎn)鐵蛋白的輕鏈和重鏈，然后將pH調(diào)回7.4，形成64Cu2+標(biāo)記的轉(zhuǎn)鐵蛋白納米籠。

納米粒子內(nèi)二價陽離子結(jié)合位點阻止64Cu2+逃離，轉(zhuǎn)鐵蛋白納米籠也能阻止血清等“外來侵襲物質(zhì)”接近64Cu2+。但64Cu還原電位較低，因此64Cu標(biāo)記產(chǎn)生放射性標(biāo)記納米材料通常需要高溫和長時間的孵育，在一定程度上增加了放射污染的風(fēng)險。其他用于直接合成納米粒子的核素111In和109Cd也面臨著嚴(yán)苛的合成條件這一問題。

1.4納米粒子合成后無需螯合劑的核素標(biāo)記

該方法利用特定放射性核素和納米粒子之間特異的物理或化學(xué)相互作用，整合放射性核素到已經(jīng)制備好的納米粒子內(nèi)。放射性核素?zé)o法進(jìn)行絡(luò)合化學(xué)反應(yīng)時，該方法顯得尤為重要。如*As(Ⅲ)或*As(V)很難通過絡(luò)合化學(xué)反應(yīng)標(biāo)記納米載體，但由于*As與Fe3O4表面的特異親和力可容易形成*As標(biāo)記的超順磁性氧化鐵納米探針(superparamagnetic iron oxide nanoparticle，SPION)，用于PET/MRI。使用相同的策略，69Ge、68Ga、90Y、111In、89Zr、18F、11C以及64Cu也成功用于標(biāo)記納米粒子。

納米粒子合成后無需螯合劑的放射標(biāo)記策略具有快速、特異性高、溫和條件下標(biāo)記率高等優(yōu)點，但目前這種方法僅成功應(yīng)用于有限的放射性核素和納米粒子組合中。

2.放射性核素標(biāo)記的多功能納米材料及其臨床應(yīng)用研究

放射性核素標(biāo)記納米材料已從以往的單一功能向多功能發(fā)展。多功能納米材料包括多模態(tài)成像納米材料和診療一體化納米材料。

2.1多模態(tài)成像納米材料

多模態(tài)成像結(jié)合，發(fā)揮優(yōu)勢互補，可解決單一技術(shù)和顯像模態(tài)的缺陷，是分子影像學(xué)未來的發(fā)展方向。設(shè)計多模態(tài)納米材料需要考慮影像模態(tài)的特征以及2種或幾種成像模態(tài)是否優(yōu)勢互補，以提高診斷精確度和準(zhǔn)確度。如PET的高敏感性和低分辨率能通過MRI的高空間分辨率、低敏感性和精確的軟組織造影很好地得以補償。

PET/MRI雙模態(tài)顯像的優(yōu)勢為避免CT輻射的同時極大地提高了影像信息的獲得量。PET還能與近紅外熒光成像(near infrared fluorescence，NIRF)進(jìn)行雙模態(tài)顯像，甚至PET/NIRF/MRI三模態(tài)顯像。最常見的多模態(tài)成像納米材料的結(jié)構(gòu)為：納米材料核心為單一模態(tài)的顯像造影劑，其外包被材料附加有可進(jìn)行其他模態(tài)顯像的分子。如68Ga-AGuIX@NODAGA是聚硅氧烷制備成NODAGA后螯合68Ga標(biāo)記的超剛性納米粒子，Bouziotis等報道在U87MG膠質(zhì)母細(xì)胞瘤移植瘤小鼠中用其作為成像探針，可同時進(jìn)行PET和MRI，以指導(dǎo)放射治療。此外，還存在本身就具多模態(tài)屬性的納米材料，如碳納米管和金納米材料，而且其本身的多模態(tài)成像屬性不影響加入的其他造影劑屬性，從而可兼具加入造影劑的成像模態(tài)。因它們化學(xué)構(gòu)造相對簡單而極具臨床應(yīng)用價值，但種類相對較少。

2.2診療一體化納米材料

診療一體化納米材料不但具有成像診斷功能，還融合有治療功能，其治療方式為：①簡單地遞送藥物;②具有吸收外部能量的作用，以熱的形式擴散到附近細(xì)胞并摧毀之;③遞送光動力治療或其他刺激響應(yīng)藥物。在確診的腫瘤患者中，診療一體化納米材料用于疾病分期、療效評估、影像指導(dǎo)藥物遞送以及影像監(jiān)測藥物釋放。

Li等報道了卟啉/膽酸構(gòu)建的治療診斷一體化納米平臺，能同時進(jìn)行NIR、MRI和PET三模態(tài)成像以及熱治療、光動力治療和智能程序性控釋藥物。其他材料如脂質(zhì)納米材料、多聚物納米材料、硅納米材料以及天然納米材料(外泌體、高/低密度脂蛋白和病毒衣殼蛋白)、碳納米管、足球烯、石墨烯等在多模態(tài)成像和治療診斷中也具有很好的應(yīng)用前景。

盡管目前制備多功能納米材料還極具挑戰(zhàn)性，但智能診療納米材料將在腫瘤診斷和治療中發(fā)揮重要作用。刺激響應(yīng)型智能診療納米材料是利用物理刺激或腫瘤特異微環(huán)境如pH、光、壓力、酶、磁場、溫度、超聲、mRNA、谷胱甘肽、低氧或弱酸等控制藥物釋放而實現(xiàn)智能控制。Wang等報道由pH(pH≤6.2)響應(yīng)的雙嵌段共聚物(pH-responsive diblock copolymer，PDPA)、含釓光敏劑Ce6以及阿霉素前體藥物組成的納米微團，具有熒光成像(fluorescence imaging，F(xiàn)LI)、MRI和光聲成像(photo acoustic imaging，PAI)的多模態(tài)成像功能和光動力療法(photodynamic therapy，PDT)、光熱療法(photothermal therapy，PTT)以及化療等聯(lián)合治療功能，提示未來智能納米材料將包含多重作用，如靶向給藥、持續(xù)緩控釋、智能刺激響應(yīng)控制釋放、多藥聯(lián)合或藥物和熱/放射/其他治療協(xié)同治療以及多模態(tài)診斷能力。

2.3多功能納米材料的臨床應(yīng)用

必須有充分的理由才可以推動納米材料進(jìn)入臨床試驗，如納米材料是否比小分子造影劑更有效、費用更低;此外，應(yīng)考慮納米材料在智能響應(yīng)、信號物理放大等方面是否優(yōu)于小分子造影劑。首次進(jìn)行臨床試驗的PET成像納米探針是124I標(biāo)記硅量子點(NCT01266096)，該量子點通過Stöber法制備，PEG連接環(huán)狀RGDY肽(Arg-Ala-Asp-Tyr)到硅量子點從而靶向腫瘤;然后利用氧化劑對RGDY酪氨酸殘基的側(cè)鏈羥基進(jìn)行親電取代從而標(biāo)記上124I。該核素標(biāo)記量子點十分穩(wěn)定，注射后24h監(jiān)測體內(nèi)放射劑量，其中僅2.5%的信號來源于游離的核素。

124I的半衰期為4.2d，故注射124I標(biāo)記硅量子點數(shù)天后仍能檢測到信號，因此機體有足夠的時間清除非特異性信號源從而去除背景信號，以更精確地對特異性富集信號進(jìn)行成像。注射2×1015個硅納米粒子到5個轉(zhuǎn)移性黑色素瘤患者中并成功進(jìn)行轉(zhuǎn)移瘤的PET顯像。但發(fā)現(xiàn)納米材料的有效積聚尚存在問題：cRGDY肽靶向使得1.78×1011個硅量子點聚集在腫瘤部位，僅占注射劑量的0.01%;這無法滿足少部分腫瘤患者的臨床成像要求，還需改善靶向配體或利用更有效的納米材料轉(zhuǎn)運機制促進(jìn)硅量子點在腫瘤部位的積聚。

此外，64Cu-MM-302為64Cu標(biāo)記的HER2靶向載阿霉素的脂質(zhì)體(NCT01304797)，PET顯像發(fā)現(xiàn)其特異地在HER2陽性轉(zhuǎn)移性乳腺癌聚集，研究發(fā)現(xiàn)64Cu-MM-302攝取越高，治療效果越好。

3.總結(jié)與展望

納米探針從單一功能模態(tài)顯像到多功能、多模態(tài)、智能顯像方向多位一體迅速發(fā)展。但納米材料在腫瘤診療應(yīng)用中也存在一些局限性：①由于高通透性長滯留效應(yīng)在腫瘤中的異質(zhì)性，納米材料進(jìn)入病變部位具有差異性;②生物相容性問題。如果生物相容性、靶向作用和治療協(xié)同性等關(guān)鍵問題得到解決，多功能納米材料特別是智能診療納米材料會成為精準(zhǔn)醫(yī)療中越來越重要的一部分。天然納米材料如吞噬細(xì)胞、外泌體、高/低密度脂蛋白，因其生物相容性較好及表面多功能基團豐富，尤其值得關(guān)注和研究。

 

發(fā)表評論作者：戴五敏，易賀慶，李林法，浙江省腫瘤醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科