喬瑞瑞, 賈巧娟, 曾劍峰, 高明遠(yuǎn)

中國科學(xué)院化學(xué)研究所，北京 100190

磁性氧化鐵納米顆粒及其磁共振成像應(yīng)用

喬瑞瑞, 賈巧娟, 曾劍峰, 高明遠(yuǎn)

中國科學(xué)院化學(xué)研究所，北京 100190

磁性氧化鐵納米顆粒在磁共振成像方面的應(yīng)用，已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛的關(guān)注，相關(guān)研究也被各國科學(xué)家高度重視。目前，磁性氧化鐵納米顆粒正在從早期的基于被動(dòng)識(shí)別的肝部磁共振造影，快速轉(zhuǎn)向基于主動(dòng)識(shí)別的磁共振分子影像應(yīng)用。本文將圍繞磁性氧化鐵納米顆粒的生物體內(nèi)應(yīng)用，著重介紹磁性納米顆粒的制備及其在疾病診斷，尤其是在腫瘤早期影像診斷方面的研究進(jìn)展。

磁性氧化鐵納米顆粒；磁共振；分子影像探針；腫瘤

引 言

隨著納米科學(xué)的發(fā)展，納米材料在生物檢測、疾病診斷及疾病治療等方面均展示出了廣闊的應(yīng)用前景[1]。在眾多的納米材料中，磁性納米顆粒 (magnetic nanoparticles，MNPs)以其超順磁特性在磁共振成像 (magnetic resonance imaging，MRI)中表現(xiàn)出獨(dú)特的造影劑(contrast agent)功能。配合以良好的生物安全性、表面可修飾性及其特殊的體內(nèi)行為，磁性納米顆粒在生物體內(nèi)的應(yīng)用方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用價(jià)值，并已經(jīng)成為在生物醫(yī)學(xué)中得到實(shí)際應(yīng)用的最成功的納米材料之一[2～7]。

到目前為止，全世界有多家公司企業(yè)參與了氧化鐵納米顆粒造影劑的研制與開發(fā)，并且已有多種商品化產(chǎn)品上市[2,4,6,7]。例如，Advanced Magnetics公司 (Cambridge，MA，USA)在大量的臨床數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上，率先推出了基于磁性氧化鐵納米材料的藥物GastroMark?(ferumoxsil，口服腸胃制劑)，并于1993年在歐洲獲得批準(zhǔn)上市；1996年，“美國食品藥物管理局” (US Food and Drug Administration,FDA)批準(zhǔn)了該公司用于肝部造影的靜脈注射制劑Feridex? (中文譯名菲力磁?)；2000年，先靈公司用于肝部造影的Resovist?(ferucarbotran)在歐洲獲得批準(zhǔn)上市[8]；隨后又出現(xiàn)了淋巴造影劑Combidex? (Sinerem?)。目前，以磁性納米顆粒為基礎(chǔ)，已經(jīng)形成了近10種處于不同臨床階段的產(chǎn)品[7](詳見表1)。上述產(chǎn)品除了在臨床上用于肝部損傷、節(jié)結(jié)和腫瘤磁共振影像診斷[9～11]及腫瘤的淋巴轉(zhuǎn)移成像外[12]，還被用于血池成像[13]。然而，磁性氧化鐵納米顆粒的上述應(yīng)用，基本上是通過組織、器官對(duì)納米材料的攝取來實(shí)現(xiàn)的，屬于被動(dòng)靶向模式。

表1 商品化或處于臨床前期的磁性氧化鐵造影劑[7]Table 1 List of iron oxide contrast agents commercialized or at different clinical stages[7]

近5年來，隨著納米顆粒制備技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是伴隨著高溫?zé)峤夥ㄔ诟哔|(zhì)量磁性納米晶體制備方面的重大突破，顆粒尺寸及表面修飾結(jié)構(gòu)更為明確可控的新一代磁性氧化鐵納米顆粒開始出現(xiàn)。通過先進(jìn)的表面修飾方法，人們不僅可以獲得具有長血液循環(huán)時(shí)間的磁性氧化鐵納米顆粒，同時(shí)，通過與特定的配體或受體的偶聯(lián)，可獲得功能更為復(fù)雜的新一代磁性氧化鐵納米顆粒MRI分子影像探針[9～11]。這些具有主動(dòng)識(shí)別功能的探針不僅可以用于疾病相關(guān)研究，同時(shí)有望用于惡性腫瘤的早期診斷及鑒別診斷[11,14,15]。同時(shí)，磁性氧化鐵納米顆粒作為MR造影劑，其從被動(dòng)識(shí)別向主動(dòng)靶向的發(fā)展，催生了磁共振分子影像這一嶄新的研究領(lǐng)域。

磁共振成像及超順磁納米顆粒磁共振造影劑

MRI是利用磁共振現(xiàn)象，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)和二維圖像重建方法進(jìn)行成像的一種無創(chuàng)的影像手段。MRI技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)首先體現(xiàn)在高成像分辨率，適合于對(duì)腦部、軟骨、肌肉、韌帶等組織的解剖結(jié)構(gòu)及病理改變進(jìn)行觀察。同時(shí)，MRI技術(shù)可進(jìn)行多參數(shù)、多序列成像，因此可提供多層次診斷信息。由于無電離輻射，與基于X射線的影像技術(shù)相比，MRI不僅無創(chuàng)而且更為安全。最后，MRI還可以提供代謝、功能、血液及腦脊液流動(dòng)等方面的信息?？傊?，MRI作為一種先進(jìn)的影像手段，不僅功能強(qiáng)大，而且有著巨大的進(jìn)一步發(fā)展的空間[16]。

磁共振成像的基本原理如下：質(zhì)子數(shù)為奇數(shù)的原子核 (如氫原子核)會(huì)因其自旋運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生磁矩，在用特定頻率的射頻脈沖 (radio frequency，RF)激發(fā)下，該原子核會(huì)因能量共振吸收而被激發(fā)；停止射頻脈沖后，被激發(fā)的原子核釋放出能量回到基態(tài)而產(chǎn)生弛豫現(xiàn)象。弛豫過程包括縱向弛豫 (longitudinal relaxation)和橫向弛豫 (transverse relaxation)，相應(yīng)的縱向弛豫時(shí)間為T1時(shí)間，橫向弛豫時(shí)間為T2時(shí)間?？v向弛豫與能量相關(guān)，而橫向弛豫則與相位相關(guān)。醫(yī)學(xué)磁共振影像是通過具有空間位置依賴性的梯度磁場，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體組織中的氫質(zhì)子的空間定位，再通過對(duì)氫質(zhì)子MR信號(hào)的采集、處理及圖像重建實(shí)現(xiàn)人體成像。人體不同組織之間的信號(hào)強(qiáng)度差異形成了組織之間的對(duì)比度 (contrast)，其影響因素主要包括：組織T1和T2時(shí)間的固有差別、組織氫質(zhì)子密度的固有差別，以及流動(dòng)效應(yīng)引起的差別等。

為了突出顯示組織之間的差異，尤其是正常組織與病變組織之間的差別，除了設(shè)計(jì)特殊的脈沖序列外，一種有效地提高M(jìn)R成像對(duì)比度的方法就是使用造影劑，又稱為對(duì)比劑。MR造影劑主要是通過影響其周圍氫質(zhì)子的弛豫來改善和提高M(jìn)R成像的對(duì)比度?？梢杂米鱉R造影劑的物質(zhì)主要有順磁性物質(zhì)及超順磁性氧化鐵納米顆粒。一般順磁性造影劑主要影響T1時(shí)間，即通過縮短縱向弛豫時(shí)間，使T1加權(quán)像變亮，因此順磁性造影劑 (T1造影劑)一般都是正增強(qiáng)造影劑。典型的T1造影劑主要是含有釓的金屬有機(jī)絡(luò)合物。

與之不同的是，超順磁性氧化鐵納米顆粒則對(duì)T2時(shí)間有著更為顯著的影響。超順磁性質(zhì)是指當(dāng)鐵磁性 (ferromagnetic)或亞鐵磁性 (ferrimagnetic)物質(zhì)的顆粒小于某一臨界尺寸時(shí)，由于磁取向能不足以抵抗熱運(yùn)動(dòng)能，其磁矩方向可以任意翻轉(zhuǎn)，因此在外磁場不存在的情況下，其磁化強(qiáng)度 (magnetization)基本為零。但是在外界磁場存在的情況下，超順磁性物質(zhì)盡管可以像順磁性物質(zhì)一樣被磁化，然而不同的是，超順磁性物質(zhì)較順磁性物質(zhì)表現(xiàn)出更大的磁敏感性 (magnetic susceptibility)，從而表現(xiàn)出更強(qiáng)的MR造影增強(qiáng)效果。實(shí)際上，超順磁性是小尺寸磁性納米顆粒獨(dú)有的特性，也是描述磁性納米材料的專用名詞。由于超順磁性納米顆粒在外加磁場作用下會(huì)被誘導(dǎo)產(chǎn)生更強(qiáng)的局域磁場，進(jìn)而強(qiáng)烈地影響顆粒周圍水分子中氫質(zhì)子的弛豫過程，同時(shí)能更為有效地縮短T2時(shí)間[17]，使所得的T2加權(quán)像變暗，因此超順磁納米顆粒作為T2造影劑表現(xiàn)出負(fù)增強(qiáng)效果 (圖1)[5]。

圖1 超順磁性氧化鐵納米顆粒的磁共振造影增強(qiáng)效應(yīng)[5]Fig.1 MR contrast effects of superparamagnetic iron oxide nanoparticles[5]

除了對(duì)橫向及縱向弛豫時(shí)間有著不同的影響外，超順磁性的T2造影劑與順磁性T1造影劑還有著以下諸多差別。

首先，T2造影劑——即超順磁性納米顆粒，由于具有更大的尺寸，因此表現(xiàn)出與T1造影劑完全不同的生物體內(nèi)行為及代謝途徑。這是因?yàn)?，基于磁性納米顆粒的T2造影劑具有較大的水合尺寸，易被機(jī)體的免疫系統(tǒng)，尤其是網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng) (reticuloendothelial system，RES)所攝取，進(jìn)而投遞到肝、脾、骨髓等巨噬細(xì)胞豐富的組織或器官中[7,18]。傳統(tǒng)上，商品化的磁性氧化鐵納米顆粒造影劑按照其流體力學(xué)尺寸可粗略地分為SPIO(small particle of iron oxide)和USPIO(ultrasmall particle of iron oxide)兩種類型。盡管文獻(xiàn)中對(duì)SPIO和USPIO并沒有一個(gè)嚴(yán)格的界定，但一般認(rèn)為40 nm是上述兩種造影劑的分類界線，即流體力學(xué)尺寸大于40 nm的為SPIO，小于40 nm的為USPIO。同時(shí)被廣泛接受的是，USPIO由于具有更小的尺寸而容易逃避RES的攝取，因此較SPIO表現(xiàn)出具有更長的血液循環(huán)時(shí)間。例如，靜脈注射的USPIO型磁性氧化鐵造影劑Combidex?可以對(duì)腫瘤的淋巴轉(zhuǎn)移成像，而尺寸更大的SPIO型造影劑Feridex?則由于其肝部有效攝取而只能用于肝部成像。然而，簡單地按照磁性納米顆粒的流體力學(xué)尺寸對(duì)其進(jìn)行分類并對(duì)其體內(nèi)行為進(jìn)行預(yù)測是極不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。目前越來越多的?shí)驗(yàn)結(jié)果表明，納米顆粒體內(nèi)分布行為不僅取決于其流體力學(xué)尺寸，而且更為強(qiáng)烈地取決于納米顆粒表面的物理化學(xué)性質(zhì)[19]，也就是說，流體力學(xué)尺寸遠(yuǎn)小于40 nm的納米顆粒也可能因RES的攝取而表現(xiàn)出較短的血液循環(huán)時(shí)間[6]。總之，與T1造影劑相比，T2造影劑的應(yīng)用方法及應(yīng)用范圍強(qiáng)烈地依賴于RES對(duì)其的攝取，因此表現(xiàn)出非常獨(dú)特的組織分布及器官分布特點(diǎn)。

其次，T2造影劑由于具有更大的尺寸，不能像小分子T1造影劑那樣自由穿越各種生理屏障，這不僅使得T2造影劑具有非常獨(dú)特的體內(nèi)分布行為，同時(shí)使其非常適合于腫瘤的造影。一方面可利用巨噬細(xì)胞在正常組織與腫瘤組織之間的分布差異實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤的造影，另一方面，也可利用腫瘤血管的高通透、高滯留效應(yīng) (enhanced permeability and retention effect，EPR effect)實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤的造影。同時(shí)，T2造影劑由于其納米尺寸 (流體力學(xué)尺寸大于10 nm)表現(xiàn)出血液滯留效應(yīng)，因此，磁性納米顆粒造影劑還適用于血池造影。

再次，作為T2造影劑的磁性納米顆粒，由于具有大量的表面結(jié)合位點(diǎn)，使其更適合于作為攜帶不同檢測信號(hào)分子 (原子)的載體，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多模態(tài)影像探針的構(gòu)建[16]。再通過在顆粒表面加載可以對(duì)腫瘤進(jìn)行有效識(shí)別的靶向分子，可實(shí)現(xiàn)腫瘤的多模態(tài)分子影像。

最后，與T1造影劑相比，基于磁性納米顆粒的T2造影劑的對(duì)比度增強(qiáng)效果更為顯著。例如，Gd絡(luò)合物造影劑成像時(shí)的最低檢測限為10-4mol/L[20]，而目前報(bào)道的磁性納米顆粒的最低檢測限可達(dá)10-12mol/L[21]。不過，磁性納米顆粒的磁共振檢測限還強(qiáng)烈地取決于磁性納米顆粒的尺寸、結(jié)晶度及表面修飾等因素[20]。

到目前為止，基于磁性氧化鐵納米顆粒的核磁共振造影劑的發(fā)展歷程，可粗略地劃分為如下三個(gè)階段：第一階段為SPIO和USPIO類型造影劑的臨床評(píng)估階段 (1980～90年代中后期)；第二階段為商用造影劑的應(yīng)用拓展階段 (上世紀(jì)末到本世紀(jì)初)，包括USPIO型造影劑在淋巴轉(zhuǎn)移臨床診斷中的應(yīng)用、商用造影劑表面功能化修飾及細(xì)胞標(biāo)記應(yīng)用等；第三階段為目前以磁共振分子影像探針為主流的再發(fā)展階段 (最近5年)，在這一階段先后出現(xiàn)了MRI-PET多模態(tài)造影劑、蛋白和多肽介導(dǎo)的生物靶向磁共振分子探針，以及MRI-光學(xué)、MRI-PET、MRI-SPECT多模態(tài)分子探針。磁性氧化鐵納米顆粒造影劑之所以在過去短短幾年經(jīng)歷了高速的再發(fā)展階段，其根本原因在于，磁性納米顆粒的合成技術(shù)發(fā)生了革命性的變化[7]。

磁性氧化鐵納米顆粒的合成

磁性氧化鐵納米顆粒的合成，按照合成原理，可以粗略地分為水相合成和非水相合成。水相合成方法主要依賴于鐵離子的水解來實(shí)現(xiàn)磁性納米顆粒的制備，而作為非水相合成的典型方法——高溫?zé)岱纸夥椒?，則主要依賴于鐵的金屬有機(jī)化合物的熱解來實(shí)現(xiàn)磁性氧化鐵納米顆粒的制備，下面將就這兩種方法分別進(jìn)行介紹。

水相合成

早在1925年，Welo等人[22]就報(bào)道了在水溶液中應(yīng)用共沉淀法獲得四氧化三鐵的方法。原則上講，制備磁性氧化鐵納米顆粒的方法與制備體相磁性氧化鐵方法類似，主要區(qū)別在于，制備氧化鐵納米顆粒時(shí)需要有效控制成核生長過程，以獲得納米尺寸的顆粒。到目前為止，采用水相合成制備磁性氧化鐵納米顆粒的方法主要包括：微乳液 (micro-emulsion)法、溶膠-凝膠 (gel-sol)法、超聲化學(xué)法 (sonochemistry)和共沉淀 (coprecipitation)法等。采用水相合成法制備氧化鐵納米顆粒的優(yōu)點(diǎn)是制備過程簡單，因此，目前商品化的磁性納米顆粒造影劑基本上都是采用水相合成制備獲得的。然而，水及氫氧根離子與三價(jià)鐵離子有著非常強(qiáng)的配位能力，因此，通過水解方法獲得的磁性氧化鐵納米顆粒，其表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，表面功能化修飾困難。同時(shí)，因?yàn)殍F離子水解過程涉及諸多反應(yīng)平衡，水解產(chǎn)物結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難于獲得尺寸可控的高質(zhì)量窄粒度分布納米顆粒[23,24]。最后，受水的沸點(diǎn)溫度限制，在水體系中合成納米材料，產(chǎn)物結(jié)晶度也是一個(gè)面臨的問題?？傊嗪铣煞椒ㄖ苽涞拇判匝趸F顆粒一般粒度分布較寬，磁響應(yīng)相對(duì)較弱，表面結(jié)構(gòu)不明確[7]。

非水相合成

磁性氧化鐵納米顆粒非水相合成法的主要代表，是近幾年發(fā)展的高溫?zé)岱纸夥?。高溫?zé)岱纸夥椒ㄞ饤壛髓F離子的水解反應(yīng)，轉(zhuǎn)而采用金屬有機(jī)鐵化合物的熱解反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)磁性氧化鐵納米晶體的制備。高溫?zé)岱纸夥椒ǖ募夹g(shù)特點(diǎn)是，采用高沸點(diǎn)的弱極性或非極性有機(jī)溶劑作為反應(yīng)傳熱介質(zhì)，通過分解鐵前驅(qū)體的方式，實(shí)現(xiàn)磁性氧化鐵納米晶體的制備。

1999年，美國伯克利大學(xué)的Alivisatos研究組[25]率先報(bào)道了磁性氧化鐵納米晶體的熱分解制備技術(shù)。他們首先將高沸點(diǎn)的三辛胺溶劑和溶解有FeCuP3(亞硝基羥基苯胺合鐵，銅鐵試劑)的辛胺溶液，分別在110℃和60℃通入N2除水除氧，然后將三辛胺加熱至300℃，在劇烈攪拌下迅速注入FeCuP3的辛胺溶液，加熱回流30 min后冷卻至室溫，經(jīng)過溶劑尺寸選擇沉淀處理，得到平均尺寸為(10±1.5)nm的γ-Fe2O3磁性納米晶體 (圖2A)。2001年，Hyeon等人[26]發(fā)展了上述方法，他們采用Fe(CO)5取代上述方法中的銅鐵試劑，同樣得到了γ-Fe2O3磁性納米晶體。在該方法中，由于Fe(CO)5初始分解時(shí)得到的是Fe納米晶體，因此后期采用氧化法以獲得γ-Fe2O3磁性納米晶體 (圖2B)。該方法最大的進(jìn)展在于，得到的納米顆粒具有非常窄的尺寸分布 (＜5%)，通過調(diào)節(jié)Fe(CO)5與油酸的比例，還可獲得尺寸在4～11 nm之間的納米顆粒。

2002年，Sun等人[27]以Fe(acac)3(乙酰丙酮鐵）為鐵前驅(qū)體，油酸和油胺為穩(wěn)定劑，1,2-十六醇為還原劑，在高沸點(diǎn)溶劑苯醚中，成功地合成了4 nm球形Fe3O4納米晶體，并以此為晶種，通過調(diào)節(jié)晶種與乙酰丙酮鐵的比例，制得了不同尺寸的球形Fe3O4納米晶體(圖2C)。在此基礎(chǔ)上，采用類似的方法，作者還合成了一系列的單分散的MFe2O4(M=Fe、Mn、Co)磁性納米晶體[28]。

此后，Peng等人[29]報(bào)道了基于金屬脂肪酸鹽高溫?zé)岱纸夥ㄖ苽銯e3O4納米顆粒的方法，所制備的納米顆粒尺寸可在6～50 nm范圍可調(diào)。Hyeon等人[30]利用該方法發(fā)展了單分散性的磁性氧化鐵納米顆粒 (10 g級(jí))(圖2D)的大規(guī)模制備技術(shù)，通過控制反應(yīng)溫度，還可得到不同尺寸的納米顆粒，例如，在274、287、317、330和365℃條件下可分別得到5、9、12、16及22 nm的氧化鐵納米顆粒。他們認(rèn)為，制備單分散性磁性氧化鐵納米顆粒的關(guān)鍵在于將成核與生長過程分開。此外，Cheon等人[11]還采用Fe(acac)3為鐵前驅(qū)體，制備了金屬摻雜型鐵氧體 (metal-doped magnetism-engineered iron oxide,MEIO)MFe2O4(M=Mn、Fe、Co、Ni)。其中，MnFe2O4納米顆粒的飽和磁化強(qiáng)度最強(qiáng)，因此有可能進(jìn)一步提高M(jìn)RI造影的對(duì)比度。

圖2 (A)以FeCup3為前驅(qū)體，采用高溫?zé)岱纸夥ㄖ苽涞摩?Fe2O3納米顆粒的TEM照片[25]；(B)以Fe(CO)5為前驅(qū)體，采用高溫?zé)岱纸夥ㄖ苽涞摩?Fe2O3納米顆粒的TEM照片[26]；(C)以Fe(acac)3為前驅(qū)體，采用高溫?zé)岱纸夥ㄖ苽涞腇e3O4納米顆粒的TEM照片[27]；(D)以油酸鐵為前驅(qū)體制備的Fe3O4納米顆粒的TEM照片[30]Fig.2 (A) γ-Fe2O3nanocrystals synthesized by thermal decomposition of FeCup3[25];(B) γ-Fe2O3nanocrystals synthesized by thermal decomposition of Fe(CO)5[26];(C)Fe3O4nanocrystals prepared by pyrolyzing Fe(acac)3[27];(D)Magnetic iron oxide nanocrystals prepared by using iron oleate as precursor[30]

除金屬有機(jī)鐵前驅(qū)體外，無機(jī)鐵化合物也可作為前驅(qū)體制備磁性氧化鐵納米顆粒，Colvin等人[31]利用FeOOH在油酸中良好的溶解性，以FeOOH作為前驅(qū)體，制備出粒徑為12.5 nm的單分散性Fe3O4納米顆粒。當(dāng)然，該方法可分類為非水相合成，但并非嚴(yán)格意義的高溫?zé)岱纸夥椒ā?/p>

上述合成方法的共同特點(diǎn)有：1)均采用非極性或弱極性溶劑作為反應(yīng)傳熱介質(zhì)；2)為了解決磁性氧化鐵納米晶體與溶劑的相容性，反應(yīng)過程中均需要使用帶有疏水長烷基鏈的酸、醇和胺等表面配體，所得到的產(chǎn)物均表現(xiàn)出疏水性。欲將上述方法制備的磁性納米晶體用作磁共振造影劑，還需通過進(jìn)一步的配體交換或表面修飾等復(fù)雜過程，才能得到在水中具有溶解分散性質(zhì)的磁性納米顆粒[9,32,33]。盡管如此，磁性氧化鐵納米晶體高溫分解方法仍以其產(chǎn)物的高結(jié)晶度和窄粒度分布方面的優(yōu)勢(shì)，為磁性氧化鐵納米顆粒的生物應(yīng)用揭開了新的篇章。

圖3 采用強(qiáng)極性2-吡咯烷酮作為配位溶劑，利用“一鍋”反應(yīng)制備的水溶性Fe3O4納米顆粒的TEM照片[35]左圖中顆粒的平均尺寸為5 nm，右圖中顆粒的平均尺寸為11 nm，標(biāo)尺對(duì)應(yīng)100 nmFig.3 TEM images of water-soluble Fe3O4nanoparticles by using 2-pyrrolidone as coordinating solvent[35]The average particle sizes of those shown in the left-hand side image and right-hand side image are of 5 and 11 nm,respectively.The scale bars correspond to 100 nm

最近，高明遠(yuǎn)課題組進(jìn)一步發(fā)展了磁性氧化鐵納米晶體的高溫?zé)岱纸夥椒ǎ麄冝饤壛烁叻悬c(diǎn)弱極性或非極性溶劑，轉(zhuǎn)而采用高沸點(diǎn)的強(qiáng)極性溶劑 (2-吡咯烷酮)作為反應(yīng)傳熱介質(zhì)及配位溶劑，通過加熱分解Fe(acac)3，成功地通過“一鍋”反應(yīng)制備出了不同尺寸的Fe3O4納米晶體 (圖3)[34,35]。盡管該磁性納米晶體不能直接分散于中性水溶液中，但卻能在酸性或堿性溶液中很好地溶解分散。該技術(shù)路線的最大優(yōu)勢(shì)是，所采用的溶劑與諸多種類的表面配體均具有很好的相容性，為納米晶體表面配體的多樣化原位修飾提供了可能。在深入研究Fe3O4納米晶體形成機(jī)理的同時(shí)[36]，針對(duì)磁性氧化鐵納米晶體的生物應(yīng)用，他們進(jìn)一步發(fā)展了該技術(shù)路線，通過在反應(yīng)體系中加入羧基化聚乙二醇 (PEG)，在磁性氧化鐵納米顆粒形成的同時(shí)，原位地實(shí)現(xiàn)了磁性納米顆粒的表面生物相容性修飾，成功地建立了生物相容性磁性納米顆粒的“一鍋”反應(yīng)制備技術(shù) (圖4)[37,38]。PEG修飾不僅大大地改善了Fe3O4納米顆粒的生物相容性，提高了Fe3O4納米顆粒的血液循環(huán)時(shí)間，更為最重要的是，PEG以其良好的親水性，使環(huán)境中的水分子更容易接近納米顆粒表面，因此，PEG修飾的Fe3O4納米顆粒在相同條件下可表現(xiàn)出更為優(yōu)異的MRI造影功能[39]。此外，該技術(shù)路線還提供了制備表面帶有羧基殘基的生物相容性磁性氧化鐵納米顆粒的“一鍋”反應(yīng)方法(圖5)[10,40]，生物相容性納米顆粒表面的羧基殘基，為進(jìn)一步將磁性氧化鐵納米顆粒與生物大分子偶聯(lián)，進(jìn)而獲得磁共振分子影像探針提供了可能。

圖5 表面具有可反應(yīng)官能團(tuán)的生物相容性Fe3O4納米顆粒的TEM照片[40](A)顆粒的平均尺寸為12 nm；(B)顆粒的平均尺寸為27 nm。標(biāo)尺對(duì)應(yīng)100 nmFig.5 TEM images ofbiocompatible Fe3O4nanoparticles with surface reactive moieties[40] The average particle sizes of those shown in(A)and(B)are of 12 and 27 nm,respectively.The scale bars correspond to 100 nm

高明遠(yuǎn)課題組發(fā)展的生物相容性磁性氧化鐵納米顆粒的“一鍋”反應(yīng)制備技術(shù)，一方面充分利用了高溫?zé)岱纸夥磻?yīng)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)擺脫了復(fù)雜的納米顆粒表面后處理過程。后處理過程的缺點(diǎn)可概括為以下幾個(gè)方面：1)表面配體置換方法缺乏對(duì)納米顆粒表面結(jié)構(gòu)的有效控制，所得到的納米顆粒在水及生理鹽水中溶解性欠佳；2)采用相轉(zhuǎn)移法盡管可以克服表面配體置換法的缺點(diǎn)，但無謂地增大了水溶性磁性納米顆粒的尺寸，不利于實(shí)現(xiàn)納米顆粒的長血液循環(huán)時(shí)間。最重要的是，得到的納米顆粒由于表面存在一個(gè)疏水層而增大了環(huán)境中氫質(zhì)子與中心納米顆粒間的距離，從而降低了磁性納米顆粒的磁共振對(duì)比增強(qiáng)效果。

采用相似的方法，以N-乙烯基吡咯烷酮 (N-vinyl-2-pyrrolidone，NVP)為溶劑，加熱分解Fe(acac)3，通過簡單“一鍋”反應(yīng)，還可合成出具有超級(jí)溶解性能的磁性Fe3O4納米晶體[41]。研究結(jié)果表明，在反應(yīng)體系中，NVP不但作為高溫傳熱介質(zhì)，而且作為自由基聚合單體；同樣，F(xiàn)e(acac)3既作為高溫?zé)岱纸夥磻?yīng)的有機(jī)前驅(qū)體，又作為自由基聚合的引發(fā)劑。反應(yīng)過程成功地將自由基聚合過程和高溫?zé)岱纸馍蒄e3O4納米晶體結(jié)合起來。聚合生成的聚乙烯基吡咯烷酮 (polyvinylpyrrolidone，PVP)高分子鏈段的一部分，與Fe3O4納米粒子進(jìn)行配位起到穩(wěn)定劑的作用，未配位的PVP高分子鏈段賦予其超級(jí)溶解性能，使其不但能夠溶于不同pH值的水溶液及PBS生理緩沖液中，而且能夠溶于多種有機(jī)溶劑中，并能形成穩(wěn)定的膠體溶液[41]。

總之，與水解方法相比，磁性氧化鐵納米晶體的高溫?zé)岱纸庵苽浞椒ū憩F(xiàn)出了諸多優(yōu)勢(shì)：1)高溫?zé)岱纸夥椒ú捎酶叻悬c(diǎn)的溶劑作為反應(yīng)傳熱介質(zhì)，因此獲得的產(chǎn)物結(jié)晶度高，磁響應(yīng)強(qiáng)；2)反應(yīng)體系中無水參與反應(yīng)，納米晶體表面修飾結(jié)構(gòu)更為清晰，反應(yīng)過程中對(duì)納米晶體表面進(jìn)行原位修飾更為容易；3)磁性氧化鐵納米晶體在非極性溶劑中的生長過程更傾向于熱力學(xué)控制過程，所得納米顆粒尺寸的單分散性更好[30]。因此，高溫?zé)岱纸夥椒ㄒ云湓谒苽涞拇判约{米晶體質(zhì)量方面的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，正在掀起磁性納米顆粒在磁共振分子影像技術(shù)中應(yīng)用的新一輪研究熱潮[10,11,30,32]。

磁性納米顆粒在磁共振成像中的應(yīng)用

磁性氧化鐵納米顆粒的早期臨床應(yīng)用是利用肝部Kuffers細(xì)胞對(duì)其的吞噬，從而實(shí)現(xiàn)肝部成像的，在此基礎(chǔ)上，F(xiàn)DA于1996年批準(zhǔn)了Feridex?(水合尺寸大約在80～150 nm[5])造影劑。盡管都是由右旋糖苷修飾形成的磁性納米顆粒，與Feridex?不同的是，后期發(fā)展的Combidex?(水合尺寸為20～40 nm)由于尺寸更小而表現(xiàn)出更長的血液循環(huán)時(shí)間，在經(jīng)靜脈注射后，Combidex?可以從血液系統(tǒng)進(jìn)入淋巴系統(tǒng)，因此具有更廣闊的臨床應(yīng)用前景。例如，Weissleder課題組[12]采用Combidex?，成功地在臨床中實(shí)現(xiàn)了尺寸小于2 mm的腫瘤淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移成像。對(duì)磁性氧化鐵納米顆粒的臨床應(yīng)用來講，這一研究工作與FDA批準(zhǔn)Feridex?一樣具有重要的里程碑意義。

在分子水平上，人們利用超順磁氧化鐵納米顆粒與各種生物大分子復(fù)合來制備磁共振分子探針，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在生物活體中檢測細(xì)胞內(nèi)外的分子過程和細(xì)胞凋亡過程、追蹤基因表達(dá)或?qū)膊∵M(jìn)行診斷，這已經(jīng)成為磁共振分子影像學(xué)發(fā)展的重要方向。Weissleder等人[42]采用全轉(zhuǎn)鐵蛋白 (holo-transferrin)標(biāo)記的單晶氧化鐵納米顆粒造影劑 (monocrystal iron-oxide nanoparticle，MION)首次實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)基因表達(dá)的無損活體檢測。Zhao等人[43]用C2domain標(biāo)記的超順磁氧化鐵顆粒造影劑 (SPIO，采用共沉淀法按照歐洲專利合成)檢測了早期腫瘤內(nèi)部的細(xì)胞凋亡過程。

在細(xì)胞水平上，利用細(xì)胞與磁性納米晶體的相互作用來對(duì)特定細(xì)胞進(jìn)行標(biāo)記，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞在活體內(nèi)的生物學(xué)過程的動(dòng)態(tài)監(jiān)測和可視化跟蹤，已經(jīng)成為磁共振細(xì)胞影像技術(shù)的重要基礎(chǔ)。例如，利用磁性納米顆粒 〔Feridex?和單晶氧化鐵納米粒子MION，前者的流體力學(xué)尺寸＞50 nm，后者為表面修飾有右旋糖苷 (Dextran)的20～40 nm的顆?！砙44]，人們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)巨噬細(xì)胞浸潤、癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移、干細(xì)胞或祖細(xì)胞的遷徙與分化、樹突狀細(xì)胞的遷移等重要生物過程的活體可視化[45～47]。細(xì)胞標(biāo)記磁性氧化鐵納米顆粒的關(guān)鍵在于細(xì)胞載量，即在不產(chǎn)生細(xì)胞毒性并對(duì)其活性沒有明顯影響的情況下，使細(xì)胞標(biāo)記足夠量的磁性氧化鐵納米顆粒，從而有利于體內(nèi)成像觀察。而決定細(xì)胞載量的主要因素包括磁性氧化鐵納米顆粒的尺寸、表面電荷以及表面配體。Cheon等人[48]通過研究骨髓干細(xì)胞對(duì)帶有不同電荷的磁性氧化鐵納米顆粒的吞噬效果，發(fā)現(xiàn)帶有正電荷的磁性氧化鐵納米顆粒更容易被骨髓干細(xì)胞所吞噬；最近，Gu等人[49]發(fā)現(xiàn)，采用低分子量的兩親性聚陽離子包覆的SPIO納米顆粒，較商品化的PEI25k更易被干細(xì)胞吞噬。

利用PEG修飾的Fe3O4納米顆粒具有較長的血液循環(huán)時(shí)間的特性，Lei等人[50]以弓形蟲腦炎為模型開展了小鼠腦部MR成像研究。弓形蟲感染引起的血腦屏障 (blood brain barrier，BBB)透過性變化，一般認(rèn)為是由炎癥或BBB損傷引起的，由于Fe3O4納米顆粒較小分子Gd-基造影劑具有更大的尺寸，因此會(huì)滯留于被損傷的血管附近，從而更好地顯示了弓形蟲感染引起的小鼠腦部損傷。實(shí)際上，腫瘤組織的血管較正常組織表現(xiàn)出更大的通透性，從而使腫瘤組織具有高通透、高滯留效應(yīng)，即EPR效應(yīng)。利用這一效應(yīng)，Lee等[51]以聚合物包覆的Fe3O4磁性納米顆粒為造影劑，開展了腫瘤的活體MR成像研究。

針對(duì)正常組織的血管來講，血管壁的通透性允許小分子自由通過，而大尺寸的納米顆粒卻很不容易通過，因此，具有長血液循環(huán)時(shí)間的磁性氧化鐵納米顆粒還適用于血管造影成像，在血池造影方面展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

然而，以上成像應(yīng)用或是基于RES對(duì)磁性納米顆粒的吞噬，或是基于磁性納米顆粒在機(jī)體內(nèi)的特殊組織分布，因此還不能進(jìn)一步在細(xì)胞水平或分子水平上進(jìn)行成像應(yīng)用。

近幾年來，隨著納米材料合成技術(shù)的發(fā)展和完善，表面修飾結(jié)構(gòu)及功能更為復(fù)雜的新一代超順磁性氧化鐵納米顆粒MRI造影劑開始出現(xiàn)，并促進(jìn)了磁共振細(xì)胞影像和分子影像新技術(shù)的誕生。在這些應(yīng)用當(dāng)中，針對(duì)腫瘤早期診斷檢測的分子成像技術(shù)的發(fā)展，引起了各國科學(xué)家的廣泛重視與研究，涌現(xiàn)出多種基于磁性氧化鐵納米顆粒的新成像方法和技術(shù)。眾所周知，惡性腫瘤已成為威脅人類健康和生命的頭號(hào)“殺手”，其死亡率多年居高不下，而提高早期腫瘤和腫瘤轉(zhuǎn)移診斷的準(zhǔn)確率，并結(jié)合個(gè)體化治療是提高5年生存率的關(guān)鍵。因此，將磁性納米顆粒與可以有效識(shí)別腫瘤的分子進(jìn)行偶聯(lián)，進(jìn)而獲得可主動(dòng)識(shí)別腫瘤的磁共振分子影像探針，來有效實(shí)現(xiàn)對(duì)微小腫瘤的早期診斷，已經(jīng)成為腫瘤MR影像診斷的一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)。而高溫?zé)峤夥ㄌ峁┑拇判匝趸F納米晶體以其高結(jié)晶度、窄粒度分布、表面可修飾性等優(yōu)勢(shì)，為開展上述研究提供了可能。

韓國幾個(gè)研究集體和中國科學(xué)院化學(xué)研究所高明遠(yuǎn)課題組率先在國際上開展了相關(guān)研究工作，并取得了重要的突破性進(jìn)展。如：Cheon課題組[9]用Herceptin標(biāo)記的超順磁氧化鐵納米顆粒成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)接種在小鼠體內(nèi)乳腺癌腫瘤的活體檢測，在此基礎(chǔ)上，他們又進(jìn)一步采用Herceptin標(biāo)記的錳摻雜氧化鐵顆粒，成功地實(shí)現(xiàn)了～50 mg小腫瘤的活體檢測[11]，該尺寸比采用核醫(yī)學(xué)所能檢測到的腫瘤尺寸還要小[52]。由圖6可知，Herceptin標(biāo)記的MnFe2O4的造影效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于同樣條件下制得的Fe3O4和常用造影劑CLIO(cross-linked iron oxide)。

圖6 Herceptin標(biāo)記的MnFe2O4磁性納米顆粒與Herceptin標(biāo)記的CLIO磁性納米顆粒在小鼠體內(nèi)檢測腫瘤的造影結(jié)果[11]Fig.6 MR imaging results onin vivotumor detection by using MnFe2O4-Herceptin and CLIO-Herceptin conjugates(CLIO:cross-linked iron oxide)[11]

幾乎同時(shí)，高明遠(yuǎn)課題組開展了相似的研究工作，并將利用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)方法制備的磁性納米晶體成功地用于腫瘤的活體診斷。他們以結(jié)腸癌荷瘤裸鼠為活體腫瘤成像模型，以癌細(xì)胞表面癌胚抗原 (carcinoembryonic antigen，CEA)為靶點(diǎn)，以人源化抗CEA單克隆抗體rch 24為特異性識(shí)別分子，設(shè)計(jì)合成了具有腫瘤靶向功能的磁共振成像探針(Fe3O4-rch 24)，并在活體動(dòng)物模型上開展了磁共振成像 (圖7)。結(jié)果表明，F(xiàn)e3O4-rch 24探針能夠特異性識(shí)別移植腫瘤病灶，產(chǎn)生T2成像對(duì)比增強(qiáng)信號(hào)。增強(qiáng)信號(hào)于注射探針后24 h達(dá)到峰值，與注射前相比，T2值下降10%，而對(duì)照組 (未偶聯(lián)抗體的Fe3O4納米顆粒)則無明顯下降[10]。他們最近的研究結(jié)果進(jìn)一步表明，改變磁性氧化鐵納米顆粒的表面結(jié)構(gòu)，不僅可以有效調(diào)控磁性納米顆粒與血漿蛋白的相互作用[19]，同時(shí)還可以大大提高氧化鐵納米顆粒的血液循環(huán)時(shí)間及磁共振造影增強(qiáng)效果，如：采用油胺和PEG共修飾的Fe3O4與胃癌單克隆抗體3H11構(gòu)建的磁共振探針，在靜脈注射24 h后，腫瘤部位的T2值下降高達(dá)30%(圖8)[39]。上述研究結(jié)果進(jìn)一步表明，磁性氧化鐵納米顆粒的表面化學(xué)結(jié)構(gòu)及其物理性質(zhì)，對(duì)探針的磁共振信號(hào)增強(qiáng)效果有著巨大的影響。

圖7 (A)Fe3O4納米顆粒的TEM照片；(B)靜脈注射Fe3O4-rch 24探針前及24 h后采集的荷瘤裸鼠腫瘤部位 (紅虛線圈)的T2*加權(quán)像；(C)靜脈注射Fe3O4-rch 24探針及其對(duì)照樣品Fe3O4@PEG-COOH顆粒前后，24 h內(nèi)不同時(shí)間點(diǎn)采集的腫瘤部位的T2*加權(quán)像[10]Fig.7 (A)TEM image of Fe3O4nanoparticles;(B)T2*-weighted MR images acquired before and after the injection of Fe3O4-(rch 24 mAb)conjugates；(C)T2*-weighted MR images of two tumors acquired before and at different times after intravenous injections of Fe3O4-(rch 24 mAb)conjugates(upper row)and Fe3O4@PEG-COOH nanocrystals(lower row),respectively[10]

圖8 (A)荷瘤裸鼠靜脈注射Fe3O4-3H11-125I及不相關(guān)探針Fe3O4-mIgG-125I后的磁共振T2加權(quán)像；(B)靜脈注射Fe3O4-3H11-125I(實(shí)線)及Fe3O4-mIgG-125I（虛線）后，腫瘤區(qū)域的T2值變化曲線。左下側(cè)的偽彩為色階圖[39]Fig.8 (A)T2-weighted MR images of tumor-bearing nude mice acquired before and at different time points after intravenous injections of Fe3O4-3H11-125I and Fe3O4-mIgG-125I,respectively;(B)Variations of T2 values of tumors after the injections of Fe3O4-3H11-125I(solid line)and Fe3O4-mIgG-125I(dotted line),respectively.The tumors are high-lighted by fake color with a color map shown at the left-bottom corner[39]

由上述兩個(gè)研究報(bào)道可以看出，構(gòu)建腫瘤分子影像探針，一方面需要有機(jī)結(jié)合納米晶體先進(jìn)的制備技術(shù)及表面修飾技術(shù)，另一方面，還需要對(duì)腫瘤具有親合力的靶向分子。盡管單克隆抗體是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，然而其缺點(diǎn)是尺寸較大，與納米顆粒偶聯(lián)后，有可能增加 RES對(duì)磁性納米顆粒攝取的幾率，另外，抗體對(duì)癌細(xì)胞的識(shí)別及在腫瘤部位的有效富集需要較長的時(shí)間，給實(shí)驗(yàn)研究及臨床應(yīng)用帶來一定的困難。因此，探索分子量更小的腫瘤靶向分子，對(duì)于構(gòu)建腫瘤分子影像探針具有十分重要的意義。比如，一些科學(xué)家們已經(jīng)開始嘗試采用分子量較小的單鏈抗體、蛋白及多肽等生物分子或葉酸 (folic acid，F(xiàn)A)分子來構(gòu)建腫瘤磁共振分子探針。

Gao等人[53]以磁性氧化鐵納米顆粒為載體，采用EGFR相關(guān)單鏈抗體ScFvEGFR(single-chain anti-EGFR antibody)作為靶向性分子，構(gòu)建了磁共振靶向分子探針ScFvEGFR-IO，并成功地將該探針用于體內(nèi)原位移植胰腺癌腫瘤模型的診斷；北京協(xié)和醫(yī)院的金征宇等人[54]則采用表面為PEG修飾的Fe3O4納米顆粒，與重組人促性腺激素釋放激素融合蛋白——綠膿桿菌外毒素40(recombinant human gonadotrop in releasing hormone-Pseudomonas exotoxin 40，GnRH-PE40)偶聯(lián)，構(gòu)建了腫瘤靶向性分子探針，并將該探針通過靜脈注入荷瘤鼠體內(nèi)進(jìn)行成像，結(jié)果表明，與對(duì)照組相比，靶向探針可以使腫瘤部位T2信號(hào)顯著下降 (P＜0.05)；Josephson等人[55]利用多肽標(biāo)記的氧化鐵納米顆粒，實(shí)現(xiàn)了胰腺癌的活體可視化。在以小分子作為靶向性分子的研究中，以整合素αvβ3作為靶點(diǎn)，采用精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸三肽 (arginine-glycine-aspartic acid，RGD)作為靶向性分子的研究獨(dú)樹一幟。RGD多肽與氧化鐵納米顆粒偶聯(lián)后，可被用于多種腫瘤模型的活體分子成像，例如乳腺癌、惡性黑色素瘤及鱗狀上皮細(xì)胞癌等[56～59]。由于RGD多肽及其衍生物為小分子化合物，因此磁性氧化鐵納米顆粒表面可以偶聯(lián)多個(gè)RGD分子，從而有效提高影像探針與靶點(diǎn)的結(jié)合率[58]。除RGD外，蝎氯毒素 (chlorotoxin，CTX)也可作為靶向分子，用于腫瘤的磁共振分子成像中，同時(shí)，CTX還可發(fā)揮腫瘤治療的作用[15]。除此之外，由于多種腫瘤細(xì)胞表面葉酸受體表達(dá)上調(diào)，F(xiàn)A也常常作為腫瘤靶向分子，用于腫瘤磁共振分子影像。例如，Zhang等人[60]采用Fe3O4-FA偶聯(lián)物進(jìn)行的體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明，F(xiàn)e3O4-FA偶聯(lián)物可以特異性地與腫瘤細(xì)胞結(jié)合；而Shi等人[32]采用樹枝狀分子修飾的磁性氧化鐵與葉酸偶聯(lián)后形成的腫瘤分子探針，證明在活體層面上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)表皮癌細(xì)胞 (KB)腫瘤的磁共振成像。

在腫瘤磁共振影像診斷應(yīng)用方面，與早期的磁性納米顆粒被動(dòng)模式相比，近年來發(fā)展的具有主動(dòng)識(shí)別功能的磁性氧化鐵納米顆粒探針，其在腫瘤病灶部位的富集，主要是基于腫瘤靶向分子與靶點(diǎn)的特異性識(shí)別作用，因而能夠提供更接近病理的相關(guān)信息，因此，以氧化鐵納米顆粒為主流的腫瘤磁共振分子影像技術(shù)，將無疑為目前一些難以治療的重大疾病 (如癌癥)開辟新的診療藍(lán)圖。而磁性氧化鐵納米顆粒作為分子成像載體的最佳選擇之一，其原因在于：首先，磁性氧化鐵納米顆?？梢燥@著增強(qiáng)氫質(zhì)子的T2和T2*信號(hào)；其次，磁性氧化鐵納米顆粒的表面，為更為復(fù)雜的探針設(shè)計(jì)提供了一個(gè)理想的多位點(diǎn)平臺(tái)，在該平臺(tái)上，結(jié)合化學(xué)、藥學(xué)、影像學(xué)及腫瘤學(xué)知識(shí)，完全有機(jī)會(huì)設(shè)計(jì)出功能強(qiáng)大的分子影像探針，為深入揭示腫瘤等重大疾病的發(fā)生發(fā)展機(jī)理及有效治療，提供更為全面的分子信息，從而大幅度提高腫瘤等重大疾病的診治水平。

展 望

超順磁氧化鐵納米顆粒因其超順磁性、生物安全性、可修飾性及其特殊的體內(nèi)行為，作為新型MRI造影劑具有無可比擬的優(yōu)越性。目前，基于磁性氧化鐵納米顆粒的磁共振造影劑已經(jīng)有多種產(chǎn)品上市或處于臨床檢驗(yàn)階段。最近幾年，以磁性氧化鐵納米顆粒為核心的腫瘤分子影像及其在腫瘤研究與早期診斷方面的應(yīng)用，無疑將加速磁性氧化鐵納米顆粒的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用步伐。但從相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道看，所得出的研究結(jié)果與結(jié)論不盡相同，甚至相反，這主要是由于對(duì)納米顆粒的認(rèn)識(shí)不足造成的。納米顆粒的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，除了與納米材料自身的化學(xué)組成、顆粒尺寸密切相關(guān)外，還在非常大的程度上取決于納米顆粒的表面物理化學(xué)性質(zhì)，表面性質(zhì)差異將使得納米材料在生物體內(nèi)表現(xiàn)出完全不同的行為，包括血液循環(huán)行為的差別及體內(nèi)分布與代謝途徑的差別等?？傊?，現(xiàn)階段以生物體內(nèi)應(yīng)用為目標(biāo)的磁性納米顆粒研究，仍有下列值得深入研究的重要問題：1)如何進(jìn)一步發(fā)展納米顆粒的免疫逃逸策略。磁性納米顆粒在磁共振分子影像及多模態(tài)分子影像中應(yīng)用的一個(gè)重要前提，是能夠有效避免免疫系統(tǒng)對(duì)納米顆粒的吞噬，以進(jìn)一步提高磁性納米顆粒到達(dá)并有效富集于病灶部位的幾率。2)納米顆粒體內(nèi)分布與其表面修飾結(jié)構(gòu)物理化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性。納米顆粒與調(diào)理素 (opsonin)的相互作用，在很大程度上決定了納米材料的體內(nèi)分布與代謝途徑。3)納米顆粒尺寸對(duì)其體內(nèi)分布、代謝途徑、血液循環(huán)行為以及造影效果的影響等。

近年來，隨著分子影像技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展，整合各種成像技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，發(fā)展多模態(tài)分子成像手段以彌補(bǔ)單模態(tài)成像的缺陷，實(shí)現(xiàn)分子影像學(xué)在腫瘤早期診斷及在體定量分析方面的應(yīng)用，已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)影像學(xué)進(jìn)一步發(fā)展的重要方向。在這一發(fā)展過程中，多模態(tài)成像方法與多模態(tài)分子影像探針具有同等重要的地位。超順磁性氧化鐵納米顆粒作為納米載體，在構(gòu)建多模態(tài)腫瘤分子影像探針方面已經(jīng)展現(xiàn)出巨大的潛力，因此，磁性氧化鐵納米顆粒無疑將在多模態(tài)分子影像這個(gè)嶄新的研究領(lǐng)域中扮演重要的角色。

1.楊文勝，高明遠(yuǎn)，白玉白.納米材料與生物技術(shù).北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005 Yang WS, Gao MY, BaiYB. Nanomaterials and biotechnology.Beijing:Chemical Industry Press，2005

2. Degen CL,Poggio M,Mamin HJ,Rettner CT,Rugar D.Nanoscalemagnetic resonanceimaging.Proc Natl Acad Sci USA,2009,106(5):1313～1317

3. Weissleder R,Pittet MJ.Imaging in the era of molecular oncology.Nature,2008,452(7187):580～589

4. Sun C,Lee JSH,Zhang MQ.Magnetic nanoparticles in MR imaging and drug delivery.Adv Drug Deliv Rev,2008,60(11):1252～1265

5. Jun YW, Lee JH, Cheon J. Chemicaldesign of nanoparticle probes for high-performance magnetic resonance imaging.Angew Chem Int Ed,2008,47(28):5122～5135

6. Corot C,Robert P,Idee JM,Port M.Recent advances in iron oxide nanocrystal technology for medical imaging.Adv Drug Deliv Rev,2006,58(14):1471～1504

7. Qiao RR,Yang CH,Gao MY.Superparamagnetic iron oxide nanoparticles: From preparations to in vivo MRI applications.J Mater Chem,2009,19(35):6274-6293

8. Wagner V,Dullaart A,Bock AK,Zweck A.The emerging nanomedicinelandscape.Nat Biotechnol,2006,24(10):1211～1217

9. Huh YM,Jun YW,Song HT,Kim S,Choi JS,Lee JH,Yoon S,Kim KS,Shin JS,Suh JS.Cheon J.In vivo magnetic resonance detection of cancer by using multifunctional magnetic nanocrystals. JAm Chem Soc,2005,127(35):12387～12391

10.Hu FQ,Wei L,Zhou Z,Ran YL,Li Z,GaoMY.Preparation of biocompatible magnetite nanocrystals forin vivomagnetic resonance detection of cancer.Adv Mater,2006,18(19):2553～2556

11.Lee JH,Huh YM,Jun Y,Seo J,Jang J,Song HT,Kim S,Cho EJ, Yoon HG, Suh JS, Cheon J. Artificially engineered magnetic nanoparticles for ultra-sensitive molecular imaging.Nat Med,2007,13(1):95～99

12.Harisinghani MG,Barentsz J,Hahn PF,Deserno WM,TabatabaeiS, van de Kaa CH, de la Rosette J,WeisslederR. Noninvasive detection of clinically occult lymph-node metastases in prostate cancer.N Engl J Med,2003,348(25):2491～2495

13.Schnorr A,Wagner S,Abramjuk C,Wojner I,Schink T,KroenckeTJ,Schellenberger E,Hamm B,Pilgrimm H,Taupitz M.Comparison of the iron oxide-based blood-pool contrast medium VSOP-C184 with gadopentetate dimeglumine for first-pass magnetic resonance angiography of the aorta and renal arteries in pigs.Invest Radiol,2004,39(9):546～553

14.Veiseh O,Sun C,Fang C,Bhattarai N,Gunn J,Kievit F,Du K,Pullar B,Lee D,Ellenbogen RG,Olson J,Zhang MQ. Specific targeting of brain tumors with an optical/magnetic resonance imaging nanoprobeacrossthe blood-brain barrier.Cancer Res,2009,69(15):6200～6207

15.Sun C,Veiseh O,Gunn J,Fang C,Hansen S,Lee D,Sze R,Ellenbogen RG,Olson J,Zhang M.In vivoMRI detection of gliomasby chlorotoxin-conjugated superparamagnetic nanoprobes.Small,2008,4(3):372～379

16.Cheon J,Lee JH.Synergistically integrated nanoparticles asmultimodal probesfor nanobiotechnology. AccChem Res,2008,41(12):1630～1640

17.Jun YW,Seo JW,Cheon A.Nanoscaling laws of magnetic nanoparticles and their applicabilities in biomedical sciences.Acc Chem Res,2008,41(2):179～189

18.Moghimi SM,Hunter AC,Murray JC.Long-circulating and target-specific nanoparticles:Theory to practice.Pharmacol Rev,2001,53(2):283～318

19.Liu S,Han Y,Qiao R,Zeng J,Jia Q,Wang YL,Gao MY.Investigations on the interactions between plasma proteins and magnetic iron oxide nanoparticles with different surface modifications. J Phys Chem C, 2010, 114(49):21270～21276

20.Veiseh O,Gunn JW,Zhang MQ.Design and fabrication of magnetic nanoparticles for targeted drug delivery and imaging.Adv Drug Deliv Rev,2010,62(3):284～304

21. Gao J, Hillebrenner HL. Nanotubular probes as ultrasensitive MR contrast agent.USA,20080124281,2008

22.Welo LA,Baudisch O.Thetwo-stagetransformation of magnetite into hematite. Philos Mag, 1925, 50(296):399～408

23.Massart R.Preparation of aqueous ferrofluids without using surfactant——Behavior as a function of the Ph and the counterions.Cr Acad Sci C Chim,1980,291(1):1～3

24. Bate G. Recording materials. In: Wohlfarth EP, ed.Ferromagnetic Materials.North Holland:Elsevier,1980.439

25. RockenbergerJ, ScherEC, Alivisatos AP. A new nonhydrolytic single-precursor approach to surfactant-capped nanocrystals of transition metal oxides.J Am Chem Soc,1999,121(49):11595～11596

26.Hyeon T,Lee SS,Park J,Chung Y,Na HB.Synthesis of highly crystalline and monodisperse maghemite nanocrystallites without a size-selection process.JAm Chem Soc,2001,123(51):12798～12801

27.Sun SH,Zeng H.Size-controlled synthesis of magnetite nanoparticies.J Am Chem Soc,2002,124(28):8204～-8205

28.Sun SH,Zeng H,Robinson DB,Raoux S,Rice PM,Wang SX, LiGX. Monodisperse MFe2O4(M=Fe,Co,Mn)nanoparticles.J Am Chem Soc,2004,126(1):273～279

29.Jana NR,Chen Y,Peng X.Size-and shape-controlled magnetic(Cr,Mn,Fe,Co,Ni)oxide nanocrystals via a simple and general approach.Chem Mat,2004,16(20):3931～3935

30.Park J,An KJ,Hwang YS,Park JG,Noh HJ,Kim JY,Park JH,Hwang NM,Hyeon T.Ultra-large-scale syntheses of monodisperse nanocrystals.Nat Mater,2004,3(12):891～895

31.Yu WW,Falkner JC,Yavuz CT,Colvin VL.Synthesis of monodisperse iron oxide nanocrystals by thermal decomposition of iron carboxylate salts. Chem Comm,2004,20:2306～2307

32.Shi XY,Wang SH,Swanson SD,Ge S,Cao ZY,van Antwerp ME, Landmark KJ, BakerJR. Dendrimerfunctionalized shell-crosslinked iron oxide nanoparticles for in-vivomagnetic resonance imaging of tumors.Adv Mater,2008,20(9):1671～1678

33.Tromsdorf UI,Bigall NC,Kaul MG,Bruns OT,Nikolic MS,Mollwitz B,Sperling RA,Reimer R,Hohenberg H,Parak WJ,Forster S,Beisiegel U,Adam G,Weller H.Size and surface effects on the MRI relaxivity of manganese ferrite nanoparticle contrastagents. Nano lett, 2007, 7(8):2422～2427

34.高明遠(yuǎn),李楨.一種高結(jié)晶度的水分散磁性納米微粒的制備方法.中國,03136275.3.2004.11.24 Gao MY,Li Z.A method for preparing a highly crystallized and water dispersible biocompatible magnetic nanocrystal.China,03136275.3.2004.11.24

35.Li Z,Chen H,Bao HB,Gao MY.One-pot reaction to synthesize water-soluble magnetite nanocrystals.Chem Mat,2004,16(8):1391～1393

36. Li Z, Sun Q, Gao MY. Preparation of water-soluble magnetite nanocrystals from hydrated ferric salts in 2-pyrrolidone:Mechanism leading to Fe3O4.Angew Chem Int Ed,2005,44(1):123～126

37.高明遠(yuǎn),李楨.一種制備具有生物相容性的磁性納米微粒的方法.中國,03136273.7.2003.12.10 Gao MY,Li Z.A method for preparing a biocompatible magnetic nanocrystal.China,03136273.7.2003.12.10

38. Li Z, Wei L, Gao MY, Lei H. One-pot reactionto synthesize biocompatible magnetite nanoparticles. Adv Mater,2005,17(8):1001～1005

39.Liu SJ,Jia B,Qiao RR,Yang Z,Yu ZL,Liu ZF,Liu K,Shi JY,Han OY,Wang F,Gao MY.A novel typeof dual-modality molecular probe for MR and nuclear imaging of tumor: Preparation, characterization and in vivo application.Mol Pharm,2009,6(4):1074～1082

40.Hu FQ,Li Z,Tu CF,Gao MY.Preparation of magnetite nanocrystals with surface reactive moieties by one-pot reaction.J Colloid Interface Sci,2007,311(2):469～474

41.Lu XY,Niu M,QiaoRR,GaoMY.Superdispersible PVP-coated Fe3O4nanocrystalsprepared by a "one-pot"reaction.J Phys Chem B,2008,112(46):14390～14394

42. WeisslederR, MooreA, Mahmood U, BhoradeR,Benveniste H,Chiocca EA,Basilion JP.In vivomagnetic resonance imaging of transgene expression. NatMed,2000,6:351

43.Zhao M,Beauregard DA,Loizou L,Davletov B,Brindle KM. Non-invasive detection of apoptosisusing magnetic resonance imaging and a targeted contrastagent. Nat Med,2001,7(11):1241～1244

44.Weissleder R,Bogdanov A,Neuwelt EA,Papisov M.Long-circulating iron-oxides for MR-imaging.Adv Drug Deliv Rev,1995,16(2-3):321～334

45.Bulte JWM,Douglas T,Witwer B,Zhang SC,Strable E,Lewis BK,Zywicke H,Miller B,van Gelderen P,Moskowitz BM, DuncanID, FrankJA. Magnetodendrimersallow endosomal magnetic labeling andin vivotracking of stem cells.Nat Biotechnol,2001,19(12):1141～1147

46.Lewin M,Carlesso N,Tung CH,Tang XW,Cory D,Scadden DT,Weissleder R.Tat peptide-derivatized magnetic nanoparticles allowin vivotracking and recovery of progenitor cells.Nat Biotechnol,2000,18(4):410～414

47.de Vries IJM,Lesterhuis WJ,Barentsz JO,Verdijk P,van Krieken JH,Boerman OC,Oyen WJG,Bonenkamp JJ,Boezeman JB,Adema GJ,Bulte JWM,Scheenen TWJ,Punt CJA,Heerschap A,Figdor CG.Magnetic resonance tracking of dendritic cells in melanoma patients for monitoring of cellular therapy.Nat Biotechnol,2005,23(11):1407～1413

48.Song HT,Choi J,Huh YM,Kim S,Jun Y,Suh JS,Cheon J. Surface modulation of magnetic nanocrystals in the development of highly efficient magnetic resonance probes for intracellular labeling.J Am Chem Soc,2005,127(28):9992～9993

49.Liu G,Wang ZY,Lu J,Xia CC,Gao FB,Gong QY,Song B,Zhao XN,Shuai XT,Chen XY,Ai H,Gu ZW.Low molecular weight alkyl-polycation wrapped magnetite nanoparticle clusters as MRI probes for stem cell labeling andin vivoimaging.Biomaterials,2011,32(2):528～537

50.Wei L,Zhou G,Li Z,He L,Gao MY,Tan JQ,Lei H.Detection of toxoplasmic lesions in mouse brain by USPIO-enhanced magnetic resonance imaging. Magn Reson Imaging,2007,25(10):1442～1448

51.Lee H,Lee E,Kim DK,Jang NK,Jeong YY,Jon S.Antibiofouling polymer-coated superparamagnetic iron oxide nanoparticles as potentialmagnetic resonance contrast agents forin vivocancer imaging.J Am Chem Soc,2006,128(22):7383～7389

52.Sharkey RM,Cardillo TM,Rossi EA,Chang CH,Karacay H,McBride WJ,Hansen HJ,Horak ID,Goldenberg DM.Signal amplification in molecular imaging by pretargeting a multivalent,bispecific antibody.Nat Med,2005,11(11):1250～1255

53.Yang LL,Mao H,Wang YA,Cao ZH,Peng XH,Wang XX,Duan HW,Ni CC,Yuan QG,Adams G,Smith MQ,Wood WC,Gao XH,NieSM.Singlechainepidermal growth factor receptor antibody conjugated nanoparticles for in vivotumor targeting and imaging.Small,2009,5(2):235～243

54.陸菁菁，王芳,金征宇,鐘定榮.靶向磁性納米粒子用于腫瘤的磁共振分子成像.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院學(xué)報(bào),2009,31(2):124～128 Lu JJ,Wang F,Jin ZY,Zhong DR.Targeted magnetic nanoparticles used as probe for magnetic resonance molecular imaging of tumor.Acta Acad Med Sin,2009,31(2):124～128

55.Montet X,Weissleder R,Josephson L.Imaging pancreatic cancer with a peptide-nanoparticle conjugate targeted to normalpancreas. Bioconjugate Chem, 2006, 17(4):905～911

56.Xie J,Chen K,Lee HY,Xu CJ,Hsu AR,Peng S,Chen XY,SunSH.Ultrasmall c(RGDyK)-coatedFe3O4nanoparticles and their specific targeting to integrin alpha(v)-beta(3)-rich tumor cells.J Am Chem Soc,2008,130(24):7542～7543

57.Sunderland CJ,Steiert M,Talmadge JE,Derfus AM,Barry SE. Targeted nanoparticles for detecting and treating cancer.Drug Develop Res,2006,67(1):70～93

58.Montet X,FunovicsM,Montet-Abou K,Weissleder R,Josephson L.Multivalent effects of RGD peptides obtained by nanoparticle display. J Med Chem, 2006, 49(20):6087～6093

59. Zhang CF, Jugold M, Woenne EC, LammersT,Morgenstern B,Mueller MM,Zentgraf H,Bock M,Eisenhut M,Semmler W,Kiessling F.Specific targeting of tumor angiogenesis by RGD-conjugated ultrasmall superparamagnetic iron oxide particles using a clinical 1.5-T magnetic resonance scanner.Cancer Res,2007,67(4):1555～1562

60.Sun C,Sze R,Zhang MQ.Folic acid-PEG conjugated superparamagnetic nanoparticles for targeted cellular uptake and detection by MRI.JBiomed Mater ResA,2006,78A(3):550～557

Magnetic Iron Oxide Nanoparticles and Their Applications in Magnetic Resonance Imaging

QIAO Ruirui,JIA Qiaojuan,ZENG Jianfeng,GAO Mingyuan
Institute of Chemistry,the Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China

This work was supported by grants from the"973"Program(2011CB935800),the National Natural Science Foundation of China(21003135,81090271,20820102035)

Nov 26,2010 Accepted:Feb 18,2011

GAO Mingyuan,Tel:+86(10)62625212,E-mail:gaomy@iccas.ac.cn

Magnetic iron oxide nanoparticles have

great attention due to their applications as contrast agents for magnetic resonance imaging(MRI).Now,in vivoapplicationsof iron oxide nanoparticlesare gradually shifting from passive targeting mode,such as liver imaging,to active targeting mode,leading to the emerging of a new multidisciplinary field-Molecular Imaging.This review mainly discusses the synthesis of magnetic iron oxide nanoparticles and their MRI applications,especially in molecular imaging of early tumors.Key Words:Magnetic iron oxide nanoparticles;Magnetic resonance;Molecular imaging probe;Tumor

2010-11-26；接受日期：2011-02-18

“973”計(jì)劃項(xiàng)目(2011CB935800),國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21003135，81090271，20820102035)

高明遠(yuǎn)，電話：(010)62625212，E-mail：gaomy@iccas.ac.cn

R1,O69

10.3724/SP.J.1260.2011.00272