用於非侵入性生物成像的磁性氧化鐵奈米粒子的最新發展
Yaolin Xu1, Y. Andrew Wang2, Hui Mao*1
1Department of Radiology and Imaging Sciences, Emory University School of Medicine, 2Ocean Nanotech, LLC
Material Matters, 2019, 14.2
簡介
無創造影是偵測和診斷疾病以及監測病患對治療反應的重要工具。1,2 Disease-specific and targeted imaging and drug delivery techniques have been actively pursued in recent years for precision medicine, where biomarker targeting, high sensitivity, and high resolution is often required.成像造影劑常用於增強病變檢測的對比度和敏感度，以及生理和病理狀況的定量測量，從而實現更準確的診斷和正確的治療決策。許多新的奈米材料造影劑和成像探針已經問世，有望擴大非侵入性成像以及影像導引介入治療的能力和應用範圍，從而推進臨床實踐。例如，磁力共振成像 (MRI) 是資訊最豐富的診斷成像方式之一，因為它不含輻射，並提供高空間解析度、軟組織對比，以及揭示與各種組織特性相關的各種影像特徵。磁性奈米材料的獨特化學和物理特性為非侵入性、生物標記靶向 MRI 應用提供了許多優勢，3 尤其是與臨床使用的低分子量钆 (Gd) 螯合造影劑相比。這些經由 FDA 核准的 Gd3+ 螯合劑，例如 Gd-DTPA (Magnevist®) 可以根據縱向弛豫時間 (即. T1) 的變化來放大被檢查組織的信號或對比度、T1，因為順磁性 Gd3+ 的七個未成對電子具有高縱向弛張性 (r1) ≈4-8 mM-1-s-1），可以通過適當地選擇螯合配體來進一步提高。
另一方面，超順磁氧化鐵奈米粒子（SPIO 或 IONPs）通常提供不同的對比增強機制。它們縮短了橫向弛豫時間，即 T2 and T2*，通過產生成像對比，主要抑制來自受影響組織或器官的信號。雖然以磁性 IONP 為基礎的顯影劑（例如 Feridex®）因其適用性有限，近年來在臨床上的使用已大幅減少，但 IONP 已被廣泛用於開發利用磁性奈米材料獨特特性的靶向分子影像和治療應用平台。除了優異的生物相容性之外，IONPs 還具有以下特點：1）強大且可調的磁性，可產生極佳的對比增強效果；2）良好的藥代動力學特性，可延長血液和組織的保留時間；3）多樣化的表面化學特性，可將 IONPs 功能化，用於多模式成像、生物標記靶向和治療藥物的傳輸，如 圖 1所示。隨著分子成像技術的最新進展，以及用於診斷和治療的精確功能成像需求的不斷增加，人們對於開發用於生物醫學成像的新型 IONPs 再次產生了濃厚的興趣。
圖 1. 磁性奈米粒子 (MNP)：A) 開發成像應用的優勢和特性，以及 B) 生物醫學應用的一些範例。經許可改編自參考文獻 5 和 7，版權分別為 2016 Wiley-VCH 和 2015 ACS。
由於最近發表了許多優秀的評論，描述了 MNP 的化學、特性和成像應用，包括我們的評論，4,5 本文將集中在磁性 IONPs 的三個領域：1) 形狀控制和腎臟可清除的 sub-5 nm IONPs，具有 T1 or dual T1-T2 ；MRI contrast enhancing capabilities, 2) magnetic particle imaging (MPI) applications that solely depend on specific IONPs, 3) multifunctional IONPs for use in hybrid MRI (MRI combined with optical and/or nuclear imaging).
Sub-5 nm IONPs 作為 T1 或 T1-T2 雙 MRI 造影劑
。儘管以 IONP 為基礎的劑型具有高度的生物相容性，且實際上已被用於臨床治療缺鐵症，但越來越多的人關注到大型 IONPs（即：IONPs）清除率低且肝臟保留時間長的問題。e.,目前用於生物醫學成像應用的大型 IONPs（即 10-50 nm 核心），其清除率低且肝臟停留時間長的問題日益受到關注。此外，由於游離Gd3+ 離子從其複合物中滲出所導致的嚴重腎源性系統纖維化（NSF）事件不斷增加，限制了腎功能障礙患者使用Gd基T1 顯影劑的臨床應用。這加速了開發兼具優異T1 對比度和更佳清除特性的IONPs的努力。
傳統上，IONPs 被用作 T2 「暗化 」對比劑，因為鄰近的磁性 IONPs 會影響水分子中氫原子的 T2 弛豫時間，這是 MRI 信號的主要來源。橫向鬆弛度 (r2) 與 IONP 尺寸直接相關。當 IONP 尺寸從 4 奈米增加到 6、9 和 12 奈米時，r2 值會從 78 逐步增加到 106、130 和 218 mM-1-s-1 （在 1.5 T 的磁場強度下）。高r2 值和r2/r1 ratios（ca.傳統 IONPs 的核心尺寸範圍為 10 至 50 nm，其比率約為 10，使 IONPs 成為優異的 T2 對比度「變暗」劑，但並非臨床上偏好的 T1 「變亮」對比度劑。5 為了 「調整 」獲得T1對比度的弛豫度，人們開發了低維IONPs，包括直徑小於3 nm的超薄氧化鐵納米晶體（ultrathin iron oxide nanowhiskers）和超細氧化鐵納米晶體（ultra-fine iron oxide nanoparticles，uIONPs）。6,7 圖2A-C所示，超薄氧化鐵奈米晶絲長20 nm，直徑2 nm，r1 為6.13 mM-1-s-1 and r2/r1 ratio of 1.
在T1 加權自旋回波圖像的T1 的對比度增強。
Sub-5 nm uIONPs 也顯示出作為 T1 加權造影劑的前景，因為它們具有生物相容性和與 Gd3+ 相媲美的 r1 值 (4-5 mM-1-s-1）和超小型尺寸（低於 5 nm）和高表面體積比所產生的低 r2/r1 ratio (<4)。6,8 uIONPs的r1 相當於Gd-DTPA，在靜脈注射後的血管造影中展現出色的T1 對比度；小鼠靜脈注射 uIONPs 後，血管成像的對比度極佳，有助於劃分血管和增強腫瘤影像（圖 2E）。6 此外，在小鼠身上觀察到了新穎的雙重 T1-T2 對比效果，其中 T1 在肝血管中觀察到增亮對比，而在肝實質中呈現 T2 （或增暗）對比（圖 2F）。這種雙重 T1-T2 對比效果不僅為血管和肝臟實質的同步成像開啟了潛在的臨床應用，還能夠揭示組織特徵和 uIONPs 積聚的位置。更重要的是，uIONPs 可在造影研究後經由腎臟分泌，改善生物相容性和清除率，進而提高造影劑的安全性。最近一項使用 uIONPs 作為成像探針的研究顯示，尺寸小於 5 nm 的奈米粒子也會展現出增強的滲透性和保留性 (EPR) 效應，7 這是奈米粒子傳遞到腫瘤的主要動力之一，因此可以改善到腫瘤的傳遞和隨後的腫瘤內分佈。在本案例中，由於改變 uIONP 在不同組織環境中的分散形式所造成的由亮到暗的 T1-T2 對比轉換，根據亮 T1 contrast 的出現，以及 uIONP 在腫瘤中積聚後的集群，證實了 uIONP 的傳輸和組織穿透。定量組織學分析證實，5 nm 以下的奈米顆粒比較大的 IONP 對應顆粒能夠更有效地傳遞至腫瘤。
IONPs 作為磁粉成像 (MPI) 對照劑
磁粉成像 (MPI) 是一種新興、非侵入性的斷層成像技術，最近已被用作臨床前成像工具。MPI 信號來自 IONPs 在外加磁場下的非線性磁化行為。當 IONPs 在外部磁場中存在於組織中時，IONPs 的磁化可透過施加電磁能量來操控。由於 IONPs 的非線性磁化行為，激發頻率的高次諧波可以在 IONPs 上偵測到。11 鑑於 MPI 訊號完全來自 IONPs，這種造影方法顯示出高靈敏度，幾乎沒有背景，因此可提供高對比度或「熱點」影像，並可精確量化造影劑。這與核成像相似，但沒有放射性同位素標籤的缺點。與典型磁場強度 (1.5-7 T) 的 MRI 系統相比，MPI 擁有超高靈敏度 (接近鐵的象形圖)，且影像擷取速率高 (高達 40 張/秒)。由於 MPI 信號強度與 IONPs 的濃度成正比，因此可在不受背景信號干擾的情況下，定量檢測感興趣區域的 IONPs。
圖 2.A) 透射電子顯微鏡 (TEM) 圖像，以及 B) 模體和 C) 大鼠腹腔 (中) 或皮下 (下) 注射氧化鐵奈米晶邊後的 T1 加權自旋回波圖像，與對照大鼠 (上) 比較，改編自參考文獻 8，版權屬於 2018 年英國皇家化學會；D) uIONPs 的 TEM 圖像；E) 不同大小 IONPs 的 T1、T2 加權自旋回波圖像、r1 和 r2 值；F) 以 10 mg-kg-1 的 uIONPs 給藥前後小鼠的脂肪抑制 T1 加權自旋回波圖像。紅色虛線圈表示脾臟，綠色虛線圈表示腎臟。轉載自參考文獻 6，版權屬於 2014 年英國皇家化學會。
在所有可能的 IONP 設計規格（核心尺寸、流體動力尺寸、表面化學、成分、 生物相容性、血液循環時間等）中，IONP 尺寸和均勻性是決定 MPI 信號 強度和空間解析度的主要因素。9,10 早期的工作表明，在每個操作頻率下，特定尺寸的 IONP 都有一個最佳核心尺寸。例如，核心尺寸為 20 nm 的 IONP 可在 25 kHz 時產生最佳 MPI 影像，而 15 nm 的 IONP 則可在 50 kHz 時提供最佳影像。11 要完全瞭解 IONP 特性與信號和空間解析度之間的關係，還需要進一步的研究。應該注意的是，MRI 或 CT 影像需要提供 MPI 的解剖資訊，因為它只能提供「熱點」，即 IONP 存在的地方，而無法顯示組織或感興趣器官的結構和形態細節。
首次使用 Ferucarbotran（Resovist®，一種以 IONP 為基礎的 MRI 顯影劑）進行 MPI。，一種基於 IONP 的 MRI 造影劑，其平均流體力學直徑為 60 nm）的 MPI 應用能夠顯示小鼠左、右心房、心室和肺靜脈的心臟結構（圖 3A）。細胞追蹤和目標成像是 MPI 最早的兩種應用。例如，用 Resovist® 標記的神經祖細胞在免疫抑制的大鼠模型中成像並量化 活體 超過 80 天。在研究紅血球 (RBC) 移動時，SPION（Resovist® ）產生顯著的 MPI 訊號。sup>® 和 Sinerem® （直徑 20-40 nm））標示的 RBC 在高頻範圍內產生了顯著的 MPI 信號，與沒有 SPION 標示的對照 RBC 相比（圖 3B-C）。有趣的是，SPION 標記的 RBC 在血液中的半衰期較長，這表明 MPI 可用於實時監測循環系統中的阻塞和障礙。
MPI 還可用於可視化和追蹤介入醫療裝置和植入物。在圖3D-E中，將市售的經皮腔內血管成形術球囊導管注入Resovist® 示蹤劑並插入血管模型中，然後用MPI掃描儀進行成像。12 只需少量的 MPI 示蹤劑（每公升含 25 毫摩尔鐵），就可以用 MPI 清晰地看到軸，球囊充氣和放氣過程以及動脈狹窄擴張的情況也是如此。
圖 3. A) 跳動小鼠心臟的 MPI (左) 和 MPI-MRI 融合 (右) 動態影像；B) 對照和 NP 標籤紅血球的 TEM 影像和 C) Resovist®、Sinerem®、Resovist® 標記和 Sinerem®的 MPI 信號資料。-分別為L1,2R-RBC和L1,2S-RBC）；D）充滿IONPs (Resovist®)的球囊導管的MPI軸向、冠狀面和矢狀面圖像，以及E）球囊放氣時（左上）、充氣時（右上）、充氣時（左下）和移出視場時（右下）的3D渲染圖像。12
以IONP 為基礎的多模態影像
鑑於特定影像模式在靈敏度、解析度、解剖資訊和成本方面各自的優點和限制，人們對於開發可結合和補充兩種不同影像模式的多模態影像系統的興趣與日俱增。
MRI-近紅外線 (NIR) 光學影像
結合了三維、解剖學、光學與影像學的多模組成像技術。將 MRI 的三維解剖學定義深層組織成像能力與具有成本效益的光學成像和功能分子成像探針相結合，可提供更多關於特定生物和分子事件的資訊 體內。此外，以光學成像為基礎的手術介入可以利用 MRI 的高空間解析度和解剖資訊。在各種光學成像探針中，近紅外線染料比傳統的螢光螢光團更有優勢，因為生物樣本的吸收干擾和自發螢光最小，散射問題減少，組織穿透深度提高。
為了結合近紅外線光學成像與 MRI，近紅外線染料可以與 IONPs 結合。例如，Cy5.5 是一種廣泛使用的近紅外線染料。我們透過胺反應交聯劑將其結合到葡聚糖包覆的交聯 IONPs 上，再進一步用合成肽 (EPPT) 改性為靶向配體，以成像人類胰腺腺癌上的糖基化不足黏蛋白-1 (uMUC-1) 抗原。靜脈注射靶向探針24小時後，在腫瘤區域內觀察到顯著的T2 對比度（圖4A），同時伴有高強度的近紅外線螢光信號（圖4B）。7 同樣地，制備了Cy5.5標記的尿激酶型纖維蛋白原激活劑受體（uPAR）靶向IONP探針來對小鼠的乳腺腫瘤成像。將Cy5.5和氨基末端片段(ATF)多肽共結到IONPs上後，MRI和NIR成像都被用來觀察uPAR表達的腫瘤(在 圖4C 和 4D中圈出)。4 同樣地，在IONPs上使用腫瘤靶向、胰島素樣生長因子1（IGF-1）和NIR830染料展示了IGF-1受體陽性胰腺腫瘤模型的靶向MRI-NIR成像能力。5 NIR染料結合的IONP（包括市售的MagDye-765®, IN765-05-05）除了增加了一種輔助方式來增加成像能力和資訊之外，還傳遞了有利的藥代動力學和生物標誌物靶向性，這是低分子量光學成像探針所不具備的。然而，在結合兩種材料時，需要考慮 IONP 對原始染料光學特性的干擾，例如光淬火效應。
圖 4. A）T2 加權影像和 B）Cy5.5-EPT-CLIO 注射小鼠罹患人類胰腺腺癌的顏色編碼近紅外線圖譜，改編自參考文獻 7，版權屬於 2015 美國化學會；C）T2 加權 MRI 和 D）Cy5.5-ATF-IMP 注射小鼠罹患 4T1 小鼠乳腺腫瘤的近紅外線影像4。
MRI-Positron Emission Tomography (PET)
是最強大的臨床分子影像模式。它能夠使用放射性、正電子發射示踪劑報告疾病的功能、分子和代謝資訊。結合 PET-MRI 的掃描器使用 MRI 來顯示解剖結構和組織形態，可揭示功能、分子和生理資訊，以提高診斷能力。合併式 PET-MRI 現在已可應用於臨床。預計隨著結合 PET-MRI 以更多不同的方式使用，對能同時增強 MRI 和 PET 檢測的新型顯影劑材料的需求將會增加。傳統的 MRI-PET 雙對比劑是將標有 PET 敏感放射性同位素的化合物 (例如、 18F、 64Cu、 69Ge）通過螯合配體與 IONPs 結合，例如 1,4,7,10-四氮雜環十二烷-1,4,7,10-四乙酸（DOTA，Cat. 86734）或 1,4,7-三氮雜環壬烷-N,N′,N″-三乙酸（NOTA）。 64Cu-bis(dithiocarbamatebisphosphonate) [64Cu-(ttcbp)2]，它將 IONPs 與 PET 同位素 64耦合。Cu（如 圖5A所示），利用雙成像系統追蹤小鼠引流淋巴結中 64Cu標記的IONPs（圖5B）。13 放射化學的最新進展允許合成混合MRIPET示踪劑，而不需要螯合劑。 圖5C 顯示锗 (69Ge with t1/2 of 39.05 h)可以在化學合成過程中摻入 IONPs，方法是將 69Ge 與鐵前體混合。這種材料在T2 加權MRI和 69Ge PET中顯示出優異的對比度。7 為了獲得具有PET成像能力的T1 MRI對比劑，我們使用微波輔助的方法將68Ga摻入到右旋糖酐包覆的uIONPs中（圖 5D），從幾種鐵濃度的 68Ga-uIONPs 得到更明亮的 T1 加權 MRI 圖像和 PET 圖像（圖 5E）。6,14
。
圖 5. A) IONP-64Cu 螯合物的示意圖；B) 使用 64Cu-(dtcbp)2-IONPs 進行淋巴結的 MRI/PET 雙模式成像，經參考 13 許可改編，版權屬於 2018 Elsevier；C) 摻雜 69Ge 的 IONPs 的示意圖，以及 體內PET和T2加權MRI圖像7；D) 68Ga-uIONPs的示意圖和TEM圖像，以及E) 不同鐵濃度下68Ga-uIONPs的MRI模體圖像（上）和PET掃描（下）。8
結論
磁性 IONP 仍將是開發和應用生物成像的主要平台選擇，無論是臨床前研究和轉譯研究，還是潛在的臨床成像。我們重點介紹了 IONPs 作為顯影劑用於 MRI、MPI 和以 MRI 為中心的多模態成像的設計和工程方面的最新發展。人們對於 IONPs 可替代 Gd-DTPA 作為 T1 MRI 造影劑的興趣與日俱增，這將促使這類新的 IONPs 進一步發展至臨床用途。由於目前已有多種多模態造影模式可供臨床應用，因此配製結合多種造影模式的對比增強效果
的多功能混合IONP製劑，將繼續是一個活躍的研發領域。儘管 MPI 可能還需要數年才能開發完成並通過臨床應用的認證，但其在臨床前研究中的快速適應能力將足以證明其在擴大 體內 生物成像應用方面的能力和潛力。就需要磁性 IONP 的 MPI 而言，針對 MPI 應用而調整或量身打造的新類 IONP 的開發，將是一個令人興奮的觀察領域。
參考資料
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