作者：戴五敏，易賀慶，李林法，浙江省腫瘤醫院核醫學科
分子影像學是精準醫學的三大支撐技術之一，其藉助分子探針，運用影像設備實時監測活體細胞、組織乃至整個機體在細胞或分子水平發生的生理、生化事件。目前常用的分子影像探針包括常規的非特異性造影劑、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、光學納米探針、放射性核素標記納米探針、聲學納米探針、多模態納米探針和診療一體化納米探針等。
由於PET的高靈敏度、精確的空間定量能力及其在診斷和監測疾病變化中的重要作用，放射性核素標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記納米材料的策略為起點，介紹近年分子影像領域出現並用於臨床研究的多功能納米探針。
1.放射性核素標記納米材料的策略
放射性核素標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行放射性核素標記。製備放射性核素標記的納米探針需要考慮兩個方面：①放射性核素的選擇，主要依據放射性核素的物理特徵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記到納米材料上。放射性核素標記納米材料的方法可能影響其體內分布，因此標記方法必須安全、迅速、有效。
目前主要標記方法包括：①螯合：放射性金屬離子通過配位化學與螯合劑進行絡合反應；②質子束/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納米粒子合成後無需螯合劑的放射標記。
1.1螯合
以往納米粒子一般通過螯合方法進行放射性核素標記。採用螯合方法進行放射性核素標記需要著重考慮放射標記的穩定性。如果放射性同位素從納米粒子上脫落，可與內源性蛋白反式螯合，導致對探針信號分布的錯誤解讀。商業化的1，4，7，10-四氮雜環十二烷-1，4，7，10-四乙酸（1，4，7，10-tetraazacyclododecane-1，4，7，10-tetraacetic acid，DOTA）通常用於螯合64Cu，但由於空間位阻導致放射標記穩定性較差。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以提高放射標記的穩定性；邢巖等研發了比DOTA更小的1，4，7-三氮雜環十二烷-1，4，7-三乙酸（1，4，7-triazacyclononane-1，4，7-triacetic acid，NOTA）螯合64Cu，並用整合素結合肽cRGD靶向新生血管和腫瘤細胞。
儘管如此，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的藥代動力學、化學合成費用高但效率低、有時標記穩定性較差。因此，內在放射標記納米粒子的方法應運而生。
1.2質子束/中子束直接轟擊納米粒子
該方法利用質子和中子束轟擊非放射性納米材料產生放射性納米材料。質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核反應產生放射性核素標記納米材料。這種方法具有一定的價值：①無需合成步驟，能夠迅速產生半衰期非常短的放射性核素標記納米材料，並進行體內成像；②可根據需要迅速激活；③放射性原子包被在納米粒子中，其產生的信號真實反映了納米粒子的分布。但由於轟擊導致納米粒子結構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於體內成像。
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生高穩定性的放射性標記納米材料。在PET顯像中，這種類型的放射標記方法常用於64Cu標記。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通過加熱產生[64Cu]CuS納米粒子。類似條件和方法可產生65Zn、68Ga、109Cd、111Zn、141Ce、153Sm、198Au放射標記納米探針。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生內在固有放射性標記。如在酸性環境下簡單地混合64Cu2+與轉鐵蛋白的輕鏈和重鏈，然後將pH調回7.4，形成64Cu2+標記的轉鐵蛋白納米籠。
納米粒子內二價陽離子結合位點阻止64Cu2+逃離，轉鐵蛋白納米籠也能阻止血清等「外來侵襲物質」接近64Cu2+。但64Cu還原電位較低，因此64Cu標記產生放射性標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汙染的風險。其他用於直接合成納米粒子的核素111In和109Cd也面臨著嚴苛的合成條件這一問題。
1.4納米粒子合成後無需螯合劑的核素標記
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相互作用，整合放射性核素到已經製備好的納米粒子內。放射性核素無法進行絡合化學反應時，該方法顯得尤為重要。如*As（Ⅲ）或*As（V）很難通過絡合化學反應標記納米載體，但由於*As與Fe3O4表面的特異親和力可容易形成*As標記的超順磁性氧化鐵納米探針（superparamagnetic iron oxide nanoparticle，SPION），用於PET/MRI。使用相同的策略，69Ge、68Ga、90Y、111In、89Zr、18F、11C以及64Cu也成功用於標記納米粒子。
納米粒子合成後無需螯合劑的放射標記策略具有快速、特異性高、溫和條件下標記率高等優點，但目前這種方法僅成功應用於有限的放射性核素和納米粒子組合中。
2.放射性核素標記的多功能納米材料及其臨床應用研究
放射性核素標記納米材料已從以往的單一功能向多功能發展。多功能納米材料包括多模態成像納米材料和診療一體化納米材料。
2.1多模態成像納米材料
多模態成像結合，發揮優勢互補，可解決單一技術和顯像模態的缺陷，是分子影像學未來的發展方向。設計多模態納米材料需要考慮影像模態的特徵以及2種或幾種成像模態是否優勢互補，以提高診斷精確度和準確度。如PET的高敏感性和低解析度能通過MRI的高空間解析度、低敏感性和精確的軟組織造影很好地得以補償。
PET/MRI雙模態顯像的優勢為避免CT輻射的同時極大地提高了影像信息的獲得量。PET還能與近紅外螢光成像（near infrared fluorescence，NIRF）進行雙模態顯像，甚至PET/NIRF/MRI三模態顯像。最常見的多模態成像納米材料的結構為：納米材料核心為單一模態的顯像造影劑，其外包被材料附加有可進行其他模態顯像的分子。如68Ga-AGuIX@NODAGA是聚矽氧烷製備成NODAGA後螯合68Ga標記的超剛性納米粒子，Bouziotis等報導在U87MG膠質母細胞瘤移植瘤小鼠中用其作為成像探針，可同時進行PET和MRI，以指導放射治療。此外，還存在本身就具多模態屬性的納米材料，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。因它們化學構造相對簡單而極具臨床應用價值，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胞並摧毀之；③遞送光動力治療或其他刺激響應藥物。在確診的腫瘤患者中，診療一體化納米材料用於疾病分期、療效評估、影像指導藥物遞送以及影像監測藥物釋放。
Li等報導了卟啉/膽酸構建的治療診斷一體化納米平臺，能同時進行NIR、MRI和PET三模態成像以及熱治療、光動力治療和智能程序性控釋藥物。其他材料如脂質納米材料、多聚物納米材料、矽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、石墨烯等在多模態成像和治療診斷中也具有很好的應用前景。
儘管目前製備多功能納米材料還極具挑戰性，但智能診療納米材料將在腫瘤診斷和治療中發揮重要作用。刺激響應型智能診療納米材料是利用物理刺激或腫瘤特異微環境如pH、光、壓力、酶、磁場、溫度、超聲、mRNA、穀胱甘肽、低氧或弱酸等控制藥物釋放而實現智能控制。Wang等報導由pH（pH≤6.2）響應的雙嵌段共聚物（pH-responsive diblock copolymer，PDPA）、含釓光敏劑Ce6以及阿黴素前體藥物組成的納米微團，具有螢光成像（fluorescence imaging，FLI）、MRI和光聲成像（photo acoustic imaging，PAI）的多模態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、持續緩控釋、智能刺激響應控制釋放、多藥聯合或藥物和熱/放射/其他治療協同治療以及多模態診斷能力。
2.3多功能納米材料的臨床應用
必須有充分的理由才可以推動納米材料進入臨床試驗，如納米材料是否比小分子造影劑更有效、費用更低；此外，應考慮納米材料在智能響應、信號物理放大等方面是否優於小分子造影劑。首次進行臨床試驗的PET成像納米探針是124I標記矽量子點（NCT01266096），該量子點通過Stöber法製備，PEG連接環狀RGDY肽（Arg-Ala-Asp-Tyr）到矽量子點從而靶向腫瘤；然後利用氧化劑對RGDY酪氨酸殘基的側鏈羥基進行親電取代從而標記上124I。該核素標記量子點十分穩定，注射後24h監測體內放射劑量，其中僅2.5%的信號來源於游離的核素。
124I的半衰期為4.2d，故注射124I標記矽量子點數天後仍能檢測到信號，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行成像。注射2×1015個矽納米粒子到5個轉移性黑色素瘤患者中並成功進行轉移瘤的PET顯像。但發現納米材料的有效積聚尚存在問題：cRGDY肽靶向使得1.78×1011個矽量子點聚集在腫瘤部位，僅佔注射劑量的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運機制促進矽量子點在腫瘤部位的積聚。
此外，64Cu-MM-302為64Cu標記的HER2靶向載阿黴素的脂質體（NCT01304797），PET顯像發現其特異地在HER2陽性轉移性乳腺癌聚集，研究發現64Cu-MM-302攝取越高，治療效果越好。
3.總結與展望
納米探針從單一功能模態顯像到多功能、多模態、智能顯像方向多位一體迅速發展。但納米材料在腫瘤診療應用中也存在一些局限性：①由於高通透性長滯留效應在腫瘤中的異質性，納米材料進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、靶向作用和治療協同性等關鍵問題得到解決，多功能納米材料特別是智能診療納米材料會成為精準醫療中越來越重要的一部分。天然納米材料如吞噬細胞、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，尤其值得關注和研究。
來源：戴五敏,易賀慶,李林法.放射性核素標記多功能納米探針及其在PET顯像中的研究進展[J].中國醫學影像學雜誌,2019(08):630-633.
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