0 前言

       MRI作为一种肿瘤诊断模式，因其非侵入性、安全无创而被广泛应用于临床诊断^[1]。常规的MRI序列特异性较差，所以常常需要使用对比剂来显著增加成像的分辨率^[2]。钆螯合物和氧化铁纳米颗粒分别是临床上最常见的T1和T2对比剂，但钆剂对较小及早期的肿瘤诊断敏感性不高并且具有一定的肾毒性^{[3, 4]}。相比于钆剂，铁元素作为人体必需金属元素之一，氧化铁纳米颗粒对人体具有更高的亲和性和生物相容性，并且超顺磁性氧化铁纳米粒子（superparamagnetic iron oxide nanoparticle, SPION）强大的磁性以及在多功能模式中的优越作用，使其在肿瘤诊断方面得到广泛研究，如阿魏酸甘油酯、Resovist、GasterMARK和Feridex等SPION的MRI对比剂已获得美国食品和药物管理局批准^{[5, 6]}。本文主要综述SPION在肿瘤诊断及治疗方面的应用，希望能为合成新的诊疗一体化SPION相关对比剂提供参考。

1 SPION的成像机制

       目前诊断上应用比较普遍的MRI对比剂一般为钆的螯合物，从静脉中滴入时，在磁场的影响下，其可以缩短纵向弛豫时间，从而在T1加权像上呈短T1信号，图像表现为高信号，而超顺磁性对比剂可以加速横向弛豫速率，使图像变得更暗^{[7, 8]}。SPION中的超顺磁性是由于每个粒子的偶极（南和北）沿着正交轴不断改变方向而产生的。这些方向的变化既是由于磁极的内在翻转，也是由于粒子的热搅拌（布朗运动）。在没有外加磁场的情况下，SPION悬浮液中没有净偶极子，这是因为单个偶极子通过不断地移动来平衡自身。而在外加磁场的作用下，偶极子对齐，SPION变得强烈磁化，当磁场被移除时，SPION恢复到其原始的未磁化状态，这使得它们非常容易受到磁场的影响，而不会在磁场被移除后保持表观磁化强度，在处于外加磁场时会被诱导产生更强的局域磁场，进而对颗粒周围氢质子的弛豫过程产生更强烈的影响，并且能够比较有效的减少T2时间，使T2加权像变暗，因此SPION作为MRI对比剂表现出负增强效果^{[9, 10]}。

2 SPION的制备方法

       SPION可以用化学、物理和生物方法合成，其中以化学方法应用最广泛^[11]。化学方法包括共沉淀法、热分解法、水热合成法、微乳液法等^[12]。共沉淀法制备简单且对实验条件要求较低，是目前实验室最常用的方法，共沉淀法通常是利用二价和三价的铁盐和沉淀剂混合，发生复杂的共同沉淀反应进而生成所需SPION，大多数商用的SPION都是通过这种方法合成的^[2,11]，但通过这种方法得到的纳米颗粒结晶度低，多分散性相对较大。而高温热分解法是将金属有机化合物添加到高沸点的溶剂中进行加热分解，最终得到高结晶度的纳米粒子。该方法不是通过铁离子的水解反应，而是利用高温分解前体以产生核，从而实现磁性纳米粒子的制备，得到的纳米粒子粒径分布均匀且有良好的单分散性^[13]。

       在制备过程中或制备后，氧化铁纳米颗粒的表面通常会被生物相容性涂层所修饰，这样做是为了在生物介质中稳定SPION，以防止它们可能的氧化，提高它们的生物相容性，和/或附着功能分子，如靶向配体或药物。用于包裹氧化铁纳米颗粒的材料有壳聚糖^[14]、聚乙二醇^[15]、聚丙交酯-乙交酯共聚物^[16]、苯酚^[17]、聚乙烯亚胺^[18]等一系列物质，其中聚乙二醇具有独特的优势，如水溶性、高生物相容性和长血液循环时间等，是最常用和最有用的涂层材料之一^[19]。

3 SPION在肿瘤诊断中的应用

3.1 基于SPION肿瘤成像的临床应用

       SPION可用于肿瘤成像的原因：（1）拥有独特的成像机制，SPION可以缩短T2并导致图像变暗；（2）拥有纳米粒子的特性，静脉注射会被肝、脾、淋巴结和骨髓中的巨噬细胞清除，能够被高度摄取；（3）可以通过增强的渗透性和滞留（enhanced permeability and retention effect, EPR）效应传递到肿瘤。

3.1.1 肝脏肿瘤显像

       目前已经有超顺磁性氧化铁制剂获得临床批准，如菲立磁和Resovist都被批准专门用于肝脏MRI^{[20, 21]}。因此对于肝脏成像也有进一步的应用，SPION制剂也被应用于测量肝脏的消融边缘，消融边缘可理解为在射频消融术前肿瘤轮廓和消融后坏死之间的最短距离^[22]。如何在临床治疗中对消融边缘的大小进行准确的估计是非常重要的，在肝细胞癌射频消融术后，通常通过目视来定性地评估介入前后的对比增强计算机断层扫描图像^[23]，并主观地估计不可见的消融边缘厚度，这就导致了对消融边缘的不准确估计。而FUKUDA等^[24]通过预先注射SPION的MRI来测量消融边缘，它可以精确测量消融边缘，而不需要与其他图像进行比较。在注射SPION后8 h内进行射频消融时，在平扫MRI T2加权像上，只有肿瘤周围的肝实质（即消融边缘）在T2加权像上显示为低信号边缘，共评估了76例患者的85个肝细胞癌，确定了适合于根治性肝细胞癌消融的最小消融边缘厚度。

3.1.2 前哨淋巴结显像

       淋巴结状况在评估前列腺癌的局部范围和预后方面起着决定性作用，因为生存与阳性结节的数量成反比^[25]。WINTER等^[26]在前列腺内注射SPION后，可以在术前使用MRI显示前哨淋巴结（sentinel lymph node, SLN），从而允许比淋巴核素扫描更高的空间分辨率，SPION注射可在术前发现所有患者的SLN。SPION-MRI显示的SLN的数量高于以前使用放射性同位素示踪剂和淋巴核素扫描或单光子发射计算机断层扫描所描述的数量，淋巴核素扫描的空间分辨率有限，相比之下，MRI的高空间分辨率允许相互相邻的SLN的个体区分，这是淋巴核素成像的一个热点。MRI对极小浓度的SPION高度敏感，可显示非常小的SLN。

3.1.3 肿瘤血池显像

       相对脑血容量（relative cerebral blood volume, rCBV）的测量有助于肿瘤血管形成的可视化和量化，这是脑肿瘤生存和进展的一个指标^[11]。YU等^[27]用大鼠建立了脑胶质瘤的模型，并分别用超小型超顺磁性氧化铁（ultra-small superparamagnetic iron oxide, USPIO）和钆-二乙三胺五乙酸进行MRI灌注成像。在MRI灌注图像分析的基础上计算肿瘤rCBV，结果显示基于钆基对比剂的肿瘤rCBV可以被低估，而USPIO不仅提供了对肿瘤rCBV的一致评估，还提供了不同肿瘤之间血管体积的客观比较，USPIO由于其低漏出率而在评估肿瘤血流灌注方面具有优势，这表明USPIO在MRI灌注成像中是一种非常有吸引力的替代钆-二乙三胺五乙酸的对比剂。

3.2 基于SPION的肿瘤靶向探针

       用于设计肿瘤靶向性对比剂的策略一般包括主动靶向、被动靶向和可激活靶向^[28]。其中被动靶向对比剂能够通过EPR效应传递至肿瘤，EPR的特点是微血管泄漏和肿瘤淋巴引流效率低下，允许纳米颗粒或高分子探针选择性地进入肿瘤间质间隙并储留；主动靶向是将靶向配体连接到对比剂并与靶细胞表面的受体发生特定的相互作用，从而将对比剂选择性地输送至肿瘤部位进而发挥作用，并且配体和细胞表面之间的亲和力允许对比剂在靶部位选择性地长时间积累；可激活靶向是指对比剂在正常组织中，没有明显的成像信号，但会与肿瘤微环境中的反应物，如趋化因子、细胞因子、生长因子等发生相互作用，进而被激活而发出增强的信号，在肿瘤部位特异性成像^{[29, 30, 31]}。

3.2.1 被动靶向

       被动靶向性主要利用组织、器官或靶病灶区特定的生理特点，如在内皮吞噬系统中的巨噬细胞或肝细胞的特异性识别、肿瘤新生血管的开窗大、血管通透性高和低效的淋巴引流所产生的EPR效应等，达到在肿瘤部位积聚的效果^{[32, 33]}。依据这一观点，在临床中已应用的肝脏显像和淋巴显像也属于被动靶向。

3.2.2 主动靶向

       纳米颗粒很容易被网状上皮系统器官清除，因此无法在肿瘤部位聚集，导致肿瘤成像的信号较低，为了解决这一问题，将SPION与特定的配体或受体进行偶联，得到的探针具有主动识别的功能，可用于疾病的相关研究，同时也可进一步用于恶性肿瘤的早期诊断^[34]。黏蛋白1（mucin 1, MUC1）是一种高度糖化的跨膜蛋白，在90%的胰腺癌患者中过度表达，可调节癌细胞的侵袭和转移潜能，而抗黏蛋白1的单抗是与其受体MUC1相互作用的配体-受体系统的候选分子之一^{[35, 36]}。ZOU等^[37]通过化学方法将MUC1偶联到SPION上，制备了MUC1靶向探针，在体外实验中用不同浓度的MUC1-SPION和SPION培养胰腺癌细胞，用普鲁士蓝染色来观察靶向和非靶向探针与细胞的结合情况。普鲁士蓝染色显示细胞膜周围有明显的MUC1-SPION摄取，与主要位于细胞间隙的非靶向SPION相比，MUC1-SPION孵育时，胰腺癌细胞的细胞膜周围可以观察到更多的铁摄取，证实SPION与MUC-1的结合促进了它们通过胰腺癌细胞的摄取。在体内实验中，建立了裸鼠模型，分为靶向组与非靶向组，靶向组肿瘤中的信号减少更多，而且在注射MUC1-SPION后4 h，肿瘤区域信号明显减弱，T2加权信号减弱的面积随溶液浓度的增加而增大。而非靶向组信号减弱较小，不同浓度梯度间差异无统计学意义。这些结果表明，MUC1-SPION的MRI表现出更强的对比增强和更低的信号强度，表明MUC1-SPION是一种很有前途的纳米级MRI对比剂，可用于胰腺癌的早期和靶向诊断。该实验仅揭示了该对比剂在胰腺移植瘤中的作用，并未显示其对其他器官的影响。

       SPION的主动靶向探针在乳腺癌的早期诊断中也有出色表现，KHANIABADI等^[38]为了实现乳腺癌早期有效和特异的诊断，制备SPION-C595作为乳腺癌早期检测的MRI对比剂。用四甲基偶氮唑盐比色法进行检测，即使在最高浓度的成分下，该纳米探针对乳腺癌细胞株MCF-7的结合也没有细胞毒性。癌细胞摄取实验显示SPION-C595对乳腺癌MCF-7细胞具有主动靶向性，并且MRI结果显示，最大剂量的SPION-C595对T2弛豫速率有良好的减慢作用。因此SPION-C595纳米探针在乳腺癌细胞（MCF-7）T2加权MRI对比剂检测中具有潜在的应用前景。但必须严格控制SPION的尺寸，才能使颗粒具有均匀的物理化学性质，同时SPION的体内稳定性和生物分布也有待进一步研究。

3.2.3 可激活靶向

       当SPION尺寸减小到5 nm以下时，超小型SPION显示出良好的T1成像能力。当其尺寸因聚合或组装而增大时，T2成像能力得到增强，使超小型SPION恢复到原来的T2成像能力^{[39, 40]}。因此LIU等^[41]采用微乳液介导法制备基于超小型SPION的pH值和过氧化氢双重响应的T2-T1可切换超顺磁性氧化铁纳米探针，该方法具有独立修饰和可控组装的优点，并加入单宁酸，其具有独特的多酚结构和铁离子的络合作用，使超小型SPION通过组装和聚合增加其尺寸，然后显示T2磁共振信号。静脉注射到达肿瘤部位，肿瘤部位的微酸性环境、高浓度的过氧化氢将它们解离成小尺寸的超小型SPION，并恢复T1的MRI信号。在小鼠肿瘤模型中，注射后可在2 h内通过EPR效应使纳米探针在肿瘤部位达到浓聚，肿瘤部位显示出强烈的T2成像信号，从4 h开始，成像信号逐渐转变为T1信号，8 h时达到最大值，此后信号值随时间逐渐减小。然而，即使在24 h后，仍然可以检测到微弱的T1 MRI信号，显示该探针良好的成像能力。LI等^[42]开发了一种能够从T2增强切换到T1增强的谷胱甘肽和过氧化氢双响应信号反转MRI对比剂。主要由SPION和可降解介孔二氧化硅纳米颗粒组成，该对比剂在肿瘤小鼠体内实现了T2加权成像，并在谷胱甘肽和过氧化氢介导的介孔二氧化硅纳米颗粒降解时有效地切换到T1加权成像。该对比剂很大程度上减少了伪影，提高了MRI的准确性。但此类探针目前还都是在动物模型上实验，在人体内的安全性和稳定性还有待进一步研究。

3.3 基于SPION的肿瘤多模态成像

       每种成像方式在敏感性、空间分辨率和组织穿透深度方面都有其独特的优势和固有的局限性，因此两种或更多种成像技术的组合，也称为多模式成像或混合成像，可以提供比任何单独的成像方式更多的协同优势^{[43, 44]}。现已成功合成多种可用于多模态成像的对比剂，如GHOLAMI等^[45]成功制备了单光子发射计算机断层成像（single photon emission computed tomography, SPECT）和MRI的双对比剂，即¹⁵³Sm标记SPION的探针，在人血清存在下注射后的48 h仍具有良好的体外稳定性，且在大鼠体内的生物分布表明，注射后的30 min，84%以上的探针被肝和脾摄取（分别约为64%和20%）。在肝和脾中的大量摄取，以及它们在其他组织特别是血液中的快速清除，提示这种放射性示踪剂具有良好的临床应用前景。PHAM等^[46]在醋酸盐缓冲液中，成功地用SPECT放射性同位素⁶⁷Ga或正电子发射断层成像（positron emission tomography, PET）放射性同位素⁶⁴Cu标记了具有良好MRI阴性对比度的SPION，并且在磷酸盐缓冲盐水中分散1周后，放射性标记SPION的水相中未检测到游离放射性同位素，实验证明所有标记的SPION不仅在生理条件下具有良好的分散性和稳定性，而且在体外无细胞毒性。是理想的、生物兼容的多模PET/SPECT-MRI试剂。

       各种以SPION为核心的多模态探针的成功制备及其展现出的优良特性，也使其被陆续运用在肿瘤成像上。MADRU等^[47]利用一种快速、无络合剂的偶联方法标记SPION，开发一种基于⁶⁴Cu标记的SPION（⁶⁴Cu-SPION）双峰PET-MRI对比剂，且被证明在生理条件下稳定，同时建立小鼠模型，证明其能够在体内使用同步PET-MRI检测和可视化SLN，直到注射后的24 h。CHEN等^[48]将聚乙二醇修饰的SPION与Plectin-1抗体和荧光显像剂Cy7偶联，形成多功能靶向纳米粒子探针，成功地将该靶向探针应用于胰腺癌细胞的体外成像和胰腺肿瘤异种移植瘤的体内成像，表明该荧光和MRI双功能纳米粒子可以对胰腺癌进行可视化，并具有与多种成像设备联合应用的巨大潜力。但移植瘤的大小可达5～10 mm，所以尚不清楚该纳米粒子是否适合检测早期病变。光声成像是近年来发展起来的一种新型生物医学成像技术，通过光声效应以声学方式检测光吸收对比度，光声效应则是一种将吸收的光能转化为声能的物理现象^[49]。使用近红外荧光对比剂吲哚青绿（indocyanine green, ICG）作为光声成像对比剂，可以实时进行深层组织成像。THAWANI等^[50]合成了一种由美国食品和药物管理局批准的两种成分——近红外荧光对比剂ICG和MRI对比剂SPION生成的稳定的簇合物，这是一种可以进行MRI和术中光声成像的新型对比剂。ICG-SPION簇在体外和生理条件下都是稳定的，可以通过EPR效应在肿瘤内摄取，且可以在注射后的24 h的临床前动物模型中检测到。ICG-SPION簇使术前增强的放射学发现与术中光声成像增强的病理的视觉表现直接相关，让外科医生能够根据术前MRI使用光声成像实时勾画出对比度增强的区域。但光声成像平台才刚开始在临床中用于人体，还没有得到广泛的应用，此外，组织体积可能会限制人体的近红外成像。

4 SPION在肿瘤治疗中的应用

       已有研究表明SPION可以作为纳米载体，进行肿瘤靶向药物输送，对肿瘤进行治疗^[51]。HOANG等^[52]将肝素-泊洛沙姆（heparin-Poloxamer, HP）壳层修饰SPION，形成SPION@HP核壳体系，用于抗癌药物的缓释，核壳体系保持了SPION的形态特征和所需的尺寸范围。之后将抗癌药物阿霉素（doxorubicin, DOX）包埋在SPION@HP的聚合物壳层中，载药率为66.9%±2.7%，控释时间长达120 h。同时，通过四甲基偶氮唑盐比色法检测，负载DOX的SPION@HP对人宫颈癌细胞有较强的抗癌作用。结果表明SPION@HP可以作为一种有效的肿瘤治疗靶向递送系统。在肿瘤治疗方面，SPION可以作为载体将药物分子靶向性地输送到肿瘤部位，然后控制药物释放到肿瘤细胞中进行化学治疗。不仅可以提高药物的生物利用度，还可以改善药物的溶解性，减少给药频率与剂量。未来可以将靶向给药系统与多种跟踪技术相结合，可以实现对药物生物分布和浓度的实时监测和定量分析。

5 小结和展望

       本文综述了SPION的制备方法、成像机制及其在肿瘤诊断和治疗中的应用。SPION可以通过多种不同的方法合成，每种方法都有各自的优缺点，可以根据具体实验条件选择合适的方法。作为典型的T2对比剂，SPION最初被用作癌症的诊断。并且随着临床应用的飞速发展，对SPION的靶向性和多模态成像提出了更高的要求，可通过有机/无机材料修饰或与PET、光声成像、荧光成像等联合成像来达到要求。目前的医学应用使其不仅成为对比剂，而且还成为药物输送和治疗的示踪剂。为了有效的诊断和治疗，将多功能SPION与靶向分子或药物结合，可以同时定位、早期发现和治疗肿瘤。SPION的多功能化、多模式成像、多模式治疗正成为研究的重点。

       SPION因其具有良好的生物相容性、无毒性而被人们注意，并成为人们进一步研究更安全有效的对比剂的重要材料。该纳米粒子已经能够在实验室用相对简单有效的方法制备，并能通过表面修饰使其具有稳定性及靶向性。今后稳定地大规模生产SPION将作为进一步的研究方向，以满足应用的需要；以及制备更加灵敏有效的新型高效靶向分子，进一步提高使用的安全性。SPION在构建药物输送平台方面已经展现出巨大的潜力，今后可进一步构建新型的诊疗一体化肿瘤探针。相信随着医学的发展和进步，磁性纳米粒的应用前景会更加广阔。