近十年来，分子影像（molecular imaging）技术不仅能在组织水平、细胞水平甚至分子水平对特定的分子进行活体成像以显示其生物学行为，还能对特定分子进行定性、定量研究，在药物研究、疾病监测、临床治疗与诊断等方面具有广阔的应用前景^[1]。当今的多种分子影像技术，如MRI、PET、SPECT、光学成像等在当前药物研发或者疾病治疗中都已有一定的应用，但由于自身灵敏度、选择性、分辨率以及安全性等方面的不足，在实验研究或者临床应用都受到了极大的限制。双模态分子影像技术的出现和发展为这个问题的解决提供了可能，它通过将两种不同分子影像探针进行"合二为一"，使其能同时用两种分子影像技术进行检测，不仅克服了单一分子影像技术的固有局限性，而且使不同分子影像技术的优势得到互补，更重要的是还大大拓宽了分子影像技术的研究范围与应用前景^[2,3]。随着分子生物学、化学合成等技术的发展，特别是纳米材料与技术的发展，双模态分子影像探针的研究取得了可喜的成果。各种双模态分子影像探针，如PET-光学探针、SPECT-光学探针、PET-MRI探针以及MRI-荧光探针等已成功应用于小动物活体成像，甚至部分成果已成功应用于临床工作中。其中，以MRI-光学双模态探针的研究与进展最引人注目。

       MRI是目前研究最为成熟的影像技术之一，它能在亚毫米水平上提供高分辨率的组织信息和三维结构成像，并且无需使用放射性物质做为对比剂，在科研和临床中得到了广泛的应用。但由于靶向性差、灵敏度低，临床应用受到很大限制。而光学显像技术具有相当高的灵敏度，因此将MRI与光学成像技术进行联合，即能提供高分辨率的结构组织学信息，同时又能实现高灵敏的功能学显像，最终达到功能学显像与结构组织显像的完美统一。特别是近年来由于纳米科技的发展，功能性量子点、纳米金、稀土材料等在分子影像中的大量应用，使MRI光学成像"一体化"探针取得了快速发展^[4]。笔者将就最新报道的各种MRI光学双模态探针进行简要综述。

1　MRI-荧光染料双模态分子影像探针

       荧光染料泛指在吸收某一特定波长的光后能发射出更长波长的一类有机染料分子，大多是含有苯环或杂环并含有共轭双键的化合物。早期的荧光分子探针主要是对这类化合物进行结构修饰得来，如检测金属离子铜的螺吡喃类荧光探针^[5]，检测生物体内蛋白结合位点极性的喹喔啉类荧光探针^[6]，以及检测细胞凋亡的丹磺酰类荧光探针等^[7]。其中，发射波长在700~1200 nm范围的近红外荧光染料具有很强的组织穿透能力，而在此波长范围内，生物组织自身荧光较弱，从而避免了背景干扰，可获得较高的分析灵敏度，因此可与MR成像进行优势互补，是目前MRI-荧光染料探针中应用的主要染料。

       该类分子探针的设计主要基于两种模式：第一种是荧光染料分子直接或间接螯合核磁信号元素构成。如Hueber等^[8]在1998年报道的第一个MRI-光学成像双模态分子探针就是将Gd（Ⅲ）的螯合剂直接与异硫氰酸四甲基罗丹明偶联所得，并应用于非洲爪蟾胚胎细胞谱系的研究。Zuzana等则通过在一分子环糊精上键合两分子异硫氰酸荧光素（FITC）和五分子的DOTA衍生物（DO3AP^NCS）制得双模态探针^[9]。此探针由于采用环糊精为骨架结构，具有体内无毒、稳定和良好的水溶性等特点，体外实验表明该探针能标记胰岛细胞以及大鼠间质干细胞。Achilefu等巧妙地利用聚甲炔近红外染料（LS479）自身骨架结构与血清白蛋白的相适性，将LS479与二亚乙基三胺五乙酸（DTPA）的钆螯合物共价相连。该探针由于近红外结构部分在体内能很好的与血清白蛋白结合，结合后形成的复合物由于减弱螯合部分的自由旋转，大幅度地提高了MRI部分显像的灵敏度和安全性^[10]。进一步的实验表明该探针在动物体内具有良好的T1WI和荧光显像效果。Duan等利用钆上具有孤对电子与荧光素衍生物9-（羧基苯基）-2，7-二氯-4-1，5-双[双（2-吡啶基甲基）氨基甲基]-6-羟基-3-呫吨烯酮（Zpy）直接进行配位得到一种Gd-Zpy的复合物，实验结果显示这个复合物能有效地识别细胞内的锌离子，荧光强度增加130%，T1弛豫时间增加115%^[11]。Talanov等^[12]利用双功能螯合试剂1-（4-异硫氰基苄基）-4-甲基二乙三胺五乙酸（1B4M-DTPA）将钆与荧光染料Cy5.5进行连接，制得双模态探针G6-（Cy5.5）1.25（1B4M-Gd）145，此探针能很好地对老鼠体内的哨兵淋巴结进行MRI和荧光双功能显像。

       第二种方法是利用纳米技术构建功能化的纳米双模态体系，在纳米材料上修饰荧光染料或磁性颗粒构成。如Xian等先对Fe3O4纳米颗粒和罗丹明B进行修饰，分别裸露炔基和叠氮基，然后再经过"Click"反应将两者进行共价连接，得到RhB-Fe3O4@SiO2纳米复合物^[13]。结果表明其具有优良的荧光和核磁信号，而且毒性小。Kang等^[14]基于荧光染料被刚性二氧化硅包裹时能抑制非辐射跃迁，促进辐射跃迁使荧光强度和量子产率增加，直接将荧光染料NIR797掺杂在二氧化硅包裹的以CoFe2O4为核的纳米颗粒中，制得双功能探针MNP-SiO2（NIR797）。将该探针注射到老鼠前哨淋巴结SLN，发现荧光强度相比单独的荧光染料以及将NIR797修饰在纳米颗粒外周的探针MNP-SiO2^{coated NIR797}都有所增强，同时还保持着良好的核磁信号。在此探针外周连上放射性⁶⁸Ga可制得探针⁶⁸Ga-{MNP-SiO（NIR797）}，并实现了对大鼠SLN的三模态显像。除了用于检测显像外，这类探针还能作为药物的载体对疾病进行治疗，如Motte等在γ-Fe2O3纳米粒上修饰上具有肿瘤治疗作用的药物分子阿伦膦酸盐（adlendronate），然后再连接上荧光染料罗丹明构成一个兼具检测和治疗功能于一体的多功能纳米体系，利用荧光显像镜证实γ-Fe2O3@alendronate体系对肿瘤细胞具有高亲和力，MRI研究结果表明该类探针能选择性地靶向胸腺肿瘤细胞并抑制肿瘤细胞的生长^[15]。

2　MRI量子点双模态分子影像探针

       量子点（quantum dots，QDs）是一类主要由Ⅱ~Ⅵ族（CdS、CdSe、CdTe、ZnS、ZnSe、HgSe）或Ⅲ~Ⅴ族（InP、InAs）元素组成的纳米颗粒。自1998年被Alivisatos和Nie两个课题组应用于荧光标记领域后^[16,17]，量子点在生物学上的应用呈突发式增长。与传统的荧光染料相比，量子点荧光强度大、抗光漂白能力强、发射光谱窄，而且不同尺寸的量子点在同一波段光激发下可发射不同颜色的光，可发展为双或（和）多模态分子影像探针研究中的荧光部分以及双模态探针中的功能化结构平台。利用量子点的高灵敏度、光学稳定性和MRI的高空间分辨率进行结合形成的MRI-量子点双模态分子影像探针目前已成功应用于蛋白与DNA分离纯化、生物医学显像与诊断、药物转运与治疗等多种领域中，是当前MRI-荧光双模态探针中的重要研究方向。

       基于磁性材料与量子点"一体化"化的双模态探针的制备方法主要有三种：共价连接方法、无机合成法及胶囊化法^[4]。共价连接法通常是先制备具有可修饰基团的磁性纳米颗粒，然后与量子点进行共价连接。如Rosenzweig等通过巯基与金属形成配位键将Fe2O3纳米粒与量子点进行共价连接，制得双模态探针γ-Fe2O3@ DM SA - SHCd/ZnS，连接抗细胞周期蛋白E（anticycline E）抗体，便成功应用于人乳腺肿瘤细胞与血浆的分离^[18]；Lenneke等通过用链酶亲和素（streptavidin）和膜联蛋白A5修饰量子点，进一步与DTPA偶联的楔状聚赖氨酸（lysine-wedge）进行共价连接制备得到AnxA5-QD-Gd-wedge纳米颗粒，该分子探针可应用于对血管结构的双模态显像^[19]。共价法制备的双模态探针的粒径通常较小，但是合成产率低。无机合成法是利用无机合成法将量子点直接包裹在磁性颗粒外周，形成复合物。Kwon和Shim最先利用该法，通过在高温条件下加入硫和金属化合物制得ZnS、CdS、HgS等量子点，再与γ-Fe2O3高温反应制得γ-Fe2O3-ZnS/CdS/HgS^[20]。Xu等用"一锅法"将CdS量子点直接覆盖在FePt纳米晶体表面，形成具有荧光和核磁性质的异质二聚体结构（heterodimer）^[21]。该方法同样可得粒径较小的复合物，但是由于量子点直接与磁性材料连接，荧光量子产率一般较低，而且容易降解。胶囊化法是指通过用聚合物（壳聚糖、硅胶、聚乙二醇等）包裹或者承载两种或者多种功能性纳米颗粒，形成一种多功能的混合纳米颗粒。如Willem等用PEG包裹量子点后再连上磁性颗粒并进一步偶联环状RGD，体外实验显示该探针能特异性地识别人的内皮细胞，成功实现了肿瘤的双模态显像^[22]。Zhou等先利用肼修饰过的苯乙烯与丙烯酰胺聚合物反应形成一种具有空腔的聚合物，然后再将预先制备好的磁性纳米粒和量子点加入其中，使其透过空腔进入聚合物内部形成双功能的复合纳米粒结构。该探针不仅表现出很好的荧光和核磁特性，而且还能特异性的对肿瘤细胞进行识别分离^[23]。除了以量子点或者磁性纳米粒外，其他材料如碳纳米管CNT也可以作为功能化修饰平台，如Wu等使用层层自组装方法将CdTe量子点和Fe2O3颗粒依次包裹在碳纳米管外侧，形成CNT-SPIO-CdTe纳米复合物。细胞实验表明该探针不仅能检测到强的近红外荧光信号，而且磁信号相比单独的Fe2O3颗粒也有所增强^[24]。

3　MRI-稀土元素双模态分子影像探针

       稀土元素是15种镧系元素和与镧系元素密切相关的2个元素-钪（Sc）和钇（Y）的总称，它们具有相似的原子结构和离子半径。其中，钆由于具有很好的顺磁性，广泛地用于临床MRI显像中。传统荧光染料由于在激发光的作用下容易发生光漂白现象而导致探针曝光时间减少，影响实验的重复性^[25]，因而具有优良光学特性的稀土类探针也逐渐引人关注。这类基于上转换原理（upconversion luminescence）或者自旋禁阻的f-f跃迁产生荧光的稀土探针具备许多优点，如不易发生光漂白、荧光光寿命长、组织穿透能力强，生物发光干扰小、发射窄易与背景荧光信号区分等^[26]。虽然镧系元素具有自身的磁性使这类化合物本身就具有MRI-荧光双模态显像的潜力，但是研究表明产生核磁信号的镧系元素配合的水分子能对镧系元素的荧光产生很强的淬灭作用，而且两种显像模态对显像剂的浓度要求也不一样，因此单一稀土元素作为双模态探针的研究鲜有报道。

       Laurent等在研究镧系配合水对镧系元素荧光的淬灭问题时，设计合成了一种能同时满足MRI和荧光显像要求的单配体探针^[27]。该探针由一个以哌啶为母核的多功能骨架与一个镧系三价离子螯合而成，在与Gd（Ⅲ）配合时具有高磁共振信号，与Nd（Ⅲ）配合的时候能够有效地敏化镧系金属离子使荧光信号增强。通过考察探针分别在H2O和D2O中的荧光寿命，发现荧光量子产率与处于完全保护状态的Nd（Ⅲ）系统（Nd-T2soxMe）相近。该结果首次证明了镧系金属离子近红外信号的非辐射失活是能够通过提高稀土元素配体能量转移的效率来克服，为此类分子探针的发展提供了一种新思路。此后，研究发现羟基喹啉及其衍生物类在与Ln（Ⅲ）形成稳定配合物的同时能够敏化稀土金属的荧光发射，而且镧系三价离子的羟基喹啉类配合物作为一种优良探针具有毒性低、量子产率高和激发波长长等优点^[28]。第一个报道的羟基喹啉钆螯合物类双模态探针的探针（H3thqN-SO3）是由三分子功能化喹啉分别通过亚甲基键合在一个中心氮原子上而成^[29]，与金属离子结合后能够形成七齿结构。磁共振及近红外光学实验表明，Gd（Ⅲ）的螯合物在200 MHz下的弛豫为5.16 mM^-1s^-1，Nd（Ⅲ）与Yb（Ⅲ）的螯合物有明显的近红外发光。Faulkner等通过巧妙地设计，在同一个分子中的两个不同螯合部位分别螯合Gd³⁺和Re形成[Gd-Re-（Bpy）（CO）3]⁺分子探针，实验结果显示该探针荧光寿命长，而且核磁信号良好^[30]。为了阻断镧系元素之间的光漂白作用，Chen等采用层层自组装方法在多壁碳纳米管（MWNTs）外周用掺杂有Eu、Gd和LaF3的纳米晶体进行包裹制得MWNT/SiO2/LaF3: Eu: Gd复合纳米晶，实验结果显示该纳米晶体能很好的进入细胞进行荧光和MRI双模态分子显像^[31]。

4　MRI-纳米金双模态分子影像探针

       纳米金（Aunanoparticles，Au NPs）其直径一般在1~100 nm，具有高电子密度、介电特性和催化作用，能与多种生物大分子结合且不影响其生物活性。氯金酸还原法可方便制备不同粒径的纳米金，颜色根据直径大小可呈红色至紫色。与当前量子点纳米分子探针（血液循环时间短、易降解、毒性高等）相比，Fe3O4@Au纳米复合物具有更高的稳定性和生物相容性^[32]。此外，球形纳米金颗粒对蛋白具有良好的吸附性，能提高造影效果。李亚栋等发展了Fe3O4@Au制备方法，构建不同结构、形貌的Au-Fe3O4纳米材料^[33,34]。Wu等采用化学沉淀法制备Fe3O4纳米晶，用巯基聚乙二醇包裹，通过偶联剂羧基-聚乙二醇-巯基与纳米金进行偶联制得Fe3O4@Au纳米颗粒，实验结果表明该材料具有良好的荧光和核磁信号，而且通过修饰偶联具有特异性的整联蛋白αvβ3抗体，形成的复合物可实现对肿瘤细胞的特异性显像^[35]。

       除以上四类以外，其他光学材料构建的MRI-荧光双模态探针也有报道。如Cui等基于人铁蛋白"牢笼"结构设计合成了一种掺杂了绿色荧光蛋白（GFP）、铁蛋白的以Fe3O4为核，用RGD表面修饰的分子探针。实验结果表明该探针能特异性的识别表达有整合素v3的肿瘤细胞，并且GFP的荧光特性不受铁蛋白和Fe3O4的影响，且T2WI信号随着探针量的增加而快速减弱^[36]。

5　小结

       笔者主要对近年来的MRI荧光双模态分子影像探针的设计合成做了简要综述，并且介绍了这些探针在药物转移、组织显像、细胞分离等领域的广泛应用。经具有特异性靶向作用的亲和组件或治疗药物修饰后，它们在生物识别以及医药领域具有极其广阔的应用前景。然而MRI荧光双模态影像探针的研究还处于起步阶段，许多困难还有待解决，如水溶性、细胞毒性、稳定性、功能化修饰方法及药物与探针的分离等还有待深入研究。