钆或者其他顺磁性金属离子能够提高机体组织水中氢质子的弛豫速率，有效地改变不同组织器官间以及正常组织与病变组织间的信号差异^[1,2,3,4]，在临床上被广泛地用作对比剂增强正常组织与病变组织的成像对比度，以提高磁共振成像（MRI）检测疾病的灵敏度^[5,6]。但是，目前临床使用和正在研发的对比剂大都缺乏特异性，在正常和病变组织中都发挥作用，使得MRI检测疾病的灵敏度受到限制。最近，文献报道了一系列对生理环境包括白蛋白、pH、金属离子、酶、氧化还原以及其他生物分子等响应的MRI对比剂^[7,8,9,10]。这些对比剂能够特异性接受病变部位的生理信号，通过改变其与Gd配位水分子的个数(q)，对比剂的回旋时间（τR）以及与Gd直接配位水分子的停留时间(τM)等改变其纵向弛豫率(r1)，从而改变其造影能力，有望实现特异性增强病变部位的造影，进一步提高MRI检测疾病的灵敏度。因此，研制生理或病理环境响应的对比剂是今后MRI对比剂研究的主要发展方向。Yu等^[11,12]对pH、金属离子、酶等生物响应的MRI对比剂做了详细的综述，最近该领域取得了大量新的进展。本文将这些进展做系统综述。

1　生物响应MRI对比剂的结构与性能

       根据对比剂的响应类型，生物响应MRI对比剂可以分为白蛋白、pH、金属离子、酶、氧化还原及其他生物分子响应型对比剂。

1.1　白蛋白响应型对比剂

       对比剂经注射进入血液后会首先与血液中的白蛋白接触。据此，科学家们设计合成了多种含白蛋白配体的对比剂，它们会与血液中的白蛋白结合，形成空间位阻大、旋转缓慢的大分子对比剂，导致对比剂的τR显著增加，引起其弛豫率大幅上升。Caravan等开发的含磷酸酯链接疏水基团二乙烯三胺五乙酸(DTPA)钆类对比剂（MS^-325）与白蛋白结合后在20 MHZ下的r1增加9倍^[13]。但其他多个类似靶向白蛋白的DTPA类对比剂如[Gd(BOPTA)-(H2O)]²-(MultihanceTM，Bracco)^[14]和[Gd(EOB-DTPA)-(H2O)]^2- （EovistTM，Schering）等^[15]显示较弱的r1增强效应。最近文献报道一些带疏水芳香基团的大环钆螯合物，它们显示比临床使用的小分子对比剂高1~2倍的r1，而且与白蛋白结合后它们的r1显著增加。图1所示的BPCA在结合BSA后，其r1从10.9 mM^-1s^-1增加到37.2 mM^-1s^-1 (1.5 T，293 K)^[16]。此类对比剂与白蛋白结合除导致r1增加外，其血液循环时间也显著增加，被广泛用作血池对比剂。

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图1  白蛋白响应对比剂的结构
Fig. 1  Structures of albumin-responsive contrast agents.

1.2　pH响应型对比剂

       pH是一种重要的生理信号。许多疾病，比如恶性肿瘤、肾功能衰竭和心脏缺血等往往伴随病变组织细胞间质pH的降低。监测这些病变组织pH的变化，对于了解这些疾病的发生和发展具有重要的意义。pH响应的对比剂一方面为无损检测体内pH变化提供可能，另一方面它可利用pH作为刺激信号，提高MRI检测这些疾病的灵敏度。笔者曾就此类对比剂做了详细的综述^[17]，最近这方面又取得了大量进展。Giardiello等^[18]合成了一种基于二苯基膦酰胺（dpp）的pH响应对比剂Ln-dpp-DO3A（图2），磷酰胺的质子化，导致其水合数q从1升到2，相应的，Ln.1和Ln.2的r1分别从4.4 mM^-1s^-1升到8.2 mM^-1s^-1，5.4 mM^-1s^-1升到7.9 mM^-1s^-1。Giovenzana等^[19]合成了含伯胺和叔胺的1，4，7，10-四氮杂-1，4，7，10-四乙酸DO3A衍生物AE-DO3A和DMAE-DO3A（图2）。由于AE-DO3A和DMAE-DO3A上的胺基在酸性条件下容易质子化，导致水合数q发生改变，r1在较碱性条件下增加40％左右。Nwe等^[20]将含有pH响应基团N-乙醇的壳聚糖(GC)引入GdDOTA-NHS上，得到对比剂GC-NH^2-GdDOTA（图2），其r1达到9.1 mM^-1s^-1，远远大于Gd-DOTA的r1（3.9 mM^-1s^-1）。当pH从7.4降到6时，其弛豫性能大幅增加。Kim等^[21]设计开发了一种靶向肿瘤的pH响应聚合物胶束对比剂CR-CAs。该对比剂由两亲性嵌段共聚物甲氧基聚乙二醇-b-聚L-组氨酸[PEG-p(L-His)]和聚乙二醇-b-聚L-乳酸-DTPA-Gd[PEG-p(L-LA)-DTPA-Gd]在pH为7.4的水溶液中自组装而成（图2）。当pH从正常组织的7.4降到肿瘤组织的6.5时，PEG-p(L-His)嵌段聚合物中的咪唑基团质子化而变成带正电荷的水溶性聚合物，导致其r1从8.56 mM^-1s^-1增加到12.01 mM^-1s^-1，可以用来提高肿瘤部位的成像对比度。

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图2  pH响应的MRI对比剂的结构
图3  金属离子响应的MRI对比剂的结构
图4  酶离子响应的MRI对比剂的结构
图5  氧化还原响应对比剂的结构变化过程
Fig. 2  Structure of pH-responsive MRI contrast agents.
Fig. 3  Structures of metal ion responsive MRI contrast agents.
Fig. 4  Structures of enzyme responsive MRI contrast agents.
Fig. 5  Structures change of redox-sensitive responsive MRI contrast agents.

1.3　金属离子响应的对比剂

       金属离子在我们的生命过程中发挥重要作用和特殊功能。研究对生物体内某种金属离子响应的对比剂对于在体内检测它们的含量具有重要的意义。Chang及其同事详细综述了包括Ca²⁺、K⁺、Mg²⁺、Zn²⁺、Fe²⁺、Cu²⁺、Cu⁺等金属离子敏感的对比剂，总结了这些金属离子响应的MRI对比剂的一般设计标准和它们在生物系统内的应用^[22,23]。Que等^[24]及其同事最近通过在大环对比剂Gd-DOTA上引入聚精氨酸，制备了一种Cu⁺响应的对比剂(Arg8CG2)(图3)。正常情况下它的r1为3.9 mM^-1s^-1。而当Cu＋离子与对比剂的摩尔比为1:1时，其r1增加到12.5 mM^-1s^-1。Li等^[25]制备了一种基于喹啉配体的Cu²⁺响应对比剂（Gd-QDOTAMA） （图3）。它的r1为4.27 mM^-1s^-1，而当其与Cu²⁺离子的摩尔比例为1:1时，其r1增加到7.29 mM^-1s^-1。Mishra等^[26]及其同事合成了一种Ca²⁺和Zn²⁺响应的对比剂（Gd·L1）和（Gd·L2）（图3）。它们的r1分别为3.8 mM^-1s^-1和3.29 mM^-1s^-1。同时（Gd·L1）对Zn²+敏感性强，而（Gd·L2）对Ca²⁺敏感性强。（Gd·L1）和(Gd·L2)分别与Zn²⁺和Ca²⁺结合后，它们的r1分别增加到6.6 mM^-1s^-1和5.5 mM^-1s^-1。Luo等^[27]报道了一种Zn²+响应的对比剂（GdL）2Zn（图3）。当锌离子的摩尔量为其0.5倍时，其r1从3.8 mM^-1s^-1增加到5.9 mM^-1s^-1。

1.4　酶响应的MRI对比剂

       许多疾病如中风、脑缺血、心血管炎症或神经变性、肿瘤等疾病都伴随酶的含量和活性的改变^[28]。发展酶响应的MRI对比剂无损伤地检测体内酶活性、分布对于疾病的诊断具有重要意义。Aswendt等^[29]设计合成了一种对神经元中谷氨酸脱羧酶（GAD）响应的MRI对比剂Gd-DO3A-GAD（图4）。通过用GAD酶裂解已配位的谷氨酸基团，使得Gd(III)中心的水化能力增加，导致r1增大。此外，裂解的谷氨酸基团可产生一种带有正电荷的化合物，与带有负电荷的大分子产生静电相互作用，从而可能进一步提高r1。Gianolio等也报道了一种类似谷氨酸脱羧酶（GAD）响应的MRI对比剂^[30]。

       Chauvin等^[31]制备带有自消除端（氨基甲酸苄酯）的β-半乳糖苷酶响应的对比剂LnL1 （图4）。但是进一步研究发现，酶解前后LnL1的水交换速率基本一样，因此r1也变化不大。Figueiredo等^[32]及其同事用脂质体包裹（Gd-HPDO3A），制备了一种蛋白酶响应的对比剂。该对比剂在阳离子鱼精蛋白的作用下产生一种具有低r1和水溶性差的组装体，此组装体在丝氨酸胰蛋白酶的作用下解聚，导致对比剂的r1增大。而且r1的增大与酶的浓度成正比。当脂质体与鱼精蛋白的电荷比例分别为1:1和2:1时，其r1在丝氨酸胰蛋白酶的作用前后分别为0.2 mM^-1s^-1与1.8 mM^-1s^-1和0.4 mM^-1s^-1与1.8 mM^-1s^-1。Rolla等^[33]用L-酪氨酸残基取代氨基羧酸得到三种酪氨酸酶响应的对比剂，其配体分别为L1、L2和L3（图4）。酪氨酸酶是一种氧化还原酶，它在黑素瘤癌细胞中过表达。在酪氨酸酶的作用下，MnL1和MnL2对比剂不断释放出Mn(II)离子，而MnL3则产生一种低聚物，从而使其r1大幅提高。又因为Mn（II）可与蛋白质相互作用，从而进一步提高r1。酪氨酸酶作用前，MnL1、MnL2和MnL3的弛豫率分别为2.9、1.5和1.3 mM^-1s^-1，而作用后其r1分别为4.35、4.45和4.55 mM^-1s^-1。

1.5　氧化还原响应型MRI对比剂

       氧化还原反应在生化系统中普遍存在。氧化还原平衡的破坏可能会引发动脉粥样硬化、脑中风、帕金森病、AD和癌症等疾病。无损伤地检测体内的氧化还原活动对于这些疾病的诊断具有重要意义^[34]。Louie等通过在DOTA-Gd上键合二硝基螺环吡喃或者螺环吩嗪基团等氧化还原响应的基团制备氧化还原响应的对比剂（图5）^[35,36]。它们能够对细胞呼吸链中主要的电子受体——还原态烟酰胺嘌呤二核苷酸（NADH）作出反应。例如含螺环吩嗪基团的对比剂在没有NADH存在的条件下其Gd配位1.26个水分子，r1为5.58 mM^-1s^-1。当存在NADH时，其Gd配位2个水分子，导致其r1增加54%。而当有H2O2时，其r1回到原来的数值，表现出一种可逆的氧化还原响应。Jagadish等通过制备一系列含巯基的钆螯合物，利用它们与白蛋白可逆结合改变τR，制备了一种对体内GSH等还原性物质响应的对比剂^[37,38]。Vivero-Escoto等^[39]通过氧化还原响应基团二硫键把Gd的螯合物与介孔二氧化硅纳米球连接起来，再引入PEG，得到对比剂PEG-Gd-MSNs。PEG-Gd-MSNs的r1为25.7 mM^-1s^-1。体外模拟实验发现，在半胱氨酸的作用下，二硫键被还原，Gd的螯合物从MSNs纳米探针中释放出来，从而达到造影的效果。Iwaki等^[40]及其同事设计开发了一系列厌氧响应对比剂SAGds(图5)。研究发现NO2-SAGd中的硝基可被大鼠的肝微粒体在厌氧条件下还原为NH2-SAGd。在此过程中，水的交换速率增大，导致其r1从1.9 mM^-1s^-1增加到3.4 mM^-1s^-1。有学者利用环糊精齐聚物装载锰（Ⅱ）和锰(Ⅲ)卟啉络合物构建了一种对氧分压敏感的对比剂^[41,42]。当O2分压在0~40托的范围内增加时，锰（Ⅱ）络合物被氧化成锰（Ⅲ）络合物，导致r1成比例地从5.0 mM^-1s^-1降到2.5 mM^-1s^-1(20 MHz，298 K)^[41,42,43]。除此之外，铁和铕等其他金属配合物也能对氧分压作出响应，通过改变价态改变其r1。此类对比剂可以用来在体内测量感兴趣区域的氧分压^[44]。

1.6　其他生物响应对比剂

       其他生物小分子如腺苷酸^[45]、葡萄糖^[46]、乳酸盐^[47]和一氧化氮^[48]等也被用来作为信号开发生物响应型对比剂。Lu等报道了一种基于DNA适配体对腺苷酸响应的MRI对比剂。这个系统包括一个含有的腺苷酸适配体的抗生物素蛋白链菌素和与之杂交通过氨基与Gd-DOTA的结合的Gd链。当有腺苷酸存在时，Gd链将从适配体抗生物素蛋白链菌素上脱离下来。由于单独的Gd链分子量低，使得其r1降低30%^[23,45]。人们还设计了与葡萄糖结合后化学交换速率会发生改变^[46]，或与乳酸盐结合后酰胺质子会发生转变^[47]的可逆响应顺磁化学交换饱和转移（PARACEST） MRI对比剂。除此之外，PARACEST MRI对比剂，Ln(III)-DO3A-邻氨基苯胺(Ln-DO3AoAA，Ln=Yb，Gd)，被Pagel等人研发出来用以探测一氧化氮。这种对比剂由于酰胺和氨基处的化学交换，在+11 ppm和-8 ppm处存在两个CEST效应。当有氧气存在时，由于体内的自动氧化作用，一氧化氮转变成N-亚硝基中间体。对比剂Yb(1)的芳香胺与N-亚硝基中间体反应，形成Yb(2)上的三氮烯，产生不可逆的共价变化，导致前述两处CEST效应的消失（图6）^{[23, 48]}。这种对比剂为体内一氧化氮分子成像提供了新的方法。

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图6  Yb(1)与NO在氧气存在时苯胺转化为Yb(2)上的三氮烯的反应图解
Fig. 6  Illustration of the reaction of Yb(1) with NO in the presence of oxygen that converts aromatic amines to a triazene on Yb(2).

2　结论与展望

       生物响应MRI对比剂能够对特定组织或病变的一些信号如白蛋白、pH、金属离子、酶、氧化还原状态以及其他生物分子作出响应。一方面这些响应机制能够提高MRI对病变的检测灵敏度，另外一方面，也为针对病变的信号分子进行分子成像提供了可能。但MRI是针对水质子的一种间接成像，难以实现真正意义的分子成像。因此，提高生物响应型MRI对比剂对信号反应的灵敏度是今后的重要方向。同时由于体内的复杂环境容易破坏生物响应型对比剂的响应机制。因此，提高生物响应型对比剂的专一性和抗干扰性也是今后努力的方向。