3.6 基于金納米材料的腫瘤成像

1、基于金納米材料的腫瘤成像1金納米材料在腫瘤成像中的應(yīng)用1.1 光聲成像光聲成像(photoacousticimaging,PAI)是一種基于光聲效應(yīng)的醫(yī)學(xué)成像方法，結(jié)合了光學(xué)成像的高對比度和超聲成像的高空間分辨率。當非電離脈沖激光照射生物組織時，組織吸收光能而產(chǎn)生超聲波，由超聲換能器接收和處理后，產(chǎn)生圖像。由于PA信號主要與組織的光吸收性質(zhì)相關(guān)，利用光吸收強的造影劑增加組織對比度，提高信噪比(signal-to-noiseratio,SNR)，改善成像質(zhì)量。2004年Copland等首次將金納米顆粒用于PA成像。該研究表明，偶聯(lián)赫賽河單抗的金納米顆粒能夠選擇性幫向人表皮生長因子受體-2(Hum

2、anEpidermalGrowthFactorReceptor-2,HER-2)高表達的人乳腺癌細胞系SK-BR-3,并顯著增強細胞的PA信號。然而，本實驗中所應(yīng)用的金納米顆粒直徑約40nm，LSPR峰位于532nm處，與血液的吸收波長相近，且成像的組織穿透能力有限，嚴重影響了其成像效果，限制了其體內(nèi)應(yīng)用和臨床轉(zhuǎn)化。因此，構(gòu)建在LSPR峰位于近紅外區(qū)域，光吸收強金納米材料，改善PA成像性能，仍顯得十分重要。如上文所述，通過金納米棒的縱橫比，可將其LSPR峰調(diào)節(jié)在近紅外區(qū)域。同時，金納米棒的吸收截面和散射截面也與其尺寸和縱橫比有關(guān)。尺寸越小，縱橫比越高的金納米棒，對光的吸收更高而散射更小。綜合考

3、慮這些因素，一些研究認為，縱橫比在3-4之間的金納米棒最適合用于PA成像。金納米殼由于散射多于吸收，且吸收光譜更寬，其PA成像的效果較金納米棒略差。在LSPR峰相同時，金納米籠的吸收截面比金納米棒更大，因此，理論上其PA成像效果更好。由于等離子體賴合作用，金納米囊泡在近紅外區(qū)有強烈的吸收，也是良好的PA增強劑。此外，將金納米材料與其他材料相結(jié)合，也可増強其PA成像能為。由于碳納米材料具有強烈的近紅外光吸收和優(yōu)秀的導(dǎo)電性，將氧化石墨烯納米片(graphemeoxdenanosheets,GONs)包裹在金納米材料表面，能夠有效地増強材料的LSPR效應(yīng)。有研究表明與單純的氧化石墨烯或金納米棒、金納

4、米囊泡相比，包裹了氧化石墨烯的金納米棒和金納米囊泡表現(xiàn)出更強的PA效應(yīng)。在金納米材料表面偶聯(lián)腫瘤祀向分子，能夠增加腫瘤對材料的特異性攝取，實現(xiàn)腫瘤幫向性成像，改善PA成像效果。除了單一腫瘤的成像外，在LSPR吸收峰不同的金納米材料表面連接不同的觀向分子，能夠?qū)崿F(xiàn)多種腫瘤的同時成像。由于新生血管在腫瘤的發(fā)展和轉(zhuǎn)移過程中發(fā)揮著重要作用，腫瘤新生血管的成像對于腫瘤治療也很有價值。與正常組織中的血管不同，腫瘤新生血管往往高表達整合素avp3,而序列為精氨酸一甘氨酸一天冬氨酸的RGD多肽(Arg-Gly-Asp,RGD)能夠特異性結(jié)合整合素avp3。Zhang等的研究表明，表面偶聯(lián)環(huán)裝RGD多肋的金納米

5、棒能夠特異性靶向腫瘤新生血管系統(tǒng)，實現(xiàn)腫瘤新生血管的PA成像。1.2 光學(xué)相干斷層成像光學(xué)相干斷層成像(opticalcoherencetomography,OCT)是一種基于光的低相干干涉的醫(yī)學(xué)成像方式。利用Michelson干涉儀，接收組織對入射光波光的反射和散射，經(jīng)計算機處理后，形成組織的斷層掃描圖像。利用近紅外區(qū)域的光波，OCT的組織檢測深度可達10-15m。其信號對比度來自組織間光散射的差異，理論上，具有更大散射截面的金納米材料能夠提供更高的對比。因此，中空結(jié)構(gòu)的金納米籠，金納米囊泡及金納米殼等更適合作為OCT對比劑。體外實驗表明，相比于傳統(tǒng)染料，金納米囊泡的吸收截面增加約5個數(shù)量級

6、，對組織的OCT信號増強程度也明顯提高。金納米殼的散射截面是其幾何截面的數(shù)倍，West等的研究表明，小鼠靜脈注射PEG包裹的金納米殼20小時后，相較于注射PBS組，小鼠正常組織OCT信號未見明顯改變，而腫瘤部位的OCT信號明顯提高，且腫瘤邊界更加清晰。OCT成像的局限性在于，由于取決于光信號的干擾過程，其成像深度有限，高度依賴于光對組織的穿透能力和組織類型，因此目前臨床上僅在眼科領(lǐng)域有所應(yīng)用。1.3 X線計算機體層成像X線計算機體層成像(X-raycomputedtomography.X-rayCT)是臨床應(yīng)用最廣泛的成像方法之一。由于不同組織對X線的衰減不同，探測器接收穿過生物體各個層面、方

7、向的剩余X線后，經(jīng)過計算機處理，得到CT圖像。組織對X線的衰減取決于組織中的電子密度，通過注射電子密度高的CT造影劑，能夠增加正常組織和病變組織之間的對比度，能夠更好的顯示病變，如腫瘤等。目前臨床應(yīng)用最為廣泛的造影劑是碘化合物，但這些造影劑在腫瘤成像中的應(yīng)用仍然存在許多不足，如腎臟毒性強，半衰期短，缺乏腫瘤靶向性等。由于金元素原子序數(shù)(Z)高，能夠提供比大多數(shù)元素都高的電子密度，大大增加X線的衰減，在CT成像中具有良好的應(yīng)用前景。在臨床所使用的X線劑量下，金納米材料所提供的X線質(zhì)量衰減系數(shù)是碩化合物的2.7倍。與傳統(tǒng)的碘化合物相比，由于EPR效應(yīng)的存在，金納米材料能夠更多地富集在腫瘤部位。金納

8、米材料具有更低的腎臟清除率和更長的半衰期能夠提供更長的成像時間，在需要多次成像的情況下，不需要重復(fù)注射。2004年，Smilowitz等首先利用大小約1.9nmL的金納米簇進行了CT成像，注射金納米簇后，CT下能夠清晰地顯示出直徑小于loopm的血管。同時，金納米簇能夠顯著提高腫瘤的X線吸收，注射金納米簇15min后，腫瘤與肌肉的CT值之比為3.4,而24h后，比值為9.6。盡管金納米材料的尺寸、形狀和表面性質(zhì)不影響其X線質(zhì)量吸收系數(shù)，但能夠通過影響其細胞攝取量等性質(zhì)來影響其CT成像效果。Sun等的研究表明，與直徑為20nm、40nm和60nm的球形金納米顆粒相比，直徑為4nm的金納米顆粒能夠

9、提供更強的X線衰減，這可能是由于體積更小的金納米顆粒具有更高的比表面積和細胞攝取有關(guān)。對于金納米棒而言，縱橫比越小，越容易為細胞攝取，而產(chǎn)生更好的CT増強作用。有研巧表明，在金納米星表面修飾帶有氨基官能團的PEG,或偶聯(lián)低PH插入肽(pH(low)insertionpeptides,pHLIPs)能夠顯著増加細胞對金納米星的攝取，達到優(yōu)異的CT增強效果。此外，偶聯(lián)RGD多化的金納米星，還可實現(xiàn)整合素a叩3過表達腫瘤的祀向性CT成像。然而，由于CT成像的靈敏度較低，需要使用較高劑量的金納米材料才能夠達到滿意的成像效果，因此，將金納米材料與其他具有成像功能的材料或化合物相結(jié)合，實現(xiàn)多模態(tài)成圖3.3

10、.4相比于碘類對比試劑(eXIA160)，肝素修飾的金納米顆粒(HEPA-AuNPs)對肝臟具有更好的CT成像效果在傳統(tǒng)的CT成像中經(jīng)常會用到碘類對比試劑。然而，碘類對比試劑在臨床使用中表現(xiàn)出很多缺點，例如對X射線的吸收系數(shù)較低，在肝臟中攝入量低，經(jīng)腎臟排除的速度快。相比于碘類對比試劑，金納米顆粒具有較高的X射線吸收系數(shù)，而且通過適當?shù)谋砻嫘揎?，金納米顆粒在血液中可以維持較長的壽命。因此金納米顆?？梢杂糜谀[瘤CT成像。Sun等人發(fā)現(xiàn)，與碘類對比試劑相比，表面修飾肝素的金納米顆粒對肝臟部位的CT成像更好(圖3.3.4)。Popovtzer等人在金納米顆粒表面修飾上靶向頭頸癌的抗體，在細胞水平上證

11、明了這種金納米顆粒具有較強的X射線吸收能力，是一種潛在的頭頸癌x射線成像的對比試劑。除了單純發(fā)揮CT成像功能外，金納米顆粒還可以搭載具有治療功能的分子，發(fā)揮治療功能。例如，搭載阿霉素和靶向分子的金納米顆?？梢园邢蚯傲邢侔?，兼具成像和治療功能。1.4 正電子發(fā)射型計算機斷層成像正電子發(fā)射型計算機斷層成像(positronemissiontomography,PET)也是一種臨床常用的成像方法。向生物體注射正電子放射性核素標記的化合物后，利用探測器在體外測量放射性核素的空間分布和時間特性，經(jīng)計算機分析后得到三維圖像。由于PET成像比CT、MR等成像方式具有更高的靈敏度，且能夠顯示放射性核素的時間分

12、布特性，因此它在分子影像的應(yīng)用更為廣泛，尤其是分子水平上的細胞功能和生物過程可視化，甚至能夠在疾病造成形態(tài)學(xué)改變之前進行早期診斷和發(fā)現(xiàn)亞臨床病變。目前，PET已是用于評價金納米材料和一些其他藥物的生物分布及藥代動力學(xué)的標準工具。普通的金納米材料并不具有放射性，因此，用于PET成像的金納米材料需要引入放射性官能團。經(jīng)典的方法是將放射性核素以螯合或共價鍵的方法連接到金納米材料表面.常用的螯合劑包括1,4,7,10-四氮雜環(huán)十二烷-1,4,7,10-四羧酸(1,4,7,10Tetraazacyclododecane1,4,7,10tetraaceticacid,DOTA)，三乙烯四胺(triethy

13、lenetetramine,TETA)和1,4,7-三氮雜環(huán)壬三乙酸(1,4,7-triazacyclononanetriaceticacid,NOTA>等。例如，將放射性核素64Cu與NOTA整合后共價偶聯(lián)到金納米棒表面，能夠進行腫瘤的PET成像，并追蹤金納米棒的體內(nèi)分布。然而，通過螯合連接放射性核素的方法存在許多問題。一方面，放射性螯合物的附著會影響金納米材料的表面性質(zhì)，并與其他修飾、靶向或治療性分子競爭材料表面的結(jié)合位點。另一方面，在體內(nèi)高蛋白濃度的環(huán)境中，放射性核素易與螯合劑解離而脫落，使得放射性信號的分布于金納米材料的分布產(chǎn)生差異，并可能引起毒性反應(yīng)。為了避免這些問題,研究者開

14、始嘗試將放射性核素直接整合到金納米材料中。Andresen等在利用種子生長法合成金納米顆粒的過程中，向金種子溶液中同時加入四氯金酸(HAuCl)和放射性氯化銅(OCu4CuC|)，得到了嵌有64Cu的金納米顆粒3Cu-Aunanoparticles,64Cu-AuNPs)。與單純吸附了64Cu的金納米顆粒相比，64Cu-AuNPs的穩(wěn)定性顯著提高，在乙二胺四乙酸（ethylenediaminetetraaceticacid,EDTA）溶液中孵育2天后僅有5%的64Cu解離，而在50%血清溶液中脾育2天后無64Cu解離。同時，這種將64Cu嵌入金納米顆粒的方法并不影響材料進行進一步的表面修飾，包

15、裹SH-PEG后，64Cu-AuNPs在小鼠體內(nèi)表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定5000性和較長的血液循環(huán)時間（半衰期約9小時），并能夠在小鼠的皮下種植瘤中富集（3.9%IDg-1,IDg-1指每克組織中放射性核素的含量占總、注射量的百分數(shù)），從而達到優(yōu)秀的PET成像效果。但是，這樣的合成方法難以控制金納米材料的形狀，不適用于非球形的金納米材料合成。Chen等在聚丙烯酸（poly（acrylicacid）,PAA）存在的條件下，用阱（NH）將64CU2+還原24在金納米材料表面，得到包被64Cu的金納米材料（64CuAunanomaterials,64CuAuNMs）。該方法可用于多種不同形狀（球形，棒狀，六

16、角形）及尺寸（10nm,30nm,80nm）的金納米材料，且該反應(yīng)能夠在室濕下發(fā)生，避免了高溫下金納米材料的團聚和變形，反應(yīng)后材料能夠保持原始的形態(tài)。將放射性的金納米材料注射到小鼠體內(nèi)后，通過對小鼠膀腕中尿液進行放射性檢測發(fā)現(xiàn)，注射DOTA螯合64Cu的金納米顆粒的小鼠尿液中存在著顯著的放射性信號，而注射EcuAuNMs的小鼠尿液中幾乎沒有信號。這表明送種化學(xué)還原方法合成的OCuAuNMs在體內(nèi)具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，能夠有效避免64Cu的解離。同時包被64Cu的金納米棒表面還可偶聯(lián)RGD多狀，實現(xiàn)腫瘤的鞭向性PET成像。受其原理和設(shè)備所限，PET成像的解剖分辨率較差（1mm），將PET與CT或MR

17、相結(jié)合的PET/CT和PET/MR能夠有效地解決這一問題，在將來的研究和應(yīng)用領(lǐng)域均有良好的前景。1.5 切倫科夫發(fā)光成像切倫科夫發(fā)光成像（CerenkovLuminescenceImaging），通過檢測放射性核素的切倫科夫發(fā)光來反映放射性核素的分布。切倫科夫發(fā)光是指，當粒子以大于介質(zhì)中光速的速度在介質(zhì)中傳播時，所發(fā)出的光輻射，這一效應(yīng)是在1934年由俄國物理學(xué)家帕維爾阿列克謝耶維奇切倫科夫提出的。與普通的光學(xué)成像相比，切倫科夫發(fā)光成像不需要光波激發(fā)，因而不受激發(fā)光穿透深度的限制，且避免了組織的自發(fā)巧光，雖著提高成像的信噪比。切倫科夫發(fā)光的波長多位于紫外巧見近紅外區(qū)，能夠通過光學(xué)探測器接收和分

18、析，較核醫(yī)學(xué)成像方法更為廉價和便捷。大多數(shù)用于臨床和生物醫(yī)學(xué)研充的同位素都能夠通過0-衰變產(chǎn)生高速運行的電子或正電子，滿足切倫科夫發(fā)光的要求。在金納米材料中引入放射性同位素，能夠賦予材料切倫科夫發(fā)光的能力。如上文所述，以螯合或吸附等方式將放射性同位素與金納米材料連接的方法存在諸多問題oXia等利用X線照射非放射性的qAu金箔后，得到含有部分放射性同位素i98Au的金箔。將該金箔溶解于王水，去除氮化物等雜質(zhì)后，得到Hi98AuCl和HAuCl的混合溶液。44由于198AU3+與197AU3+化學(xué)性質(zhì)相同，用該混合溶液合成的放射性金納米籠(i98Au3+-dopedAunanocages,i98A

19、u-dopedAuNCs)與普通金納米籠具有相同的形貌和尺寸，且該放射性金納米籠產(chǎn)生的0粒子動能可達960keV，遠高于切倫科夫成像所需的閾值(260keV)。且通過控制混合溶液中Mu3*的濃度，就能夠便捷的調(diào)節(jié)Mu-dopedAuNCs的放射性強度。該放射性金納米籠在小鼠血清中解育1周之后仍未見明顯的198AW+脫落。注入荷瘤小鼠體內(nèi)后，該放射性金細米籠顯示出了明顯的腫瘤被動靴向作用，注射24小時候在腫瘤部位的累積可達15.3±2.9%IDg-i,表現(xiàn)出優(yōu)秀的切倫科夫發(fā)光成像效果。金納米材料中引入放射性同位素后，還可通過切倫科夫共振能量轉(zhuǎn)移(Cerenkovresonanceenergytransfer,CRET),來激發(fā)金的光致發(fā)光，產(chǎn)生波長更長的光波，以增加成像的深度。Chen等將64Cu接雜在金納米團簇表