稀土微粒放射激發熒光成像技術研究進展

王 瑤,屈亞威 綜述 劉海峰 審校

稀土微粒放射激發熒光成像技術研究進展

王 瑤,屈亞威 綜述 劉海峰 審校

放射激發熒光成像;鑭系元素為基礎的放射激發熒光微粒; 多模式成像;臨床診療

分子影像學推動著當代醫學的快速發展。目前，分子影像技術包括核醫學、超聲、核磁共振、計算機斷層攝影、光學成像等方面。與傳統的生物發光顯像及光學信號較弱的切倫科夫熒光成像(CLI)相比，放射激發熒光成像(radioluminescent imaging, RLI )表現出較大的成像優勢，它具有良好的組織穿透性和較強的熒光信號強度，且利用放射性核素(如18F、99mTc等)可無需外部光激發，從而實現活體內部發光形式[1,2,9]。除此之外，鑭系稀土元素為基礎的放射激發熒光成像作為新型成像模式，可在提高原有成像效果的基礎上形成雙模式或多模式成像體系，同時在醫學生物靶向及臨床輔助治療等方面也表現出了很好的發展前景。

1 稀土納米顆粒介導的熒光成像

1.1 X射線放射激發 X射線激發鑭系稀土元素為基礎的放射激發熒光成像，是將X射線與熒光成像相結合。與傳統的熒光成像相比，X射線光束寬度決定著圖像的分辨率大小[3]。利用此性質，相繼出現了X射線熒光計算機斷層掃描(XLCT)技術[4]，錐形束X射線熒光計算機斷層掃描技術[5]，三維式X射線熒光計算機斷層掃描技術[6](3-D XLCT) 以及限制角度式X線熒光斷層掃描技術[7]等，力求增強X射線激發熒光的成像清晰度，以便推廣應用。

在納米顆粒的相關研究中，Dominik等[8]發現X射線可激發上轉換稀土納米顆粒NaYF4 :Yb/Er并釋放短波紅外(SWIR)，提出了X射線激發的短紅外波生物熒光成像理論。這種紅外短波屬第二紅外窗口，1000～2300 nm，其優勢在于擁有較高的分辨率及組織穿透性。這一發現為上轉換納米顆粒介導X射線放射激發熒光成像提供了新的理論研究思路。

1.2 核素放射激發(radionuclide induced fluorescence imaging, REFI) 有研究發現，無論18F-FDG產生的高能γ輻射(511 keV)，還是99mTc-MDP產生的低能γ輻射(140 keV)均可激發(EO)納米顆粒成像[1]，因此，提出稀土納米探針介導的REFI理論。Cao等[9]同樣利用鑭系稀土微粒放射性熒光的特點，將摻雜鋱的納米顆粒 (Gd2O2S∶Tb)被18F-FDG衰變過程中所釋放的γ射線以及切倫科夫輻射激發。實驗組(18F-FDG+Gd2O2S∶Tb)的放射熒光信號強度較對照組(18F-FDG+NS)提高了3.2倍，實驗組的組織穿透力比對照組提高了2倍，深度可達15 mm。這種REFI現象不僅可減少圖像背景熒光，增強組織穿透性，還可在減少放射核素劑量的基礎上，探測較小腫瘤病變，提高放射核素藥物利用率。

1.3 多模式成像研究 Hongyu及其團隊設計了一種梭形紡錘狀多功能單分散磁性納米顆粒(γ-Fe2O3@SiO2@Gd2O3∶Eu)[10]，顆粒核芯為赤鐵礦，被草酸溶液侵蝕后與Gd2O3∶Eu外殼形成載藥空間。獨特的“納米眼”結構及磁性發光性質，使得該粒子具有了X線激發熒光及MRI成像的雙模式成像模式。Conroy等[11]設計了一種PEG包覆的Ba0.55Y 0.3F2∶Eu 3+納米顆粒，該微粒同樣可被放射性核素(PETCT)和X射線激發，有效增強了成像效果以及圖像定位的準確性。多模式成像實際是通過多種成像技術相結合來體現高敏度高特異的成像方式。高能射線激發稀土顆粒的放射熒光成像與現有PETCT、MRI等結合，實現優勢互補，增強成像效果，為臨床腫瘤影像診斷提供依據。

2 臨床診療

2.1 腫瘤治療 近年來,多藥物耐藥(multi drug resistance, MDR)成為腫瘤化療藥物治療亟需解決的難題。為了更好地解決，學者們力圖將鑭系納米顆粒安全有效地應用于臨床醫學中。通過大分子的增強滲透和滯留效應(enhanced permeability and retention，EPR)，納米顆粒可有效靶向腫瘤組織，實現腫瘤靶向診療[12-14]。

2.1.1 pH調控 腫瘤組織代謝快，需有氧代謝獲取能量；當機體不能及時給予氧供給時，無氧酵解能力增強，促使腫瘤細胞內環境酸性代謝產物快速蓄積，導致pH呈酸性。Sudheendra等[15]發現，X射線激發覆有酸根離子涂層的納米顆粒(NaGdF4:15% Eu3+)后，隨著pH值的改變，熒光強度會隨著發生變化。可以看出，X射線激發鑭系納米顆粒產生的熒光會受到周圍環境酸堿影響。利用這一性質，Hongyu等[16]設計一種嵌入式pH調節器，即將甲基紅染料濾紙放在X射線閃爍體(Gd2O2S:Tb/Gd2O2S: Eu)上形成一薄層，并由窄矩形X射線束照射，光纖耦合分光計接受可見光。光譜通過pH試紙的條帶使得樣品呈現出不同的pH值。該團隊還通過利用pH值可改變控釋阿霉素釋放這一性質，合成一種摻雜有鑭系元素(Eu、Tb)的Gd2O2S納米膠囊[17，18]。此納米膠囊作為阿霉素的轉運體，利用X射線(1 mm)激發稀土納米顆粒(Gd2O2S:Tb，Gd2O2S:Eu)，形成特殊的pH 控釋系統來監控pH值改變，控制阿霉素在體內的釋放，以達到靶向檢測藥物攝取能力的目的。

2.1.2 與光敏劑結合應用 光動力治療(photodynamic therapy，PDT)是指光敏劑和分子氧參與下由光照射所產生的光子治療方法。光敏劑在腫瘤組織中大量蓄積，直接殺傷腫瘤細胞；破壞腫瘤血管，加重細胞缺血缺氧；促進炎性反應因子或免疫遞質釋放，啟動特異免疫機制，加速腫瘤細胞的壞死或凋亡。光敏劑分Ⅰ型及Ⅱ型，其中，Ⅰ型以產生氧自由基為主；Ⅱ型以產生單線態氧為主。由于光動力治療受氧依賴以及組織穿透性弱的限制，未能對深部惡性腫瘤產生理想的殺傷效果[19，20]。為彌補這一劣勢，步文博與其團隊[21]將鑭系元素為基礎的納米顆粒LiYF4:Ce與光敏劑ZnO相結合 形成納米核殼結構，即SCNP@SiO2@ZnO-PEG。在電離輻射過程中，LiYF4:Ce3+閃爍芯體使紫外光進行下轉換，產生的光子能夠使半導體納米顆粒ZnO的自由載流子數增加，電子-空穴對數增加，從而與水分子以及氧分子相互作用產生了 具有生物毒素的羥自由基(.OH)。這種納米粒子的使用減少了對氧分子的依賴，有利于增強乏氧腫瘤細胞的殺傷作用。這一方法的提出，不僅可以改善傳統光動力治療中激發光源活體組織穿透深度低的不足，半導硅的使用還削弱了放療X線對光敏劑的光淬滅作用。Ahmed等[22]將二氧化硅均勻薄層涂覆在LaF3:Tb納米顆粒外與光敏劑玫瑰紅(RB)共價結合，形成納米顆粒LaF3:Tb@SiO2-NH2@RB。利用X線作為激發光源激發納米顆粒，納米顆粒中LaF3:Tb將吸收的能量有效的轉移給了光敏劑RB，促進1O2的產生，有效殺死深層的腫瘤細胞。

2.1.3 與生物活性因子結合應用 步文博與其團隊還設計一種X射線控釋NO的稀土納米粒子診療劑(PEG-USMSs-SNO)[21]，即上轉換納米顆粒NaYF4:Yb/Er外包裹介孔氧化硅復合結構，在介孔孔道中嫁接硫醇(R-SNO)。通過對X射線信號改變來調控NO在乏氧腫瘤細胞中的釋放，促進腫瘤細胞壞死。

2.2 感染監控 隨著醫療水平的提高，越來越多的患者接受醫療器械(如起搏器，假關節等)的人體植入手術。但這種植入人體的醫療器械極易容易引起細菌感染。Fenglin等[22]利用X射線激發化學成像技術，并依據細菌新陳代謝(如糖酵解)可引起組織酸代謝特性，設計一種覆含有酸堿指示劑硅層溴酚藍及磷粉的納米顆粒(Gd2O2S:Eu)，可根據pH值來改變熒光光譜，從而在某一程度上可實現對抗生素治療醫源性細菌感染效果進行監測評估。遺憾的是這項研究尚處于單純的體外細菌檢測實驗階段。

綜上所述，高能射線激發稀土微粒的放射激發熒光成像，為當前醫學領域的發展注入新的活力，為實現深部腫瘤的輔助診斷及治療提供新的思路和方向。但也面臨著一些問題。對RLNP而言，微粒雖在細胞實驗以及動物實驗中尚未發現明顯的細胞毒性作用，但仍不能保證臨床應用的安全性。不僅如此，顆粒本身的穩定性能以及熒光強度還需要大量實驗研究的摸索及揣摩。除上述因素外，高能射線對人正常組織的輻射傷害能不可小視，為實驗研究提出了巨大的挑戰。

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(2016-11-22收稿 2017-02-16修回)

(責任編輯 郭 青)

醫學期刊常用字詞正誤對照表

王 瑤，碩士。

100039 北京,武警總醫院消化內科

劉海峰，E-mail：haifengliu333@163.com

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