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王瑶, 屈亚威 综述, 刘海峰 审校. 稀土微粒放射激发荧光成像技术研究进展[J]. 武警医学, 2017,28(4): 397-399

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稀土微粒放射激发荧光成像技术研究进展
王瑶, 屈亚威 综述, 刘海峰 审校
100039 北京,武警总医院消化内科
通讯作者:刘海峰,E-mail:haifengliu333@163.com

作者简介:王 瑶,硕士。

收稿日期: 2016-11-22
关键词: 放射激发荧光成像; 镧系元素为基础的放射激发荧光微粒; 多模式成像; 临床诊疗
中图分类号:R817.8

分子影像学推动着当代医学的快速发展。目前, 分子影像技术包括核医学、超声、核磁共振、计算机断层摄影、光学成像等方面。与传统的生物发光显像及光学信号较弱的切伦科夫荧光成像(CLI)相比, 放射激发荧光成像(radioluminescent imaging, RLI )表现出较大的成像优势, 它具有良好的组织穿透性和较强的荧光信号强度, 且利用放射性核素(如18F、99mTc等)可无需外部光激发, 从而实现活体内部发光形式[1, 2, 9]。除此之外, 镧系稀土元素为基础的放射激发荧光成像作为新型成像模式, 可在提高原有成像效果的基础上形成双模式或多模式成像体系, 同时在医学生物靶向及临床辅助治疗等方面也表现出了很好的发展前景。

1 稀土纳米颗粒介导的荧光成像
1.1 X射线放射激发

X射线激发镧系稀土元素为基础的放射激发荧光成像, 是将X射线与荧光成像相结合。与传统的荧光成像相比, X射线光束宽度决定着图像的分辨率大小[3]。利用此性质, 相继出现了X射线荧光计算机断层扫描(XLCT)技术[4], 锥形束X射线荧光计算机断层扫描技术[5] , 三维式X射线荧光计算机断层扫描技术[6] (3-D XLCT) 以及限制角度式X线荧光断层扫描技术[7]等, 力求增强X射线激发荧光的成像清晰度, 以便推广应用。

在纳米颗粒的相关研究中, Dominik等[8]发现X射线可激发上转换稀土纳米颗粒NaYF4 :Yb/Er并释放短波红外(SWIR), 提出了X射线激发的短红外波生物荧光成像理论。这种红外短波属第二红外窗口, 1000~2300 nm, 其优势在于拥有较高的分辨率及组织穿透性。这一发现为上转换纳米颗粒介导X射线放射激发荧光成像提供了新的理论研究思路。

1.2 核素放射激发(radionuclide induced fluorescence imaging, REFI)

有研究发现, 无论18F-FDG产生的高能γ 辐射(511 keV), 还是99mTc-MDP产生的低能γ 辐射(140 keV)均可激发(EO)纳米颗粒成像[1], 因此, 提出稀土纳米探针介导的REFI理论。Cao等[9]同样利用镧系稀土微粒放射性荧光的特点, 将掺杂铽的纳米颗粒 (Gd2O2S: Tb)被18F-FDG衰变过程中所释放的γ 射线以及切伦科夫辐射激发。实验组(18F-FDG+Gd2O2S: Tb)的放射荧光信号强度较对照组(18F-FDG+NS)提高了3.2倍, 实验组的组织穿透力比对照组提高了2倍, 深度可达15 mm。这种REFI现象不仅可减少图像背景荧光, 增强组织穿透性, 还可在减少放射核素剂量的基础上, 探测较小肿瘤病变, 提高放射核素药物利用率。

1.3 多模式成像研究

Hongyu及其团队设计了一种梭形纺锤状多功能单分散磁性纳米颗粒(γ -Fe2O3 @SiO2@Gd2O3: Eu)[10], 颗粒核芯为赤铁矿, 被草酸溶液侵蚀后与Gd2O3: Eu外壳形成载药空间。独特的“ 纳米眼” 结构及磁性发光性质, 使得该粒子具有了X线激发荧光及MRI成像的双模式成像模式。Conroy等[11]设计了一种PEG包覆的Ba0.55Y 0.3F2: Eu 3+纳米颗粒, 该微粒同样可被放射性核素(PETCT)和X射线激发, 有效增强了成像效果以及图像定位的准确性。多模式成像实际是通过多种成像技术相结合来体现高敏度高特异的成像方式。高能射线激发稀土颗粒的放射荧光成像与现有PETCT、MRI等结合, 实现优势互补, 增强成像效果, 为临床肿瘤影像诊断提供依据。

2 临床诊疗
2.1 肿瘤治疗

近年来, 多药物耐药(multi drug resistance, MDR)成为肿瘤化疗药物治疗亟需解决的难题。为了更好地解决, 学者们力图将镧系纳米颗粒安全有效地应用于临床医学中。通过大分子的增强渗透和滞留效应(enhanced permeability and retention, EPR), 纳米颗粒可有效靶向肿瘤组织, 实现肿瘤靶向诊疗[12, 13, 14]。

2.1.1 pH调控 肿瘤组织代谢快, 需有氧代谢获取能量; 当机体不能及时给予氧供给时, 无氧酵解能力增强, 促使肿瘤细胞内环境酸性代谢产物快速蓄积, 导致pH呈酸性。Sudheendra等[15]发现, X射线激发覆有酸根离子涂层的纳米颗粒(NaGdF4:15% Eu3+)后, 随着pH值的改变, 荧光强度会随着发生变化。可以看出, X射线激发镧系纳米颗粒产生的荧光会受到周围环境酸碱影响。利用这一性质, Hongyu等[16] 设计一种嵌入式pH调节器, 即将甲基红染料滤纸放在X射线闪烁体(Gd2O2S:Tb/Gd2O2S: Eu)上形成一薄层, 并由窄矩形X射线束照射, 光纤耦合分光计接受可见光。光谱通过pH试纸的条带使得样品呈现出不同的pH值。该团队还通过利用pH值可改变控释阿霉素释放这一性质, 合成一种掺杂有镧系元素(Eu、Tb)的Gd2O2S纳米胶囊[17, 18]。此纳米胶囊作为阿霉素的转运体, 利用X射线(1 mm)激发稀土纳米颗粒(Gd2O2S:Tb, Gd2O2S:Eu), 形成特殊的pH 控释系统来监控pH值改变, 控制阿霉素在体内的释放, 以达到靶向检测药物摄取能力的目的。

2.1.2 与光敏剂结合应用 光动力治疗(photodynamic therapy, PDT)是指光敏剂和分子氧参与下由光照射所产生的光子治疗方法。光敏剂在肿瘤组织中大量蓄积, 直接杀伤肿瘤细胞; 破坏肿瘤血管, 加重细胞缺血缺氧; 促进炎性反应因子或免疫递质释放, 启动特异免疫机制, 加速肿瘤细胞的坏死或凋亡。光敏剂分Ⅰ 型及Ⅱ 型, 其中, Ⅰ 型以产生氧自由基为主; Ⅱ 型以产生单线态氧为主。由于光动力治疗受氧依赖以及组织穿透性弱的限制, 未能对深部恶性肿瘤产生理想的杀伤效果[19, 20]。为弥补这一劣势, 步文博与其团队[21]将镧系元素为基础的纳米颗粒LiYF4:Ce与光敏剂ZnO相结合 形成纳米核壳结构, 即SCNP@SiO2@ZnO-PEG。在电离辐射过程中, LiYF4:Ce3+闪烁芯体使紫外光进行下转换, 产生的光子能够使半导体纳米颗粒ZnO的自由载流子数增加, 电子-空穴对数增加, 从而与水分子以及氧分子相互作用产生了 具有生物毒素的羟自由基(.OH)。这种纳米粒子的使用减少了对氧分子的依赖, 有利于增强乏氧肿瘤细胞的杀伤作用。这一方法的提出, 不仅可以改善传统光动力治疗中激发光源活体组织穿透深度低的不足, 半导硅的使用还削弱了放疗X线对光敏剂的光淬灭作用。Ahmed等[22]将二氧化硅均匀薄层涂覆在LaF3:Tb纳米颗粒外与光敏剂玫瑰红(RB)共价结合, 形成纳米颗粒LaF3:Tb@SiO2-NH2@RB。利用X线作为激发光源激发纳米颗粒, 纳米颗粒中LaF3:Tb将吸收的能量有效的转移给了光敏剂RB, 促进1O2的产生, 有效杀死深层的肿瘤细胞。

2.1.3 与生物活性因子结合应用 步文博与其团队还设计一种X射线控释NO的稀土纳米粒子诊疗剂(PEG-USMSs-SNO)[21], 即上转换纳米颗粒NaYF4:Yb/Er外包裹介孔氧化硅复合结构, 在介孔孔道中嫁接硫醇(R-SNO)。通过对X射线信号改变来调控NO在乏氧肿瘤细胞中的释放, 促进肿瘤细胞坏死。

2.2 感染监控

随着医疗水平的提高, 越来越多的患者接受医疗器械(如起搏器, 假关节等)的人体植入手术。但这种植入人体的医疗器械极易容易引起细菌感染。Fenglin等[22]利用X射线激发化学成像技术, 并依据细菌新陈代谢(如糖酵解)可引起组织酸代谢特性, 设计一种覆含有酸碱指示剂硅层溴酚蓝及磷粉的纳米颗粒(Gd2O2S:Eu), 可根据pH值来改变荧光光谱, 从而在某一程度上可实现对抗生素治疗医源性细菌感染效果进行监测评估。遗憾的是这项研究尚处于单纯的体外细菌检测实验阶段。

综上所述, 高能射线激发稀土微粒的放射激发荧光成像, 为当前医学领域的发展注入新的活力, 为实现深部肿瘤的辅助诊断及治疗提供新的思路和方向。但也面临着一些问题。对RLNP而言, 微粒虽在细胞实验以及动物实验中尚未发现明显的细胞毒性作用, 但仍不能保证临床应用的安全性。不仅如此, 颗粒本身的稳定性能以及荧光强度还需要大量实验研究的摸索及揣摩。除上述因素外, 高能射线对人正常组织的辐射伤害能不可小视, 为实验研究提出了巨大的挑战。

The authors have declared that no competing interests exist.

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