纳米探针在分子影像领域的研究进展

2013年第58卷第9期：762~776引用格式:龚萍,杨月婷,石碧华,等.纳米探针在分子影像领域的研究进展.科学通报,2013,58:762–776GongP,YangYT,ShiBH,etal.Progressofthenanoprobesformolecularimaging(inChinese).ChinSciBull(ChinVer),2013,58:762–776,doi:10.1360/972012-1727《中国科学》杂志社SCIENCECHINAPRESS特邀评述纳米探针在分子影像领域的研究进展龚萍,杨月婷,石碧华,张鹏飞,郑明彬,胡德红,高笃阳,盛宗海,郑翠芳,刘朋,王碧,蔡林涛*中国科学院深圳先进技术研究院,中国科学院健康信息学重点实验室,广东省纳米医药重点实验室,深圳癌症纳米技术重点实验室,深圳518055*联系人,E-mail:[e-mail]2012-12-03收稿,2013-01-02接受国家重点基础研究发展计划(2011CB933600)、国家自然科学基金(20905050,81071249)和深圳市专项基金(JCYJ20120615125829685,ZYC201105170305A)资助摘要随着人们对医学诊断要求的提高,现有的影像诊断技术已经不能满足疾病高效超前诊断的需求.而分子影像诊断技术从分子水平对疾病的异常结构和功能进行生理、生化水平显像,能为疾病的诊治提供更为精确的信息.分子影像学的发展除了需要先进的成像设备外,最关键的是要发展新型而高效的成像探针.目前常规的造影剂和分子探针因为信噪比较低、不具备靶向性等缺点而无法满足成像要求,而在各种纳米材料基础上发展起来的纳米影像探针显示出较好的显像效果.本文主要综述光学成像(opticalimaging)、磁共振成像(magneticresonanceimaging,RI)、正电子发射断层成像(positronemissiontomography,PET)、电子计算机X线断层扫描(computedtomography,CT)、单光子衍射成像技术(single-photonemissioncomputedtomography,SPECT)、光声成像(photoacousticimaging,PA)、多模态成像(multi-modalityimaging)等各类分子影像中纳米探针的种类、应用及发展前景.关键词分子影像纳米材料分子探针靶向多模成像众所周知,重大疾病尤其是肿瘤的早期与精确诊断是提高其治愈率及改善患者生存质量的关键所在.因此发展高、精、尖的诊断技术是现代医学的主要目标.而影像学尤其是分子影像学的飞速发展在疾病的早期诊断、活性药物筛选、甚至实时评价治疗效果等方面都发挥着越来越重要的作用.分子影像学是一门在活体内、在细胞、分子水平对生物过程进行描述与测量的新兴交叉学科,分子影像技术把分子探针技术与现代分析影像仪器相结合,融合了生物学、化学、光学、数据处理、纳米技术、图像处理等学科及技术,对体内与生理病理活动密切相关的分子,特别是对一些疾病的产生、发展有重要作用的基因/分子及其传导途径进行实时和非侵入式的成像,旨在疾病表现出临床症状之前就通过影像手段在细胞或分子水平观察体内的生理和病理变化过程.以便从分子水平对疾病进行早期诊断以及个体化分子治疗.作为分子医学的重要组成部分,分子影像技术在现代诊断学中发挥着越来越重要的作用.近年来分子影像学在临床和基础研究方面都得到了很好的应用,推动了疾病的早期诊断和治疗,也为临床诊断引入了全新的概念.分子影像学的核心是快速、高灵敏、高分辨的成像设备与高特异性、高亲和力的影像探针(probe)的完美融合.影像探针是指能与靶标特异结合且能产生影像学信号(如光、磁、电信号)的复合物.理想的分子影像探针应满足以下几个条件[1]:(1)对靶标具有高度的特异性结合力和亲合力;(2)具有好的通透性,能迅速穿过生物屏障,如血管及细胞膜等;(3)不会引起机体明显的免疫反763特邀评述应;在活体内保持相对稳定,在血液循环中有适当的清除期,既能与靶生物分子充分结合又不会有明显副作用;(4)能与影像信号分子偶联,在一定程度上将需要探测的信号进行放大便于成像并产生有效的检测信息.目前常用的分子影像探针有各类常规的非特异性造影剂、带有特异分子配体的分子探针以及近年来随着纳米技术而发展起来的纳米探针.相对于传统的分子型探针,纳米探针具有影像信号强度大、靶向效果好、代谢动力学可控等显著的优点.本文针对光学成像(opticalimaging)、磁共振成像(magneticresonanceimaging,MRI)、正电子发射断层成像(positronemissiontomography,PET)、电子计算机X线断层扫描(computedtomography,CT)、单光子衍射成像技术(single-photon-emissioncomputedto-mography,SPECT)、光声成像(photoacousticimaging,PA)、多模态成像(multi-modalityimaging)等分子影像中纳米探针的类型、应用及发展前景进行综述.1光学纳米探针1.1荧光纳米探针光学分子影像同MRI、核素成像等技术相比,具有无创性、无辐射性、高安全性、高敏感性、分辨率高等优点,近红外荧光成像分辨率1~2mm,可以穿透8cm厚的组织,荧光成像信号强、背景低,可直接发出明亮的信号.近年来,基于贵金属纳米材料(金、银等纳米颗粒)、半导体纳米材料(硒化镉量子点等)、无机非金属纳米材料(碳量子点、石墨烯量子点等)的光学探针迅速发展.尤其是近红外(nearinfrared,NIR)探针在活体示踪与转化医学的应用,使光学分子影像有着巨大的潜力.量子点具有独特的光学特性.它的荧光发射波长可调,荧光发射范围覆盖300~2400nm的波段,而且可以实现一元激发,多元发射;光化学稳定性好,荧光寿命较长;同时,量子点尺寸较小,体内循环时间长,对肿瘤具有很好的被动靶向效果.这些优越的性质,使得量子点作为纳米荧光探针昀先被用于活体荧光成像.聂书明课题组[2]昀先用量子点在活体内对肿瘤进行定位和成像.他们用聚合物纳米颗粒层和聚乙二醇包被量子点,并将其连接到前列腺特异性的单克隆抗体上,然后将这种连接有特异肿瘤靶向配体的量子点探针注射到荷瘤裸鼠体内,结果发现量子点能聚集到肿瘤组织周围,这样就可以通过荧光成像实时获得动物体内肿瘤大小和定位的信息.该工作大大推动了量子点在活体荧光成像领域的应用.此后,Cai课题组[3]采用RGD多肽修饰的量子点实现了对肿瘤细胞和组织的特异性识别.Kim课题组[4]发展了近红外CdTe/CdSe量子点检测前哨淋巴结活组织的新方法,该技术可以实现可视化成像以指导肿瘤定位和外科切除,极具临床实用价值.庞代文课题组[5~9]在基于量子点标记的生物活体示踪与生物医学成像方面取得了重大进展.他们通过时空耦合活细胞内的互不相关的生化反应,在常温下使用相对安全的试剂成功地在活酵母细胞内合成了性能优越的CdSe量子点.用这种量子点标记表达在神经细胞膜表面的朊蛋白可实现单颗粒朊病毒在胞内运动历程的实时动态可视化,为揭示朊蛋白错误折叠发生的部位和影响因素并进而阐明其致病机制提供了重要参考.探针的合成、修饰和功能化是靶向成像并实现早期诊断的关键.而作者课题组[10]首次采用“点击化学”的方式将量子点标记到活病毒上,发展了一种基于量子点的用于活病毒标记的普适方法.如图1所示,油相合成量子点在转水的同时引入了叠氮基团,病毒上的可点击基团(DBCO)在温和的条件下与之发生点击反应,将量子点偶联到活病毒上.这种方法为进一步在细胞亚细胞层级揭示病毒侵染宿主细胞机制并对相关疾病的预防控制及治疗提供有力帮助,也为量子点进一步在生命科学基础研究及生物医学应用,例如癌症发生发展的机制及其早期诊断与治疗等,奠定了良好的基础.碳量子点、石墨烯量子点是一类超小碳纳米颗粒,优异的光学性质、低的毒性、良好的生物兼容性和廉价的制备成本使之成为纳米生物的研究热点.它们能发射近红外荧光,用于生物体内成像[11].杨柏研究组[12]合成量子产率高达11.4%的石墨烯量子点探针并将其用于常规的生物光学成像.徐淑坤课题组[13]在PEI修饰的碳量子点表面偶联上CEA抗体制备成荧光纳米探针用于细胞荧光成像,研究表明这种探针对肿瘤细胞有很好的靶向效果.Mohapatra课题组[14]以橙汁为材料合成了3nm大小的碳量子点并将其用于细胞成像.张永久课题组[15]通过混合酸处理碳纳米管和石墨烯等碳材料制备得到一系列碳量子点并将其用于荧光活体成像,结果发现碳量子点2013年3月第58卷第9期764图1量子点标记活病毒及病毒的细胞内转染(a)量子点标记病毒的示意图;(b)双荧光共定位量子点标记的病毒,SYBRgold(绿色)染的病毒与量子点(红色)重叠说明量子点标记到了病毒上;(c)量子点标记病毒侵染细胞;(d)量子点标记病毒侵染细胞,并且在细胞内表达其特有的蛋白(绿色).比例尺刻度10m[10]不但有很好的近红外成像效果且不会对动物造成明显毒性.沈广霞课题组[16]将光敏剂共轭到碳量子点上制备成同时具有荧光成像和光动力学治疗双重效果的纳米探针.小鼠实验结果表明这种探针具有很好的肿瘤靶向成像和光动力学治疗效果.孙亚平课题组[17]通过不同的方法制备了一系列碳量子点并将其用于光学影像.通过修饰的碳量子点是很好的双光子探针,可用于双光子细胞成像.该课题组[18,19]还制备了ZnS包壳的碳量子点,碳量子点的荧光发光效率等荧光性能非常好,完全可以与CdSe/ZnS量子点相媲美.其小鼠淋巴结成像实验结果表明,经过PEG修饰的碳量子点探针具有特异的淋巴成像效果,可以在一定程度上取代有毒的量子点.贵金属纳米簇(cluster)作为一类新型的荧光标记物也被应用到生物成像领域中.而且由于有突出的双光子横截面使得其在双光子成像领域有很大的应用潜力.Baskakov课题组[20]首次把银纳米簇应用到成像领域.这些荧光银纳米簇显示很高的发光亮度和强的抗光漂白的能力,照射了24h后,仍呈现出强的荧光.Dickson课题组[21]用在细胞内产生的肽为模板剂合成了银纳米簇并用其标记活细胞.这些超小的银纳米簇均匀地分散在细胞中,有些可以穿过细胞核膜,导致低的细胞核染色效率.该课题组[22]还用DNA为模板剂合成银纳米簇.这些DNA保护的银纳米簇能够被细胞内化并对细胞进行荧光成像.Chou课题组[23]将用糖苷保护的金纳米簇应用在人类干细胞的双光子成像.用800nm的激光照射,金纳米簇可以有效地对所标记的细胞进行双光子成像.Nienhaus研究小组[24]采用D-青霉胺为模板剂合成金纳米簇并将其应用于Hela细胞的双光子成像.除量子点外,包被染料的纳米颗粒能在保持染料的特有荧光光谱特征的同时,并克服染料光化学稳定性差、光漂白和光降解比较快等缺陷,且易于合成、修饰简单、尺寸可调,因此也被广泛用于荧光成像.吲哚菁绿(ICG)是一种具有近红外特征吸收峰的花菁染料,已被美国FDA批准用于临床,但由于其稳定性很差,没有可以直接偶联生物分子的化学基团,因此无法直接制备成特异的影像探针.但是如果将其包裹成纳米颗粒再组装成探针则可以很容易地实现靶向成像.作者课题组[25]以ICG为荧光材料,聚合物磷脂纳米颗粒(PLGA-lipidNPs)为载体,叶酸765特邀评述(FA)为靶向分子,通过纳米沉淀与自组装的一步合成法,成功开发了一种荧光性能稳定且对乳腺癌肿瘤细胞具有特异识别功能的近红外荧光纳米探针(图2).研究表明,该纳米探针可用于肿瘤实时检测,为肿瘤的早期诊断和药物递送系统的研究提供依据.激活型纳米探针相对传统的纳米探针而言具有更高的成像反差,在分子影像中具有更广泛的应用前景.通过将纳米技术与核酸分子探针有效地结合,作者课题组[26,27]发展了一种核酶激活型纳米探针.如