CT纳米造影剂的肿瘤诊断研究进展

引言

上个世纪前叶，科学家发现碘溶液可以在X射线照射下使胶片显影，即碘溶液具有吸收X射线的特性。因此，医学家们利用碘的特性制成了专用于医学放射检查的造影剂。初期的造影剂，是离子型造影剂，其中的碘是以离子方式存在于溶液中。自由移动的碘离子，非常容易与血管壁接触，当人体血管壁或其他组织的细胞对碘过敏时，使用造影剂者就会发生过敏反应。为了减少碘过敏反应的发生，医学工作者经过不断的探索，发现如果将游离的碘离子用一些特殊的化学结构包裹起来，就像人们把很黏的物体用纸包裹起来以免粘手一样，离子碘就变成了非离子碘，这样它就很难再与血管壁或组织细胞接触，这种造影剂称为非离子造影剂。

增强扫描的时候，需要在患者的静脉内注入大量的造影剂。一般来说造影剂对人体是安全的。但是由于人体的个体差异性，在特定的情况下，有些人会对造影剂会产生一些不良反应，包括过敏反应及神经毒性、血管毒性、肾毒性等，其中过敏反应是最常见的。过敏反应根据轻重程度，可分为轻、中、重度。

轻度过敏反应：发生率为3%～4%，主要表现为皮肤发红、荨麻疹、恶心、头晕、喉咙发热发痒、打喷嚏。中度过敏反应：发生率为1%～1.5%，主要表现为全身大量荨麻疹、轻微喉头水肿、血压一过性下降等。重度过敏反应：很少见，发生率仅为0.01%～0.05%，主要表现为血压明显下降，休克，严重的气管、支气管水肿痉挛，严重的喉头水肿，甚至可能引起死亡。非离子型造影剂的不良反应率明显低于离子型造影剂的不良反应率，现代新型非离子型造影剂不良反应的发生率更低。

一般来说，离子型造影剂在使用之前全部需要做过敏试验。非离子型造影剂相对来说，比较安全。按照我国最新颁布的药典规定，这些造影剂在注射之前无需做过敏试验。但也有部分非离子型造影剂在使用说明书上，还是说明需要做过敏试验。对于那些有碘过敏史的人，虽非绝对禁忌症，但注射时需非常谨慎。所以，为保险起见，医生通常会按绝对禁忌症处理。有高危因素的老年人、幼儿，患支气管哮喘、心脏或肝肾功能不全、甲状腺功能亢进等疾病者，或病人血清肌酐超过3 mg/dL时也需慎用。一般病人做完造影后宜观察1 h，因偶有过敏反应延迟发生者。

现代医学目前还没有能力完全避免造影剂对人体的伤害。我国有关医疗法规均要求，医疗机构的CT室要有健全的针对造影剂副作用的救治体系。正规医疗部门的CT检查室，应具备完善的急救设施，相关医护人员也应具备良好的技术培训和丰富的抢救经验，以确保患者在出现过敏反应时，能在最短时间内得到积极正确的救治，以最大限度保证患者的生命安全[1]。

如果注射的造影剂是碘普罗胺注射液，水肿则是该药的不良反应之一。静脉注射造影剂有关的不良反应通常是轻微至中等程度而且是暂时的，但严重反应，甚至致命性的反应也曾被报告过。恶心、呕吐、红斑、疼痛和温热感是最常见的反应，温热感或恶心感可以通过减慢注射速率，或暂停注射来改善。其它可能发生的症状是：寒颤、发热、出汗、头痛、晕眩、面色苍白、虚弱、窒息感、喘气、血压升高或降低、荨麻疹、各类皮疹、水肿、痉孪、发抖、喷嚏和流泪。

随着生物纳米技术的发展，基于纳米探针的CT造影剂有望改善上述缺点[2-4]。纳米颗粒的尺寸小，与生物分子大小匹配，可作为造影剂来探测体内的病理，还可设计能操纵生物功能的纳米探针[5]。目前对纳米造影剂靶向输送到肿瘤部位的研究主要有两类：一是利用肿瘤附近的新生血管对10～400 nm的纳米颗粒可渗透和滞留到肿瘤组织附近[6]，达到被动靶向输送纳米探针的途径，即肿瘤新生血管的高通透性和滞留效应；另一类是利用肿瘤新生血管过表达血管内皮生长因子，以及肿瘤细胞与正常细胞的细胞膜上一些小分子、多肽、蛋白、适配体或抗体的受体等的表达不同，在纳米造影剂表面偶联或吸附适当的抗体或配体[7]（如抗血管内皮生长因子[8-9]、RGD[10-11]、叶酸[12]、半乳糖[13]、磺胺[14]、促黄体激素释放激素[15]等），可将纳米载体特异性的靶向到肿瘤部位，加强肿瘤细胞对纳米造影剂的内吞，使其能更好的定位于肿瘤组织，对癌变区域成像。纳米造影剂在成像诊断技术中的应用研究成为热点。

1 CT纳米造影剂的研究热点

目前，CT纳米造影剂的研究主要集中在以下几个方面。

（1） 瘤转移是造成肿瘤致死的主要原因之一，已有大量研究试图解决这一问题，有鉴于此，Gilam等报道了通过纳米技术辅助miRNA防止乳腺癌转移的最新成果。miRNA作为一种有效的基因表达调控因子，对于防止和杜绝肿瘤转移具有重要作用。研究发现[16]，在含钯蛋白内部，一种常见的核苷酸多态性（rs1071738）就能破坏miR-96或miR-182结合位点处的miRNA: miRNA结合作用，从而通过这些miRNA减弱含钯蛋白的调控作用，减少乳腺癌细胞的迁移和扩散。以小白鼠为模型体系，研究人员利用一种水凝胶包覆的Au纳米颗粒作为靶向输送平台，实现了miR-96或miR-182在肿瘤部位的局部、选择性、持续性释放，极大地抑制了乳腺癌的转移。进一步，在释放miRNA的同时，还靶向控释一种顺铂化疗药物，一边缩小肿瘤，一边防止转移。这项研究结果表明，miR-96或miR-182有望作为抵抗肿瘤转移的药物。

（2）将碘通过化学手段修饰到纳米载体上制备成碘的纳米造影剂。合成一种新型纳米CT造影并对其样本进行表征。研究CT造影剂的毒性，同时研究该造影剂在小鼠体内分布和代谢情况。为其临床应用提供可行性依据。

（3）寻找新的材料代替碘。大量的研究表明，将碘共价偶联到有机高分子（如树枝状聚合物[16]等）上或负载在一些生物材料（如脂质体、明胶等）上，制成纳米造影剂来提高其在靶组织附近的聚集，从而增强显影。但是该方法无法从根本上解决碘的肾脏毒性和碘剂过敏患者限用等问题。另外研究发现Au对X射线的吸收系数远大于碘，且造影效果好[17]，故其作为CT造影剂具有良好的应用前景[18]，但由于其造价较高，增加了检测的成本，不利于推广。

相对于碘的高分子聚合物和金纳米材料，易于制备和廉价等优点的纳米氧化钨用作CT造影剂的材料引起人们的关注[19-20]。研究表明氧化钨纳米颗粒对X射线具有较高的光衰减能力，远大于碘对X射线的吸收系数，这为氧化钨纳米颗粒作为CT造影剂来提高检测灵敏度提供理论依据。Huo等[20]使用氧化钨纳米颗粒作为CT造影剂，对荷瘤小鼠和兔子的淋巴组织进行了研究，结果表明氧化钨纳米颗粒的CT成像灵敏度高于分子碘造影剂。体外MTT实验表明聚乙二醇（Polyethylene Glycol，PEG）修饰后的氧化钨无细胞毒性，这些研究结果为氧化钨纳米颗粒作为CT造影剂用于疾病的诊断检测提供了有力的实验依据，同时也表明通过CT成像可以跟踪氧化钨纳米颗粒在体内的行为。纳米颗粒与蛋白或具有生物活性的配体偶联，能提高它们的稳定性和细胞吸收的有效性[21]，适合偶联纳米颗粒的叶酸，是一种维生素小分子，主要通过叶酸受体介导途径运送到细胞内[12]。叶酸受体在多种人体肿瘤细胞表面过表达[22]，如乳腺癌、卵巢癌、子宫内膜癌等，叶酸-叶酸受体专一性结合已成为一种有效的药物转运途径，其介导纳米颗粒的运输广为研究，包括量子点、碳纳米管、磁性纳米粒子、金纳米以及多孔硅纳米颗粒等[23-27]，都证明叶酸修饰后的纳米颗粒具有肿瘤靶向性。而对于叶酸偶联的氧化钨基纳米颗粒靶向肿瘤CT诊断的还未见报道。

2 CT纳米造影剂的研究目标

近年来，纳米医药和CT纳米造影剂在癌症的诊断和治疗中取得了较大的进展，也存在一些重大议题亟待解决，譬如肿瘤生物学中的复杂性和多相性，对纳米-生物相互作用机理的理解不够深入，以及化学、制造、临床转化、商业化等问题。鉴于此，Farokhzad课题组综述了癌症纳米药物近年来的进展，挑战与机遇，着重讨论了如何深入理解肿瘤生物学和纳米-生物相互作用，从而发展更加有效的癌症治疗纳米技术[28]。

纳米技术在肿瘤治疗和显像中的主要优势在于：① 通过增强效率或者降低毒性，提高药物治疗指数；② 对组织，细胞或者细胞器官特异性的靶向输送；③ 增强治疗性分子的药学特性，譬如稳定性、溶解性、循环半周期以及肿瘤富集性能；④ 持续性的或刺激引发的药物释放；⑤ 有利于生物大分子药物（譬如DNA、siRNA、mRNA和蛋白质等）向细胞外活性位点的传递；⑥ 通过对各种药物的时空暴露以及输送药物的比例进行更准确的控制，实现多种药物的共同传递，增强治疗效果，并避免抗药性；⑦ 药物经过胞吞转运作用可穿透紧密的上皮和内皮障碍；⑧ 癌症诊断和成像更加灵敏；⑨ 通过对治疗药物和成像的结合，使药物输送位点可视化，可对体内治疗药剂的效果进行实时反馈；⑩ 为合成疫苗提供新方法；? 用于癌症诊断，药物筛选和递送的器件更加微型化；? 部分金或氧化铁等纳米材料本身具有刺激响应的治疗特性。

纳米线的导电、导热以及力学性能都堪称一绝。但是金属或金属氧化物纳米线的制备方法向来就不简单，要么就是需要苛刻的控制条件，要么就是价格昂贵，极大地限制了其实际应用。鉴于此，Lei等[29]报道了一种简单的氧化物纳米线批量制备技术，在不需要催化剂或者外部条件的情况下，直接将体相的合金材料转变为氧化物纳米线。

研究人员首先通过醇溶剂从微米级Al或Mg合金颗粒中析出Li元素，得到具有高度反应活性的Al或Mg原子，从而形成烷氧化物纳米线，再经过高温处理，最终得到氧化物纳米线。据此，研究人员开发了一种基于Al2O3纳米线的分离器，对提高锂离子电池的安全性起到重要作用[30]。

3 CT纳米造影剂解决的关键问题

癌症的早诊断和治疗要想达到最佳效果，必须将正确的药物（或显像剂）输送到正确的肿瘤部位，并仅仅在局部产生杀伤力，而对人体产生最小的副作用。因此，如何将诊断与治疗有效结合，是癌症治疗的重中之重。近年来，随着纳米技术的不断发展，一系列新兴的纳米诊疗技术平台为癌症治疗提供了新的思路和希望。鉴于此，范旭等[18]就纳米诊疗技术在癌症治疗领域的应用进行了仔细的梳理和深入的讨论。

传统的纳米诊疗试剂同时具有诊断和治疗的功效，而新研发的一些单独的纳米诊断试剂和纳米治疗试剂也表现出特殊的纳米诊疗效果。为了增强纳米颗粒的药物性，纳米诊疗试剂往往会披上一层防垢的外衣，或者连接一些配体，用于主动标靶。在纳米诊疗试剂中，纳米药物往往具有成像功能。

随着药物靶向传递、药物释放、靶向成像、后处理，纳米-生物相互作用、生物毒性等议题研究的不断深入，纳米诊疗技术在癌症治疗中扮演着越来越重要的地位，部分纳米诊断试剂已经实现了临床转化。另外，肿瘤的特性对不同尺寸纳米颗粒在肿瘤细胞内的行为起到重要影响作用。血管的动态破裂、血流速度等等影响，都关系着纳米颗粒和肿瘤细胞的相互作用，影响纳米颗粒在肿瘤部位的富集、在血液中的循环、从体内排除析出等一系列问题。

4 CT纳米造影剂的使用和展望

使用靶向氧化钨基纳米颗粒作为CT造影剂为肿瘤的早期诊断有效的方法，是一项利国利民的事，加强对此方面的研究和开发必将给民族企业带来越来越多的经济利益，并对人类的健康做出重要贡献。一般而言CT球管平均寿命为30万秒，每个球管售价在100万元人民币以上，最大化的利用CT球管，有利于节约医疗成本，控制CT球管的曝光时间很有必要，这能直接减少CT球管更换次数，使用靶向氧化钨基纳米颗粒作为CT造影剂可降低设备球管的曝光时间有利的节约了医疗成本及维修金额，节省了科室、医院的成本支出。

纳米技术诊断和治疗癌症，已产生许多的成果，并帮助传统的癌症治疗技术实现了一些突破性进展。虽然如此，纳米诊疗技术仍然有很长的路要走，如何实现纳米诊疗试剂的批量生产、如何进行长期的生物毒性评估与生命周期管理，都是纳米诊疗技术全面进入临床和实用，并实现个性化治疗的关键[31]。

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