基于超顺磁性氧化铁纳米颗粒的磁共振T1显影剂设计与生物应用

Due to clinically available gadolinium-based MRI contrast agents are associated with nephrogenic system fibrosis (NSF), high-efficiency new MRI contrast agents are seeking. Superparamagnetic iron oxide (SPIO) nanoparticles is good biocompatibility materials, but is not appropriate for the T1 MRI contrast agents because of its much too high T2 relaxivity. The high T2 effect is hard to depress in the T1 weighted imaging. It has a great scientific and practical value to design and prepare high-efficiency T1 MRI contrast agents based on SPIO. In this project, on one hand we reduce the T2 relaxivity of SPIO by decreasing size of the inorganic core, on the other hand we enhance the T1 relaxivity of SPIO by optimizing the molecular rigid structure of coordination site on the surface of SPIO nanoparticle, expect to obtain high-efficiency T1 MRI contrast agents. Then, we will optimize the pulse sequences and relevant parameters in MRI scan to obtain the ideal imaging conditions for SPIO-based MRI contrast agents. Furthermore, biological safety of SPIO nanoparticle will be evaluated by cytotoxicity in vitro and histopathological studies in mice, the blood half-life in rats and tissue distribution in mice of SPIO nanoparticle will be studied by inductively coupled plasma mass spectrometry. Finally, contrast-enhanced MR angiography in rats and tumor targeted MRI in tumor-bearing mice will be used to evaluate MRI enhancement in vivo and tumor targeting efficiency of SPIO nanoparticles.

基于钆的T1显影剂存在引起肾源性系统性纤维化疾病的风险，急需寻找非钆的高效MRI显影剂。SPIO纳米颗粒具有良好的生物相容性和高的T1和T2弛豫效能，但在MRI增强中T2权重很难抑制，不适用于T1对比增强，目前主要用于T2对比增强研究。设计和制备出适用于T1对比增强的SPIO显影剂具有重大的科学和实用价值。本项目一方面通过合成小粒径SPIO颗粒的方法降低其T2弛豫效能，另一方面对SPIO表面配位结构进行优化设计提高其T1弛豫效能，以获得基于SPIO的高效T1显影剂。再对MRI扫描序列和参数进行优化，寻找最适合于SPIO纳米颗粒的MRI显影条件。项目中还通过细胞毒性实验和组织病理学评价其生物安全性，铁元素检测分析其大鼠血液半衰期和小鼠各主要器官分布。最后通过大鼠血管对比增强实验和荷瘤小鼠肿瘤组织的靶向显影实验评价其体内MRI对比增强效果和肿瘤靶向效率。

本项目针对临床磁共振造影剂钆剂存在引起肾源性系统性纤维化疾病和体内残留等风险，研究非钆的安全、高效纳米造影剂。SPIO纳米颗粒具有良好的生物相容性和高弛豫效能，是理想的钆剂替代物，但是前期研究发现大部分SPIO具有非常高的T2弛豫效能，MRI增强中T2权重很难抑制，不适用于T1对比增强，大大限制了临床应用。本项目一方面合成了不同粒径、不同表面材料构成的SPIO单分散纳米颗粒，详细研究SPIO晶核粒径、表面材料组成和单分散性对其T1、T2弛豫效能（r1和r2）的影响，从中掌握了SPIO结构与弛豫效能间的关系。另一方面，详细研究了SPIO纳米颗粒在不同磁场强度、不同磁共振成像序列与参数下的弛豫特点和体内外对比增强效果，从中摸索出不同SPIO纳米颗粒在磁共振造影剂应用中的成像特点、适用序列与参数。经过本项目研究，得出以下结论：1、单分散水溶性SPIO纳米颗粒同时具有较高的r1和r2，并随着SPIO晶体尺寸的增大而增大，且r2/r1比值也增大；2、一种SPIO纳米造影剂是否适合用于T1、T2或是T1-T2双模造影剂，还与其在哪种主磁场强度的磁共振下使用有关。实验中，8 nm SPIO@PEG5k在3.0 T磁场下适合用于 T2 造影剂（r2/r1 = 14.0），在1.5 T下是理想的T1-T2双模式造影剂（r2/r1 = 6.52），在0.5 T磁场下也可用于T1造影剂（r2/r1 = 2.49）；而4 nm SPIO@PEG5k在3.0 T磁场下是理想的T1-T2双模式造影剂（r2/r1 = 5.24），在1.5 T和0.5T磁场下可用于T1造影剂（r2/r1 = 1.74 和r2/r1 = 2.85）；3、SPIO纳米造影剂具有较临床钆剂效果更好的血管对比增强磁共振显影效果。3.0T磁共振下，尾静脉注射4 nm SPIO@PEG5k纳米颗粒后，SD大鼠全身血管明显增强，且持续时间达2小时以上。