纳米材料在体内成像中的应用及其在精准医疗中的潜力
【介绍】活体成像无论是在临床测试还是作为研究工具，都为我们实时观察内部情况带来了极大的便利。造影剂作为一种纳米材料，可以使生物体的生理结构可视化。近年来，研究人员发现纳米材料可以为精准医疗提供高分辨率、高对比度的图像，在成像应用中发挥着至关重要的作用。
近日，美国斯坦福大学Bryan Smith教授和Sam教授（共同通讯）根据纳米材料的物理和化学成分以及其性质的相关信息，对纳米材料的核磁特性、光学和声学特性进行了详细讨论。在临床前和临床研究中。评估临床应用，并讨论安全性、模块化和与化学结构相关的关键特性。相关研究于2017年1月3日发表，标题为“for In Vivo”。
概述 概述 图1 简介
在过去的5-10年里，纳米材料引发了新兴体内成像技术的快速发展。化学家和成像科学家之间的密切合作在应用新兴纳米材料解决临床难题方面发挥着重要作用。纳米材料在成像技术中的应用，不仅提高了诊断的灵敏度和特异性，而且增加了造影剂的使用量，使得纳米材料在分子成像能力上占据主导地位。此外，纳米材料使成像更容易。最近的许多文章讨论了纳米材料在成像应用中的诸多优点，但只关注于子类别，例如疾病特定应用、细胞特定应用等。本文的主要内容是：1）聚焦于体内纳米材料成像； 2）解释纳米材料特殊的物理和化学性质如何应用于体内成像及其潜在价值； 3）讨论实际用于成像的纳米材料。
无创成像最基本的目标是检测和定位体内疾病背景下指定分子的目标、途径和生理功能。在基于对比的成像中，对比剂产生可被图像识别的信号，当对比剂在患病部位积聚时，通常可以识别出疾病。传统上，这些药物有时与肽、蛋白质和核酸等小分子一起注射到全身。这些物质聚集在疾病位置，并作为不同于正常组织的独特标记反映在图像上。
化学、生物学、临床和工程学的跨学科研究在分子领域取得了进展。小分子虽然很容易进入人体甚至细胞，但无法负载大的有效载荷，无法与治疗方法结合使用，也无法精准使用。工程师可以轻松构思和设计。尽管纳米材料在临床实践中表现出诸多优势，但由于分子的长期使用，其临床应用仍然更受欢迎。本文认为，这种趋势会慢慢向纳米材料倾斜。选择纳米材料的主要原因是： 1）纳米尺度很小（1-100nm之间）； 2) 靶向结合过程中的潜在亲和力； 3）物理化学性质高度可控，包括尺寸、形状、材质、密度、指示电荷等； 4）可承载较大有效载荷； 5）具有对不同图像形式分别成像的能力； 6）可结合治疗方法装载适当的药物。
图1 用于体内成像的纳米材料
2 可成像纳米材料 2.1 纳米材料的关键特性
使用纳米材料进行体内成像需要适当的结构和生物相容性涂层。本文重点讨论纳米材料本身，因此没有对涂层化学成分做出任何陈述。纳米材料具有许多基于其物理和化学特性的关键特性。在临床检测中，由于造影剂是注射到人体中，所以必须考虑它对人体没有副作用，因此无毒性非常重要。此外，纳米材料需要在有限的时间内找到最有可能的靶向位置。特别是，纳米材料在用于体内成像时必须保持持续稳定，才能形成稳定的图像供研究人员观察。
2.2 纳米材料的局限性
以上介绍的纳米材料具有很多优点，但在一定程度上也存在一定的局限性。纳米材料的尺寸有时太大而无法进入理想的组织，而当分散到间隙中时，也太大而不易占据细胞的位置。此外，纳米材料使用后必须排出体外。小分子可以通过新陈代谢或通过肾脏排出体外，但纳米颗粒必须首先分解成最基本的成分才能排出体外。上述纳米材料的成分应该对身体无害，但构成纳米颗粒的一些基本成分本身是有毒的。例如，含有硒、砷等重金属元素的量子簇，由于其降解产物有毒，不能用于临床。
2.3 磁性纳米材料
应用最广泛的是铁基磁性纳米材料。经过长期的历史发展，铁比其他材料更安全，还可以设计成各种形状和尺寸。尽管氧化铁是铁基成像材料中最常用的成分，但科学家最近探索了多种材料。新材料具有高磁矩、饱和度和矫顽力，从而改善造影剂在成像中的使用。虽然铁磁纳米材料占据了主要地位，但最近出现了许多策略。它们不仅简单地将铁磁材料应用于造影剂，而且它们本身也产生图像。应用铁磁成像的一些主要方法包括：
1）磁共振成像（MRI）：它是一种非侵入性、非电离的成像方法，可以提供生物体的结构、生理甚至分子水平的信息。它可以对整个身体进行更深入的成像，空间分辨率低至 10μm。
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2）磁粒子成像（MPI）：一种新兴的成像方法，利用非线性磁曲线产生具有高时间和空间分辨率的纳米粒子定位图像。
3）磁动力成像：磁动力剂是典型的具有高磁化系数的超顺磁纳米材料。
4）电阻抗成像：由于病变组织中的电阻参数与正常组织有很大差异，可以清楚地区分病变部位，因此产生了这种成像方法。
图2 用于细胞追踪的磁性纳米材料
2.4 光学纳米材料
与核磁成像相比，光学成像更快、更高效、更便宜。使用光学显微镜可以实现惊人的空间分辨率，是所有成像方法中最高的，达到纳米级别（其他如超声成像和CT已达到微米级别）。因此，在观察单个分子或树突棘等生理结构的详细特征时，高分辨率光学显微镜是唯一的选择。其高分辨率使其成为纳米尺度观察的唯一方法。
图3 癌症体内荧光团成像
2.5 声学纳米材料
声学成像最基本的应用是超声波。超声技术因其安全、廉价、操作方便、穿透深度更深等优点，已成为软组织成像的主要方法。但在某些方面它无法与MRI相比。它只能对身体的小范围成像，不能应用于骨骼、含空气器官等。用于成像生成和检测的超声的声频通常大于20kHz，临床使用时大于1MHz。通常医生使用超声波时，儿童的频率在2-3MHz之间，成人的频率在5-12MHz之间。相应的空间分辨率为0.2-1mm。
2.6 核纳米材料
与磁性纳米材料一样，基于核心的纳米材料可以检测整个人体的图像。因此，它可以应用于身体的任何地方，包括骨骼、软组织以及肺部等含空气的器官。使用核纳米材料进行成像是通过伽马成像、正电子发射断层扫描（PET）、单光子发射计算机断层扫描（SPECT）和计算机断层扫描（CT）来完成的。包括放射性纳米材料等。
2.7 适应性纳米材料
许多纳米材料的一个特点是化学设计的自由性和模块化。自适应纳米材料的一个明显特征是其成像方法本质上是不可知的，但不能否认自适应纳米材料固有的成像潜力。自适应纳米材料作为一种特殊的成像方法，可以由多种可成像的纳米材料组成，如荧光团、氧化铁等，并且可以将自适应纳米材料负载到一种或多种纳米材料中进行诊断或治疗。 。主要有脂质纳米材料、聚合物纳米材料、硅基纳米材料、天然纳米材料等。
图4 用于狗癌症体内成像的脂质纳米材料
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图5 用于体内成像的聚合物纳米材料
3 多功能纳米材料
纳米材料易于被赋予多种特性是其主要优势之一。多功能纳米材料，顾名思义，具有不止一种性能，可用于多种图像模式。小分子探针通常需要复杂的有机合成，并且合成过程中的许多步骤常常需要修改以添加人工功能。纳米材料通常是模块化的，在添加成分时需要花费大量时间才能使图像呈现一种或多种形式。小变化。如果核心纳米材料可以提供单一形式的造影剂，则更容易观察。
图6 基于软光刻技术的聚合物纳米材料用于诊断和治疗应用
4 纳米材料临床应用的缺点
上述纳米材料属于临床前纳米材料，并不意味着可以用于临床。一方面，需要考虑成本和动机。另一方面则是由于大多数纳米药物都存在缺陷，这也是长期困扰的问题。例如，纳米载体不能像小分子或抗体那样通过扭曲的路径传播。
图7 用于药物释放管理、诊断和治疗的纳米材料
5 总结与展望
多年来，科研人员努力将纳米材料应用于活体成像，推进了人类疾病治疗的进程。本文展示了纳米材料如何在小分子成像方面取得优势并填补小分子和大分子成像剂的空白。事实上，新兴纳米材料具有前所未有的成像灵敏度、穿透深度和多模态。纳米材料的优异性能引起了业界的期待。要满足这些期望，最关键的是权衡纳米材料的安全性能、合成效率和临床相容性等因素。尽管纳米材料有很多优点，但也有相对的缺点。纳米材料要充分应用于临床，我们还有很长的路要走。
文献链接：In Vivo（Chem. Rev.，2017，DOI：10.1021/acs..）
本文由生物材料组李伦撰稿， Niu 编辑。
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