3.6 基于金纳米材料的肿瘤成像

基于金纳米材料的肿瘤成像1 金纳米材料在肿瘤成像中的应用1.1 光声成像光声成像（photoacoustic imaging, PAI）是一种基于光声效应的医学成像方法，结合了光学成像的高对比度和超声成像的高空间分辨率。

当非电离脉冲激光照射生物组织时，组织吸收光能而产生超声波，由超声换能器接收和处理后，产生图像。

由于PA信号主要与组织的光吸收性质相关，利用光吸收强的造影剂增加组织对比度，提高信噪比（signal-to-noiseratio, SNR），改善成像质量。

2004年Copland等首次将金纳米颗粒用于PA成像。

该研究表明，偶联赫赛河单抗的金纳米颗粒能够选择性帮向人表皮生长因子受体-2（Human Epidermal Growth Factor Receptor-2, HER-2）高表达的人乳腺癌细胞系SK-BR-3，并显著增强细胞的PA信号。

然而，本实验中所应用的金纳米颗粒直径约40 nm，LSPR峰位于532 nm处，与血液的吸收波长相近，且成像的组织穿透能力有限，严重影响了其成像效果，限制了其体内应用和临床转化。

因此，构建在LSPR峰位于近红外区域，光吸收强金纳米材料，改善PA成像性能，仍显得十分重要。

如上文所述，通过金纳米棒的纵横比，可将其LSPR峰调节在近红外区域。

同时，金纳米棒的吸收截面和散射截面也与其尺寸和纵横比有关。

尺寸越小，纵横比越高的金纳米棒，对光的吸收更高而散射更小。

综合考虑这些因素，一些研究认为，纵横比在3-4之间的金纳米棒最适合用于PA成像。

金纳米壳由于散射多于吸收，且吸收光谱更宽，其PA成像的效果较金纳米棒略差。

在LSPR峰相同时，金纳米笼的吸收截面比金纳米棒更大，因此，理论上其PA成像效果更好。

由于等离子体賴合作用，金纳米囊泡在近红外区有强烈的吸收，也是良好的PA增强剂。

此外，将金納米材料与其他材料相结合，也可増强其PA成像能为。

由于碳纳米材料具有强烈的近红外光吸收和优秀的导电性，将氧化石墨烯纳米片（grapheme oxde nanosheets, GONs）包裹在金纳米材料表面，能够有效地増强材料的LSPR效应。

有研究表明与单纯的氧化石墨烯或金纳米棒、金纳米囊泡相比，包裹了氧化石墨烯的金纳米棒和金纳米囊泡表现出更强的PA效应。

在金纳米材料表面偶联肿瘤祀向分子，能够增加肿瘤对材料的特异性摄取，实现肿瘤帮向性成像，改善PA成像效果。

除了单一肿瘤的成像外，在LSPR吸收峰不同的金纳米材料表面连接不同的觀向分子，能够实现多种肿瘤的同时成像。

由于新生血管在肿瘤的发展和转移过程中发挥着重要作用，肿瘤新生血管的成像对于肿瘤治疗也很有价值。

与正常组织中的血管不同，肿瘤新生血管往往高表达整合素αvβ3，而序列为精氨酸－甘氨酸－天冬氨酸的RGD多肽（Arg-Gly-Asp, RGD）能够特异性结合整合素αvβ3。

Zhang等的研究表明，表面偶联环装RGD多肋的金纳米棒能够特异性靶向肿瘤新生血管系统，实现肿瘤新生血管的PA 成像。

1.2 光学相干断层成像光学相干断层成像（optical coherence tomography, OCT）是一种基于光的低相干干涉的医学成像方式。

利用Michelson干涉仪，接收组织对入射光波光的反射和散射，经计算机处理后，形成组织的断层扫描图像。

利用近红外区域的光波，OCT的组织检测深度可达10-15μm。

其信号对比度来自组织间光散射的差异，理论上，具有更大散射截面的金纳米材料能够提供更高的对比。

因此，中空结构的金纳米笼，金纳米囊泡及金纳米壳等更适合作为OCT对比剂。

体外实验表明，相比于传统染料，金纳米囊泡的吸收截面增加约５个数量级，对组织的OCT信号増强程度也明显提高。

金纳米壳的散射截面是其几何截面的数倍，West 等的研究表明，小鼠静脉注射PEG包裹的金纳米壳20小时后，相较于注射PBS组，小鼠正常组织OCT信号未见明显改变，而肿瘤部位的OCT信号明显提高，且肿瘤边界更加清晰。

OCT成像的局限性在于，由于取决于光信号的干扰过程，其成像深度有限，高度依赖于光对组织的穿透能力和组织类型，因此目前临床上仅在眼科领域有所应用。

1.3 Ｘ线计算机体层成像Ｘ线计算机体层成像（X-ray computed tomography, X-ray CT）是临床应用最广泛的成像方法之一。

由于不同组织对Ｘ线的衰减不同，探测器接收穿过生物体各个层面、方向的剩余Ｘ线后，经过计算机处理，得到CT图像。

组织对Ｘ线的衰减取决于组织中的电子密度，通过注射电子密度高的CT造影剂，能够增加正常组织和病变组织之间的对比度，能够更好的显示病变，如肿瘤等。

目前临床应用最为广泛的造影剂是碘化合物，但这些造影剂在肿瘤成像中的应用仍然存在许多不足，如肾脏毒性强，半衰期短，缺乏肿瘤靶向性等。

由于金元素原子序数（Z）高，能够提供比大多数元素都高的电子密度，大大增加Ｘ线的衰减，在CT成像中具有良好的应用前景。

在临床所使用的X线剂量下，金纳米材料所提供的Ｘ线质量衰减系数是硕化合物的2.7倍。

与传统的碘化合物相比，由于EPR效应的存在，金纳米材料能够更多地富集在肿瘤部位。

金纳米材料具有更低的肾脏清除率和更长的半衰期，能够提供更长的成像时间，在需要多次成像的情况下，不需要重复注射。

2004年，Smilowitz 等首先利用大小约1.9 nmＬ的金纳米簇进行了CT成像，注射金纳米簇后，CT下能够清晰地显示出直径小于100μm的血管。

同时，金纳米簇能够显著提高肿瘤的Ｘ线吸收，注射金纳米簇15 min后，肿瘤与肌肉的CT值之比为3.4，而24h后，比值为9.6。

尽管金纳米材料的尺寸、形状和表面性质不影响其X线质量吸收系数，但能够通过影响其细胞摄取量等性质来影响其CT成像效果。

Sun等的研究表明，与直径为20 nm、40 nm和60 nm的球形金纳米颗粒相比，直径为4 nm的金納米颗粒能够提供更强的X线衰减，这可能是由于体积更小的金纳米颗粒具有更高的比表面积和细胞摄取有关。

对于金纳米棒而言，纵横比越小，越容易为细胞摄取，而产生更好的CT増强作用。

有研巧表明，在金纳米星表面修饰带有氨基官能团的PEG，或偶联低PH插入肽（pH(low)insertion peptides, pHLIPs）能够显著増加细胞对金纳米星的摄取，达到优异的CT增强效果。

此外，偶联RGD多化的金纳米星，还可实现整合素αvβ3过表达肿瘤的祀向性CT成像。

然而，由于CT成像的灵敏度较低，需要使用较高剂量的金纳米材料才能够达到满意的成像效果，因此，将金纳米材料与其他具有成像功能的材料或化合物相结合，实现多模态成像，逐渐成为目前的研究焦点，这些多模态成像将在下面的章节中进行更为详细的讨论。

图3.3.4 相比于碘类对比试剂(eXIA 160)，肝素修饰的金纳米颗粒(HEPA-AuNPs)对肝脏具有更好的CT成像效果在传统的CT成像中经常会用到碘类对比试剂。

然而，碘类对比试剂在临床使用中表现出很多缺点，例如对X射线的吸收系数较低，在肝脏中摄入量低，经肾脏排除的速度快。

相比于碘类对比试剂，金纳米颗粒具有较高的X射线吸收系数，而且通过适当的表面修饰，金纳米颗粒在血液中可以维持较长的寿命。

因此金纳米颗粒可以用于肿瘤CT成像。

Sun等人发现，与碘类对比试剂相比，表面修饰肝素的金纳米颗粒对肝脏部位的CT成像更好(图3.3.4)。

Popovtzer等人在金纳米颗粒表面修饰上靶向头颈癌的抗体，在细胞水平上证明了这种金纳米颗粒具有较强的X射线吸收能力，是一种潜在的头颈癌x射线成像的对比试剂。

除了单纯发挥CT成像功能外，金纳米颗粒还可以搭载具有治疗功能的分子，发挥治疗功能。

例如，搭载阿霉素和靶向分子的金纳米颗粒可以靶向前列腺癌，兼具成像和治疗功能。

1.4 正电子发射型计算机断层成像正电子发射型计算机断层成像（positron emission tomography, PET）也是一种临床常用的成像方法。

向生物体注射正电子放射性核素标记的化合物后，利用探测器在体外测量放射性核素的空间分布和时间特性，经计算机分析后得到三维图像。

由于PET成像比CT、MR等成像方式具有更高的灵敏度，且能够显示放射性核素的时间分布特性，因此它在分子影像的应用更为广泛，尤其是分子水平上的细胞功能和生物过程可视化，甚至能够在疾病造成形态学改变之前进行早期诊断和发现亚临床病变。

目前，PET已是用于评价金纳米材料和一些其他药物的生物分布及药代动力学的标准工具。

普通的金纳米材料并不具有放射性，因此，用于PET成像的金纳米材料需要引入放射性官能团。

经典的方法是将放射性核素以螯合或共价键的方法连接到金纳米材料表面。

常用的螯合剂包括1,4,7,10-四氮杂环十二烷-1,4,7,10-四羧酸（1,4,7,10-Tetraazacyclododecane-1,4,7,10-tetraacetic acid, DOTA），三乙烯四胺（triethylenetetramine, TETA）和1,4,7-三氮杂环壬三乙酸（1,4,7-triazacyclononanetriacetic acid, NOTA）等。

例如，将放射性核素64Cu与NOTA 整合后共价偶联到金纳米棒表面，能够进行肿瘤的PET成像，并追踪金纳米棒的体内分布。

然而，通过螯合连接放射性核素的方法存在许多问题。

一方面，放射性螯合物的附着会影响金纳米材料的表面性质，并与其他修饰、靶向或治疗性分子竞争材料表面的结合位点。

另一方面，在体内高蛋白浓度的环境中，放射性核素易与螯合剂解离而脱落，使得放射性信号的分布于金纳米材料的分布产生差异，并可能引起毒性反应。

为了避免这些问题，研究者开始尝试将放射性核素直接整合到金纳米材料中。

Andresen等在利用＂种子生长法＂合成金纳米颗粒的过程中，向金种子溶液中同时加入四氯金酸（HAuCl4）和放射性氯化铜（［64Cu］CuCl2），得到了嵌有64Cu的金纳米颗粒（64Cu-Au nanoparticles, 64Cu-AuNPs）。

与单纯吸附了64Cu的金纳米颗粒相比，64Cu-AuNPs的稳定性显著提高，在乙二胺四乙酸（ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA）溶液中孵育2天后仅有5%的64Cu解离，而在50%血清溶液中脾育2天后无64Cu解离。

同时，这种将64Cu嵌入金纳米颗粒的方法并不影响材料进行进一步的表面修饰，包裹SH-PEG5000后，64Cu-AuNPs在小鼠体内表现出良好的稳定性和较长的血液循环时间（半衰期约9小时），并能够在小鼠的皮下种植瘤中富集（3.9% ID g-1 ,ID g-1指每克组织中放射性核素的含量占总、注射量的百分数），从而达到优秀的PET 成像效果。