基于纳米材料的肿瘤成像
1 近红外荧光成像
近红外（NIR）荧光成像是一种新兴的生物医学成像模式，它具有实时图像采集、高灵敏度、无毒性和荧光造影剂多等优点，可用于基础科学研究和临床实践。近红外荧光成像波长范围为700-1700 nm，由于该波段具有散射率小、光吸收弱和自发荧光低，并且NIR光可以穿透几厘米的异质活体组织。
迄今为止，研究人员已经开发很多近红外荧光染料。例如吲哚菁绿（ICG）是一种常用近红外荧光染料，它已被用于肝脏代谢监测和视网膜上血管检测。ICG与白蛋白结合后成为优秀的血管造影剂，并且ICG可以在760和785 nm之间激发，在820和840 nm之间进行荧光成像，使ICG结合白蛋白的纳米制剂能够非侵入性评估血液和淋巴系统的功能。磷酸钙（CP）被FDA认为是安全的，它一直广泛用于合成磷酸钙纳米颗粒（CPNPs）。CPNPs不仅是一种新型非病毒类的基因有效传递系统，而且是一类常用于掺杂荧光染料的无机纳米材料。目前大量研究显示CPNPs在细胞和动物成像应用潜力非常大。Altino?lu等人合成具有羧酸酯官能团的ICG掺杂的CPNPs，再用甲氧基聚乙烯进一步改性该纳米颗粒。结果显示在尾静脉注射材料后，聚乙二醇化ICG掺杂的CPNPs在24 h时小鼠乳腺腺癌处大量积累，这主要原因是ICG掺杂CPNPs的EPR效应，而游离ICG具有快速从身体清除。离体组织成像进一步证明ICG掺杂的CPNPs的荧光能穿透超过3 cm厚度猪肌肉组织，而游离状态的ICG荧光强度较弱，它仅穿透2 cm厚度猪肌肉组织。这些结果表明ICG掺杂的CPNPs有希望诊断早期的实体肿瘤。
量子点（QD）是半导体晶体，它表现出狭窄和可调发射带以及宽激发光谱和高摩尔消光系数，它们具有荧光量子产率高、斯托克斯位移大和抗光漂白强等优点。因此，QD已被广泛应用于生物学研究，如免疫测定、DNA分析、荧光成像。使用QD作为生物分子的荧光标签用于生物组织染色和疾病诊断。由于可见光谱区域中QDs受到自发荧光和组织吸收等因素影响，它在活体荧光成像应用受到限制。因此，开发近红外区域（700-1700 nm）发射的QDs越来越受到重视。Zheng等人将近红外荧光探针掺入低密度脂蛋白（LDL）中，使用1,1'-二十八烷基-3,3,3',3'-四甲基萘基-氰基酞菁碘化物（DiR）制备用近红外荧光染料标记的LDL纳米材料。在过表达脂蛋白受体的人肝母细胞瘤G2（HepG2）肿瘤模型证实该近红外荧光探针在肿瘤处选择性积累，并且可以高灵敏度检测早期肿瘤的存在。
开发癌症成像的近红外荧光纳米探针是令人兴奋的研究领域之一，它可以为人类早期诊断癌症提供的机会，目前，在临床应用中推进基于纳米颗粒的近红外荧光成像探针仍然存在
许多障碍如纳米颗粒的毒副作用、荧光不稳定性。总体而言，这个充满活力且相对较新的新兴领域存在巨大的机遇和挑战。 2 磁共振成像
磁共振成像(MRI)是目前最强大的医学诊断工具之一，它具有三维立体图像成像和连续成像等特点。磁共振成像不仅是大脑和中枢神经系统成像的首选工具，而且是评估心脏病功能和检测肿瘤的主要工具。虽然MRI本身可以提供详细的图像，但是仅依靠MRI获得图像做出了疾病诊断不准确，因为正常组织和病变组织通常表现出差异很小。而MRI造影剂在磁共振成像过程可以提高正常组织和病变组织之间的差异。目前大多数MRI造影剂是顺磁性络合物如钆的螯合物，其中Gd-DTPA MRI造影剂是使用最广泛的，它应用于检测血脑屏障中破损血管分布、血流动力学和灌注的变化。超顺磁性氧化铁（SPIO）是一种新型的MRI造影剂，这也是第一个基于纳米颗粒的MRI造影剂，它自发展以来就受到了极大的关注，并且现在它仍然在临床上广泛使用。由纳米颗粒的尺寸和形状的特性使得纳米造影剂在生物体内有不同分布，这使纳米MRI造影剂超越传统造影剂一个重要因素。随着纳米技术的巨大进步，研究人员开发出多种新型的纳米MRI造影剂，进一步提高了MRI成像在正常与疾病组织的对比度。
一般情况下，基于纳米颗粒的MRI造影剂由三部分组成：（i）核心纳米粒子，它能产生 MRI信号；（ii）外壳，它赋予纳米颗粒的生物相容性；（iii）靶向配体，主要提高MRI纳米造影剂的肿瘤靶向性（如图2.2）。
图2.2 基于纳米颗粒的MRI造影剂结构
近年来，通过将各种不同功能的纳米材料合在一起开发了多功能纳米医学平台，使得多模态成像及诊疗一体化成为可能。Kim等人研发了由磁性材料（Fe3O4）和金（Au）材料组成哑铃状纳米颗粒用于MRI和荧光双模态成像。Xu等人报道了Fe3O4-Au具有双模式成像特性。
Fe3O4和Au组分具有不同的表面特性，它们分别被多巴胺和巯基改性。将表皮生长因子受体抗体连接在Fe3O4-Au表面上得到的异质结构纳米颗粒并且成功应用于肿瘤靶向MRI和荧光成像。Dai等人通过化学气相沉积合成FeCo/GC纳米颗粒，用磷脂-聚（乙二醇）（PL-PEG）分子将纳米颗粒功能化，使得 FeCo/GC 纳米颗粒在水溶液中变得良好分散并且稳定。FeCo/GC纳米颗粒具有T1对比效果比氧化铁更强。此外，单层石墨（GC）具有强的近红外光吸收，可用于肿瘤的光热治疗。 3 正电子发射断层扫描成像
正电子发射断层扫描(PET)成像是将生物生命代谢中必须物质如葡萄糖、蛋白质、核酸、脂肪酸标记上短寿命的放射性核素，通过已标记物质在代谢中的聚集反映生命代谢活动的情况，从而达到诊断的目的。PET成像具有检测灵敏度高（低至皮摩尔范围）、信号穿透深（特别是与光学成像技术相比）和特异性强等优点。PET成像可以对体内的代谢物质或药物变化进行定量的测定和动态的检测。因此，PET成像成为各种恶性肿瘤、冠心病和脑部疾病的诊断和指导治疗的最佳方法。氧化石墨烯（GO）是一类二维sp2键的碳片。因为GO具有良好热学、机械和光学性能，所以它在生物医学中引起了极大的关注。GO纳米颗粒具有表体面积之比大，因而它常被用于装载各种药物和基因的纳米载体。
Hong等人开发了66Ga标记的纳米石墨烯用于肿瘤血管成像，PEG化GO纳米载体上的氨基通过共价键与NOTA（1,4,7-三氮杂环壬烷-1,4,7-三乙酸，用于66Ga-标记）和TRC105抗体（它与CD105结合，而CD105是肿瘤血管生成的标志物）连接，以4T1荷瘤小鼠作为研究模型成像。实验结果显示66Ga-NOTA-GO-TRC105在4T1肿瘤中迅速积累。
碳纳米管（CNTs）是一种有序的空心纳米材料，它长度来从几百纳米到几微米。CNTs包括单壁碳纳米管（SWCNT）（其直径为0.4至2 nm）和多壁碳纳米管（MWCNT）(其直径为2至100 nm)。CNTs具有独特的物理和化学特性而在生物医学应用广泛，正电子发射放射性核素可以通过共轭或插入到CNTs实现PET成像。例如，McDevitt等人通过共价键方式连接水溶性CNTs和DOTA螯合物合成86Y-CNTs，其中正电子发射金属离子钇-86可以进行放射性标记。动物全身PET成像图像显示86Y-CNTs在3小时内主要分布于肾脏、肝脏、脾脏和小鼠骨头。虽然 CNTs在疾病诊断方面是很有前景的纳米材料，但是CNTs仍然被认为不可生物降解的。
虽然放射性元素标记的纳米材料在PET成像中显示出巨大的应用前景，但是仍然需要解决几个挑战才能将放射性标记的纳米材料转化为临床应用。其中一个主要挑战是开发真正的组织选择靶向性和没有被单核吞噬细胞系统吞噬的纳米材料。要解决此问题，可以将纳米材
料表面进行修饰。纳米材料表面涂有亲水性聚合物如PEG单元可以减少纳米粒子被单核吞噬细胞系统吞噬和延长血液循环时间。靶向纳米载体可以偶联抗体、肽或其他识别的靶向配体来增加目标的信噪比。此外，纳米材料的毒性和免疫原性也是需要解决的挑战之一，而合成新型生物可降解的纳米材料是解决这挑战的有效途径之一。 4 计算机断层扫描成像
计算机断层扫描（CT）是使用X射线、γ射线等设备来创建身体内部分区域的详细扫描图像。现在的CT成像机器以螺旋方式连续拍摄照片，而不像原始CT成像机器那样拍摄身体各个切片的一系列照片。与原始CT技术相比，现代化螺旋CT成像机器具有拍照速度快和更好地检测细小的异常组织。目前CT成像除了用于癌症诊断之外，它还广泛用于诊断血液循环系统疾病如动脉粥样硬化、血管动脉瘤、血栓、脊柱疾病、肾和膀胱结石、脓肿和炎症性等疾病。因此，CT成为人类疾病诊断的主要工具之一。在2013年，Ding等人报道了碘化油与聚乙二醇形成的脂质载体，将量子点包裹在纳米颗粒中。当纳米材料浓缩至240 mg I/mL 会产生强烈的CT对比度，通过CT成像显示在注射纳米材料两小时后动脉粥样硬化斑块中积累纳米颗粒。
De Vries等人开发了由三碘-苯烷基酯油形成尺寸约100 nm的纳米乳剂，它的CT对比度高达190 HU。在静脉给药后心脏和血管中立即可以被观察到纳米材料，但是在一周后血液中没有检测到纳米材料，这表明该纳米材料容易被排泄。因此，装载有碘化油的纳米乳剂有希望应用于临床上。Rabin是第一个报道铋纳米粒子作为CT造影剂的人，他通过柠檬酸铋制备硫化铋纳米粒子，该纳米颗粒进一步用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）涂覆，改性后的纳米颗粒对巨噬细胞或者细胞没有毒性。在皮内注射该纳米材料进入淋巴结，通过CT成像可以检测到淋巴结，这结果表明CT具有淋巴结成像的潜力。
在过去十年中纳米 CT造影剂的合成取得了巨大进步，已开发了金、铋和钽等新元素的CT造影，现在临床上已经使用CT成像进行特异性诊断疾病。尽管CT应用前景很乐观，但是仍有许多问题需要解决，如开发廉价、高对比度的纳米CT造影剂以及设计大规模合成纳米CT造影剂工艺。 5 光声成像
光声成像（PAI）也称为光学或热声成像，它是一种结合激光分子激发的光谱选择性和高分辨率超声成像的非侵入性成像模式。目前，PAI技术主要的研究方向是光声层析成像（PAT）和光声显微镜（PAM）。PAT利用超声探测器阵列或者单扫描探测器（模拟阵列）和逆算法重建形成横截面的三维图像；PAM通常结合扫描聚焦超声波探测器与共聚焦显微镜的
技术。 有研究人员直接利用生物组织中的物质特殊性质如血红蛋白强光吸收进行光声成像。
目前基于血红蛋白的光声成像已经成为一种强有力的血管成像工具。Wang等人首先用 PEG涂覆的纳米金壳来增强PAI信号实现大鼠脑成像。具有10至12 nm厚度的金纳米壳在 800 nm有光吸收峰值，用一个具有800 nm发射和10 Hz脉冲重复率激光器作为激发源和通过尾静脉三次连续注射金纳米壳材料，大鼠血液的光声信号增强了63％。近年来，共轭聚合物（CP）已经成为一类用于PAI成像新型有机染料。科研人员最初的研究主要集中在聚吡咯（PPy）上，PPy具有强烈近红外光吸收特性，它是一个很好的光声造影剂材料。在2013年，Zha和其同事报道了PPy纳米颗粒用于小鼠脑血管光声成像。 用PVA作为稳定剂和FeCl3作为氧化催化剂，通过水相合成PPy纳米颗粒，再用PVA分子修饰PPy纳米颗粒，它具有体积小（其水合直径为46 nm）、在水中分散良好和在700-900 nm区域光吸收强等优点。在用808 nm脉冲激光器照射时，PA信号随着纳米颗粒浓度增加而线性增加。通过静脉注射PPy纳米颗粒后，在小鼠脑血管系统进行光声成像能清晰看到脑血管。在材料注射后1小时到24 h内，PA信号基本保持不变，这结果表明PPy纳米颗粒在血液中具有长循环能力。此外，在材料注射后第15天观察到PPy纳米颗粒对小鼠主要器官没有造成明显损伤，这结果表明PPy纳米颗粒具有良好的生物相容性。
PAI成像技术继承了一些声学和光热学的限制，如人类头骨会产生强烈的超声波相差，这会阻碍PAI应用于人脑成像。还有PAI中的声耦合通常需要接触测量。虽然光可以穿透软组织几个厘米，但是光的强散射会衰减PA信号，可能对深埋组织中的小肿瘤难以成像。总之，PAI仍处于起步阶段，迄今为止还没有进行大型的临床试验。尽管很多研究成果显示 PAI在生物医学领域应用的可能性，但是我们还要继续努力开发和发展PAI技术。 6 超声成像
目前，超声成像广泛应用于生物医药领域。超声波实际上是声波，其频率超过20 KHz（人耳的上限）,一般用于医学成像的频率在1-10 MHz范围内，这些声波携带机械能以声速传播，通常在软组织中声速约为1500 m/s。超声成像需要经过三步：第一步、超声器对着病人身体发出超声脉冲；第二步、这些超声波与组织相互作用后再通过反射或散射而产生回波；第三步、收集反向散射回波信号而实现超声成像。超声成像具有穿透组织深、实时成像、低成本和高安全性等优良特性。
脂质和表面活性剂是制备超声造影剂微泡的好材料，它们是两亲性物质，它们在水性介质中自组装成单层壳形成充气的微泡。聚合物微胶囊通常由聚乳酸（PLA）组成，它具有生物相容性好、机械强度好和稳定性好等优点。它可以加载亲水或疏水物质或两者兼有的双乳
1.10 基于纳米材料的肿瘤成像
