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分子影像纳米探针在动脉粥样硬化的应用进展

2022-03-04 215 上传者：管理员

摘要：心血管疾病是造成全球疾病负担的主要因素之一,动脉粥样硬化（As）是冠状动脉粥样硬化性心脏病的病理生理学基础,可以长期隐匿存在,直到斑块破裂和血栓形成,进而可导致急性冠状动脉综合征和猝死。如何有效利用影像方法监测As发生发展已成为迫在眉睫的问题。近年来,分子影像技术和纳米医学在As疾病早期诊断中的应用已成为一大热点。本文对纳米医学和分子影像技术在As疾病中的诊断应用进展进行综述。

关键词：
分子影响
动脉粥样硬化
早期诊断
纳米医学
纳米探针
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动脉粥样硬化(As)是一种以动脉慢性炎症为特征的疾病，主要原因是脂质代谢和炎症反应紊乱，动脉壁中脂质的积累和炎症活动可导致动脉硬化和动脉壁增厚[1],产生的斑块可导致进行性管腔狭窄，从而出现缺血和稳定型心绞痛的症状，或者突然破裂导致血栓形成、血管闭塞和心肌梗死，As出现临床症状通常在较晚的病程。虽然心血管疾病的影像检测手段发展日益成熟，但是常规的影像手段不能提供与疾病早期发生发展及其并发症相关的潜在病理生理过程的信息。分子影像及纳米医学技术的迅猛发展正好能弥补这一短板，该成像方法能在分子和细胞水平对动脉粥样硬化斑块进行活体定性和定量研究，检测出坏死核心、炎症、斑块内出血、纤维帽厚度和微钙化等，实现As的早期检测和监控疾病的发生发展[2]。纳米造影剂在形状、大小和组成方面具有可调节性，不仅如此，还可以连接相关的生物共轭物。纳米医学的不断发展引起了学者们的研究热潮，致力于研究As早期诊断以及诊疗一体化的纳米分子探针，这些探针有望成为As的早期诊断技术。

1、纳米探针结合磁共振成像在As诊断中的应用进展

磁共振成像(agneticresonanceimaging,MRI)是一种非侵入性成像技术，通过高空间分辨率和出色的软组织对比度评估As斑块病变程度。纳米探针将MRI的诊断优点、斑块成分信息以及血管参数结合，可用于易损斑块的诊断和斑块稳定性的评估。目前可作为As分子影像诊断的MRI纳米探针有以下几种(表1)。

1.1 靶向内皮细胞As标记物的MRI纳米探针

钆配合物(Gdchelates)是目前临床上最常用的T1造影剂，然而钆配合物在代谢过程中所释放的游离钆离子存在肾毒性，会导致组织纤维化[3]3]和脑部沉积[4]4]的风险。血管细胞黏附分子-1(VCAM-1)能够诱导活化的炎症细胞向内皮细胞募集，被认为是As最常见的生物学标记物。有学者发现设计靶向VCAM-1的植物烟草花叶病毒纳米颗粒可以降低钆配合物的使用量，避免造影剂带来的肾毒性风险[5]5]。另外，P-选择素被证实是介导白细胞和内皮细胞黏附的重要蛋白，靶向P-选择素的纳米颗粒有利于MRI造影剂在内皮细胞聚集，增强斑块显像[6]6]。

1.2 靶向巨噬细胞As标记物的MRI纳米探针

巨噬细胞是As发生发展过程中最主要的免疫细胞，因其在斑块中富集，容易摄入纳米颗粒，成为纳米探针最常见的靶细胞。清道夫受体AI(SR-AI)是促进巨噬细胞向促炎表型转化，并导致易损斑块最终破裂的关键因子。有学者发现将SR-AI的高效配体PPI与金纳米簇修饰后装载成特定的纳米探针，该探针不仅具有良好的生物安全性，而且能够显著增加As小鼠动脉粥样斑块成像[7,8]7-8]。

CC趋化因子受体2(C-Cmotifchemokinereceptor2,CCR2)在促炎型巨噬细胞和As斑块中高表达，其可以促进外周血单核细胞迁移成为巨噬细胞并触发炎症反应，有研究团队组装了能够靶向结合CCR2并拮抗其生理作用的肽偶联纳米颗粒，从而抑制原代单核细胞的趋化性迁移和发挥抗炎效应，实现As斑块的靶向成像乃至治疗作用[9]9]。

1.3 靶向As炎性斑块非细胞部分的MRI纳米探针

纤连蛋白的额外结构域B(FN-EDB)具有靶向进展中斑块的能力，是评估As进展的新型分子标记物，将以FN-EDB为靶标的纳米颗粒用于斑块成像，可延长造影剂的血液循环时间，并增加了其在斑块中的积累[10]10],该团队基于靶向FN-EDB设计的纳米探针有望用于As的MRI诊断。

血小板是介导血栓形成的重要介质，把血小板膜包裹在合成的纳米颗粒核上来制备仿生纳米颗粒[11]11],该纳米颗粒的产物能够与活化的内皮细胞、泡沫细胞和胶原蛋白相互作用，以达到促进斑块成像的目的。除了直接包被血小板膜以外，纳米颗粒可以包装TEG4,一种活化斑块内血小板的标记物，该纳米颗粒注射到As小鼠体内能够靶向获得斑块的血小板以促进斑块成像[12]12]。

1.4 靶向血管平滑肌细胞As标记物的MRI纳米探针

超顺磁性氧化铁(SPIONs)是典型的T2负增强造影剂，具有良好的生物相容性、超顺磁性。SPIONs可进入人体内，主要被肝、脾及单核巨噬细胞系统吞噬[13]13],这表明其主要在有炎症反应的地方积聚，例如人As斑块和血栓[14]14]。基于SPIONs可进行表面修饰的功能特性，有研究表明硫酸葡聚糖修饰SPIONs可以靶向巨噬细胞清道夫受体，从而利于As小鼠的斑块成像[15,16]15-16]。髓性过氧化物酶可作为区分易损As斑块与稳定斑块的有效标记物，将SPIONs和MPO的纳米结合物注射射到As小鼠体内，可检测易损As斑块和监测髓性过氧化物酶活性[17]17]。组织因子(TF)是影响As斑块发展和血栓形成的关键因素，SPIONs经过表皮生长因子结构域修饰后，可用于TF阳性的动脉粥样斑块的分子成像，以此判断是否有血栓形成及斑块进展情况[18]18]。抗体profilin-1可特异性靶向As斑块中的血管平滑肌细胞(VSMCs),有助于斑块的成像[19]19]。这些证据都表明，SPIONs是As分子影像诊断技术的有效纳米载体。

2、纳米探针结合PET在As诊断中的应用进展

正电子发射断层扫描(PET)成像具有优越的灵敏度、可定量、功能检测及无创等特点，被广泛用于心血管疾病的研究。纳米颗粒为As的PET分子成像提供了独特的优势，例如血液停留时间延长、灵敏度和特异度提高等。目前可作为As分子影像诊断的PET纳米探针有以下几种(表1)。

2.1 靶向内皮细胞As标记物的PET纳米探针

血管生成是斑块形成过程中的重要病理过程，可导致斑块出血和斑块易损性。GEBP11肽已被证实对监测内皮细胞的新血管形成具有重要价值。有研究发现，将GEBP11肽偶联到Fe3O4磁性纳米粒子上，并用68Ga进行放射性标记之后，可以检测As斑块内的血管形成，提示斑块有出血风险[20]20]。

2.2 靶向NPR-C的PET纳米探针

利钠肽清除受体-C(NPR-C)可与C型利钠肽结合介导其降解，导致心血管功能的恶化，因此NPR-C被认为是As诊断的生物靶点[21,22]21-22]。通过将C型心房利钠肽与纳米材料缀合在一起行成梳状纳米颗粒，该梳状颗粒可以特异性靶向NPR-C,同时在血液中具有良好的稳定性，通过As动物模型和离体人类CEA标本对复杂的动脉粥样斑块进行成像[23]23],证实该梳状纳米探针可用于晚期As斑块成像。

2.3 靶向趋化因子受体的PET纳米探针

趋化因子是一组小的肝素结合蛋白，通过相应的趋化因子受体引导循环白细胞运动至炎症或损伤部位，因此与斑块的形成、进展、稳定和破裂有着密切的关系。vMIP-II做为趋化因子受体的拮抗剂，包装vMIP-II的梳状纳米颗粒通过减低肾排泄率延长了血液停留时间，因而能够更加准确地评估斑块的进展[24]24]。

3、纳米探针结合CT在As诊断中的应用进展

CT被认为是临床上对冠状动脉狭窄进行分级和确定斑块钙化最可靠、最准确的方法。尽管如此，学者们致力于通过独特的纳米方法来提高CT分子成像的特异度和对比度。迄今为止，已经开发了多种纳米颗粒造影剂，包括碘化纳米颗粒和金属基纳米颗粒(表1),如铋、镱和金[25]25]。Hyafil等[26]26]开发了碘化聚合物纳米颗粒用于冠状动脉粥样斑块巨噬细胞的CT成像。而金属基纳米颗粒中，金纳米粒子在As诊断上获得了巨大关注，主要是因为金纳米颗粒靶向造影剂稳定、毒性低，并能显著衰减X射线光子[27,28]27-28]。基于金纳米颗粒的特点，有研究团队制备了高密度脂蛋白金纳米颗粒(Au-HDL),即特定的巨噬细胞靶向造影剂，可示踪As小鼠动脉巨噬细胞，并同时对斑块进行成像[29]29]。

4、纳米探针结合超声在As诊断中的应用进展

研究As进展机制的分子影像学方法有CT、PET和MRI。CT和PET存在一定辐射，每年检查的次数有限，而MRI和PET收费高，不易于普及。超声成像是一种常用的临床成像技术，可快速测量动脉斑块的大小、内膜中层厚度，甚至是斑块表面的溃疡和出血。超声纳米、微泡造影剂可提高脉管系统的穿透力，可快速高效定位动脉斑块，大大提高了超声作为As影像学诊断的潜力。目前，可作为As分子影像诊断的超声纳米探针有以下几种(表1)。

4.1 靶向内皮细胞As联合标记物的超声纳米探针

纳米分子探针可与内皮细胞不同As生物标志物或者治疗药物结合，发挥As诊断乃至治疗作用。同时将人P-选择素、VCAM-1、LOX-1、血管性血友病因子及具有亲和力的小肽配体结合到脂质稳定的纳米微泡表面，用以靶向炎症细胞和血小板的内皮细胞黏附分子，对晚期As斑块的超声成像有积极意义[30]30]。不仅如此，纳米探针可以将分子影像与血栓治疗一体化，通过将溶栓药物、微泡及纳米颗粒组装成纳米微泡后可用于溶栓治疗，以避免血栓介导的急性心血管事件的发生[31]31]。

4.2 靶向VSMCs的超声纳米探针

VSMCs表型转化在As斑块进展中起着至关重要的作用。骨桥蛋白的精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸序列可与CD44相互作用，是VSMCs表型转化的生物标记之一。泡沫细胞高表达骨桥蛋白，检测斑块骨桥蛋白的表达可以成为斑块稳定性评估的理想手段。基于此，有研究团队构造了一种双模态成像探针，即靶向骨桥蛋白的纳米颗粒[32]32],其可用于对易损As斑块进行直接和非侵入性的体内可视化成像。

4.3 靶向炎性标记物的超声纳米颗粒

斑块内持续炎症与斑块的不稳定和破裂有关，因此检测斑块是否存在进行性炎症反应，有助于As早期诊断和风险评估。CD36通过摄取氧化型低密度脂蛋白(ox-LDL)和触发动脉炎症反应的信号级联参与As的形成，因此，CD36可作为研究As进展的有效标志物[33]33]。半导体聚合物纳米颗粒具有理想尺寸、高消光系数、优异的光稳定性和生物相容性等优点，与传统的激发波段相比，半导体聚合物纳米颗粒能够提供更深的组织穿透力和更高的信噪比。由于其减少了光散射和背景，有科研团队开发了一种抗CD36修饰的半导体聚合物纳米颗粒，在注射As纳米颗粒24h后，斑块成像的效果明显增强[33,34]33-34]。

4.4 IVUS与纳米技术结合助力As斑块的诊断

血管内超声(IVUS)是无创性超声技术和有创性导管技术相结合，使用末端连接有超声探针的特殊导管进行的医学成像技术，可以准确并定量对斑块成分进行分析，对于诊断易损斑块的价值较大。近年来，许多学者发现纳米技术与IVUS的结合对于As斑块精准检测存在巨大的潜力[35,36]35-36],有研究团队通过血管内超声技术结合近红外二区分子探针及白蛋白组装纳米探针用于As易损斑块的诊疗中，最终提高As超声分子成像的诊断效果[37]37]。

综上所述，纳米探针与分子影像技术的结合为As诊断带来了新的曙光，能够在分子和细胞水平上对斑块发生发展进行定性和定量研究，是对传统影像学新的补充和发展。理想的分子探针在分子影像学是重中之重，其需具备低毒性、良好稳定性以及在面对体内血液流动产生的剪切力时，仍然能保持不脱靶，做到持续寻靶。在未来进一步的临床转化上，还需更多安全性研究和实用性研究。

参考文献:

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文章来源：周佳,曹省,郭瑞强.分子影像纳米探针在动脉粥样硬化的应用进展[J].中南医学科学杂志,2022,50(02):293-296+305.