癌症是导致人类因病死亡的重要原因。据世界卫生组织在2019年的估计，在183个国家中的112个国家，癌症是致人70岁之前死亡的第一或第二主要原因，另外23个国家排名第三或第四[1]。癌症诊断的临床标准是病理诊断，通常需要活检或手术来获得病理组织，但这是一个侵入性的过程，可能会引发多种并发症，如过度出血、组织损伤和感染等[2,3]。而且对于恶性肿瘤的患者，由于肿瘤局部浸润和远处转移的特点，活检有导致肿瘤沿针道播种和转移的风险[4],据Rothermel等[5]报道，胰腺癌患者经活检后肿瘤有1.4%的概率沿针道播种。因此组织采样的准确性对于癌症检测尤为重要。

多种成像技术在癌症检测方面发挥了巨大的作用，如核磁共振成像(MRI)、光学成像(OI)、正电子发射断层扫描(PET)、电子计算机断层扫描(CT)以及超声成像(US)等。这些成像技术在灵敏度、空间分辨率、组织穿透力等方面各有其优缺点，将这些成像技术联合使用，使其优势互补，可以提高检测结果的准确性。

MRI-OI双模态成像是将这两种技术联用，利用其优势互补的特点，对两种技术所得图像的所获得信息进行相互补充，最终达到功能学成像与结构组织成像的完美结合。MRI-OI双模态成像技术引起人们关注的原因如下：(1)这两种技术具有互补的成像特性：MRI具有卓越的分辨率和组织穿透力，有能力对全身软组织进行结构成像，但其灵敏度较差[6,7,8];OI由于光学透明度不足而表现出较差的组织穿透力，但它的灵敏度较高，可以弥补MRI在细胞水平上的低灵敏度问题[9,10]。(2)MRI和OI都是无辐射和无创的，没有安全问题。MRI与OI的结合有助于在生物结构和功能方面提供更全面的成像信息，从而提高癌症检测的精确度[11,12]。

探针是将复杂病理生理进程可视化的关键。用于肿瘤检测的MRI-OI双模态探针一般由两个部分组成，包括探针的靶向部分以及可以产生光学信号、核磁共振信号的成像部分，MRI-OI双模态探针是将MRI技术和OI技术联用的基础。

目前在MRI-OI双模态探针的合成中，OI部分通常使用荧光染料[13]、磷光过渡金属配合物[14]、发光镧系元素配合物[15]、量子点(QDs)[16]或其他发光纳米粒子[17];MRI部分通常使用降低横向弛豫(T2)信号的超顺磁性氧化铁颗粒(SPIO-NPs)、增强纵向弛豫(T1)信号的Gd3+螯合物或锰氧化物纳米颗粒(MONs)。如今尚未有MRI-OI双模态被批准用于临床诊断，阻碍其在临床上使用的主要原因在于合成探针所用材料在体内的潜在毒性、降解过程以及探针在体内的清除问题还未解决，这需要研究人员对所合成的探针进行更细致的研究。结合近年来MRI-OI双模态探针合成的报道，本文以MRI部分常用的三种金属为分类，重点对探针合成使用的材料进行综述，对于某些优秀的探针在一定程度上关注了探针的其他能力，比如靶向性、成像能力等，可为以后双模态探针的合成提供一定的参考。

1、超顺磁性氧化铁纳米颗粒

超顺磁性氧化铁纳米颗粒(SPIO-NPs)是近年来在国内外医学基础研究和临床中广泛应用的纳米材料，可以在非常低的浓度下有效减少水分子的横向弛豫时间，提高图像对比度和探针灵敏度，具有低的细胞毒性和出色的生物相容性，是一种较好的T2-MRI造影材料[18]。SPIO-NPs与光学成像基团相结合的方式在T2-MRI双模态探针的合成中被广泛应用。

1.1金属荧光材料与SPIO-NPs结合

QDs是一种半导体纳米晶体，直径通常为1～10 nm,具有特殊的核壳结构，QDs比传统有机染料有更吸引人的优点，如窄的发射光谱、良好的抗光漂白能力、较好的化学稳定性，这在敏感的光学影像诊断中起着重要作用[19,20,21]。因此，可以将QDs与SPIO-NPs结合用于核磁共振-荧光双模态成像以提高诊断效率。Luo等[22]首先通过共价修饰将具有高荧光强度的QDs与RGD肽结合，使用阳离子多糖对SPIO-NPs进行封盖以提高稳定性，然后通过静电结合的方式将两者进行整合，合成出QMNP-RGD探针。QMNP-RGD在体外实验中显示，93%的探针都可以结合于肿瘤细胞，表明其良好的靶向能力。但他们并没有对QMNP-RGD探针进行体内实验，无法确定其在体内的成像效果及安全性。由于某些QDs的成分(例如镉)具有毒性，在最近几年已经提出了几种不含镉或铅的QDs,例如AgInS2/ZnS或者CuInS2/ZnS等[23,24]。Dmitry等[25]采用核壳结构将SPIO-NPs与ZAIS/ZnS QD结合，通过叶酸(FA)与聚乙烯亚胺(PEI)的结合物对最外层的二氧化硅(SiO2)进行功能化来实现靶向能力，最终合成出探针MOHNPs(图1)。通过体内外实验证明了探针MOHNPs用于双模态成像的潜力。他们工作中的一个优点是探针的合成方式具有普适性，可以通过对不同结构和尺寸QDs的组装，来调整所得双模态探针的光发射波长，这对研制更符合观察的探针具有重要意义。

相对于发光QDs和有机荧光材料，发光镧系元素配合物具有独特的优点：较大的斯托克斯位移、没有再吸收效应、光谱分辨能力更强、发光寿命更长以及光稳定性更好等[26]。Song等[27]将Eu3+螯合物与SPIO-NPs集合在SiO2系统中，并利用FA分子对SiO2的表面进行功能化，进而合成探针Fe-Eu@SiO2-FA。制备的探针对于叶酸受体过表达的癌症都有较好的靶向效应。所制备的纳米探针具有强的长寿命发光和优异的磁性，以及优异的稳定性、生物相容性和在水中的分散性。该研究成果将有助于开发一种新MRI-OI双模成像纳米探针，用于追踪和精确检测癌细胞。

1.2非金属荧光材料与SPIO-NPs结合

非金属荧光材料的MRI-OI双模态探针的光学成像部分常使用有机小分子荧光团来制备，这类荧光团具有细胞毒性低、生物相容性好、自身荧光背景干扰小等特点，在肿瘤诊断中被广泛应用[28]。Yang等[29]通过将四苯乙烯(TPE)与SPIO NPs封装在聚合物胶束结构中，合成出探针Alkyl-PEI-LAC-TPE/SPIO,在体外利用人宫颈癌(Hela)细胞证明其作为双模态探针的潜力。含BODIPY类荧光染料具有光谱峰宽比较窄，光稳定性好等优点，而且BODIPY类分子的荧光量子产率非常高，一般能达到0.6。Harris等[30]基于SPIO NPs以及BODIPY类荧光染料的特性，合成了NP-BDP1与NP-BDP3两种探针。NP-BDP3增加了SPIO-NPs与荧光染料结构之间的共轭长度来调节光学部分的发射波长。合成的探针具有良好的光学和弛豫特性，表明它们具有作为MRI-OI双模态探针的潜力。NP-BDP1与NP-BDP3都显示出强烈的双光子荧光，这可以为其光学成像提供更高的穿透深度，而且双光子荧光对组织的损伤更小，更适合在生物体中进行使用。

表1基于SPIO-NPs的MRI-OI双模态探针的材料及其体内外实验模型 

2、钆类螯合物

Gd3+在4f轨道上有7个未成对电子，在外加磁场下产生的磁矩很大，依据这个特性Gd3+螯合物在MRI-OI双模态探针中作为探针MRI部分的方式尤为常见，顺磁性Gd3+可以通过增加周围水质子的纵向弛豫速率来实现T1-MRI的增强[31,32]。在临床上已经批准许多Gd3+螯合物用于MRI,例如Gd-DOTA、Gd-DTPA等，双模态探针的合成中也常会使用这些螯合物。

2.1金属荧光材料与Gd3+螯合物结合

QDs在与Gd3+螯合物结合后，通常可以观察到Gd3+螯合物弛豫率的增强，这归因于所合成纳米探针旋转时间的影响。并且许多研究小组提出QDs表面可以附着大量Gd3+螯合物进一步使纳米探针的弛豫率显著增强[33,34,35]。Ma等[36]通过将Ag2Se QDs与Gd-DOTA共轭在一起合成出探针Ag2Se-Gd QDs,经后续实验证明，探针Ag2Se-Gd QDs的每个Gd3+在3.0T时的纵向弛豫率(r1)为2.98mmol-1·s-1。体外细胞和小鼠体内研究证实了该系统的稳定性和低细胞毒性。但该团队并没有讨论共轭结构对于QDs光学强度的影响。Pereira等[37]基于CdTe QDs和Gd-DOTA螯合物开发了用于MRI和OI成像的双模态探针Gd(III)-DOTA-NHS(图2)。他们发现与单独的QDs相比，共轭过程导致CdTe QDs发射光谱发生红移并且强度小幅降低；此外，探针中的每个Gd3+相对于单独的Gd-DOTA螯合物，r1至少高出5倍。两种探针都具有用于临床的潜力，但Pereira等没有对探针的成像效果及安全性进行小鼠体内检测，应用前景还需进一步检验后才能定论。

SiO2与发光镧系螯合物共价结合的发光纳米颗粒表现出极强的发光效果，而且具有发光寿命长、稳定性高和水中分散性良好与光稳定性好等优点。Song等[38]使用共价结合的方式制备了Tb@SiO2纳米复合物，在此基础上以SiO2为纳米粒子骨架结合Gd-DO3A,使用FA分子进行表面功能化，制备出双模态探针FA-Gd-Tb@SiO2。该探针的发光寿命相对于单独自由络合物提升了约两倍，并且抗光漂白能力也有了巨大提升；FA-Gd-Tb@SiO2的r1值远高于临床认可的MRI造影剂。通过小鼠模型的体内实验证明了该探针的低生物毒性和体内成像能力。在后续的工作中，Song等[39]使用共价结合的方式合成另一种用于MRI-OI的双模态探针Tf-Eu-Gd(图3),此探针采用转铁蛋白(Tf)靶向肿瘤细胞上过度表达的转铁蛋白受体(TfR1),通过细胞内吞作用滞留于肿瘤细胞。通过双峰TGL/MR成像证明了Tf-Eu-Gd在体外和体内对癌细胞进行特异性检测的可行性，小鼠模型的实验证明探针可以在肿瘤区域富集，相对于正常组织，在肿瘤区域可以明显观察到红色荧光。而且此探针同样具有良好的生物相容性以及稳定性。相对于FA-Gd-Tb@SiO2探针来说Tf-Eu-Gd更适合在体内的应用，因为FA-Gd-Tb@SiO2的光学激发范围仅限于紫外光区域，由于许多生物系统对紫外光辐射敏感，这限制了它们在生物中应用。

2.2非金属荧光材料与Gd3+螯合物结合

随着聚集诱导发射(AIE)效应的发现，已经报道了许多具有AIE效应的荧光分子，这些AIE分子在聚集状态下显示出强烈荧光发射效果，在医学成像领域获得了极大的关注。Xiao等[40]基于两亲性嵌段聚合物分别将Gd-DOTA与具有AIE效应的TPBP连接到该聚合物的亲水链段和疏水链段上合成了双模态探针Gd-DOTA-TPBP(图4)。实验显示Gd-DOTA-TPBP的给药浓度可以使其在体内自组装成胶束。疏水部位的TPBP对细胞的毒性就可以大大减弱，亲水部位的Gd-DOTA可以更好地与水结合。Zhang等[41]报道，当药物输送系统的流体动力学尺寸大于20nm时，它不会在循环过程中被肾脏迅速清除。Gd-DOTA-TPBP探针流体动力学大小在20nm左右，这保证它可以在体内进行较长时间的成像。该探针通过肿瘤细胞膜的高渗透性以及高渗透滞留(EPR)效应在肿瘤部位积累，导致肿瘤部位与正常组织或器官之间的信号差异，实现肿瘤的识别与诊断。在对此探针的检测实验中，证实了该探针具有良好的成像能力，TPBP作为双光子荧光团，具有更高的灵敏度。探针的两亲性嵌段聚合物结构充分发挥了其成像性能。该探针可以作为临床用肿瘤检测双模态探针中的重要候选者。

吲哚菁绿(ICG)是一种花菁类近红外(NIR)染料，发射波长在800nm左右，在生物成像的应用中稳定且与背景光信号有较高的对比率。Li等[42]开发了一种小分子探针iRGD-ICG-Lys-DTPA@Gd(iRGD-ILD),该探针将近红外I区荧光染料ICG与Gd-DTPA螯合物以及靶向基团iRGD肽缀合，使探针具有对鼠脑微血管内皮细胞(BCECs)和多形性胶质母细胞瘤(GBM)细胞的双重靶向能力，以此来穿过血脑屏障(BBB)的阻塞。这对于脑部脑瘤的检测有着重要意义，因为脑部的BBB会阻止超过98%的小分子进入大脑，导致在临床上对脑内肿瘤的特异性诊断和治疗尤为困难[43,44]。在临床上缺乏能够穿越BBB的造影剂，极大地限制了包括早期神经胶质瘤在内的颅内疾病的诊断，此探针的出现对这个问题提供了一种思路，但由于血脑屏障对人的重要性，该探针的安全性仍值得考究。

罗丹明(RhB)具有在水中的溶解性较好，有吸收、发射波长较长(一般>500nm)、光稳定较好、荧光量子产率高等优点，Gao等[45]通过一步法将RhB封装在Gd-金属有机骨架(Gd-MOFs)中合成出探针RhB@Gd-MOFs。极大地简化了探针的合成过程，所合成的探针在体外具有良好的成像效果，用裸鼠证明了探针的稳定性和生物相容性。但所得探针具有较大的粒径，限制了其在生物体中的应用。其一步法的合成策略有效地精简了探针的合成过程，可对以后的探针合成提供另一种思路。

3、锰氧化物纳米颗粒

基于锰的核磁共振探针可分为两大类：Mn2+复合材料和锰氧化物纳米颗粒(MONs)。但Mn2+复合物因其较短的血液循环时间以及剂量过高的Mn2+会引起神经系统异常等弊端，不是MRI探针的理想候选者[46,47,48]。近年来出现的MONs表现出可忽略的毒性和良好的T1-MRI成像效果，研究人员对其的关注度逐渐增加[49,50]。肿瘤微环境(TME)具有内部为酸性环境且相对封闭、过度产生H2O2、缺氧和谷胱甘肽(GSH)浓度较高的特点[51,52,53]。而MONs可以对TME做出反应，达到增强MRI效果，减轻肿瘤缺氧环境并加强肿瘤治疗效果的作用。Gd3+螯合物与肾源性系统性纤维化疾病的相关性被发现后，由MONs替代Gd3+螯合物制备双模态探针的研究逐渐兴起[54]。

表2基于Gd3+螯合物的MRI-OI双模态探针的材料及其体内外实验模型 

3.1金属荧光材料与锰氧化物纳米颗粒

钒酸钇(YVO4)是各种光学材料应用中研究最深入的主体材料之一，Nd3+在NIR区域具有一系列吸收带，可以作为NIR-II荧光成像的激活剂[55]。因此，Nd3+结合YVO4的纳米颗粒在成像应用中具有巨大潜力。Lv等[56]使用Nd3+结合YVO4作为NIR荧光成像部分，加上血卟啉单甲醚(HMME)以及靶向基团乳铁蛋白(LF),结合上可以在TME中催化H2O2产生O2以促进声动力疗法(SDT)的MnO2纳米颗粒，最终合成同时具有双模态成像和高效SDT的探针YVO4:Nd3+-HMME@MnO2-LF(YHM)(图5)。在之后的测量中，YHM探针显示出良好的成像能力和生物相容性，对于神经胶质瘤也有良好的治疗效果。该探针具有诊疗一体化的特点，这是探针的一个重要的发展方向，具有广阔的应用前景，对原位胶质瘤多模态成像和治疗，以及稀土离子掺杂钒酸钇发光纳米粒子的应用拓宽了道路。

3.2非金属荧光材料与锰氧化物纳米颗粒

Cy5.5是一种NIR荧光的花菁类染料，具有荧光标记效果理想、消光系数高等优点。Chen等[57]通过将MnO纳米颗粒与Cy5.5结合制备出双模态探针MnO-PEG-Cy5.5,体内外成像研究证明该探针较好的双模态成像效果和较好的生物相容性。该探针的一个缺点是荧光量子效率相对较低。相对于Cy5.5等花菁染料，香豆素类染料具有更高的荧光量子效率，其斯托克斯位移大、光稳定性好、对细胞的穿透能力强等优点。Hsu等[58]将香豆素545T(C545T)和MnO纳米颗粒封装到SiO2纳米壳中，获得pH响应荧光和MRI双模态探针MCNCs(图6)。在中性条件下，MnO纳米颗粒对C545T具有荧光猝灭作用，而在酸性环境下，MnO纳米颗粒溶解导致T1-MRI和荧光强度增加。此外，探针与FA的进一步耦合赋予了MCNCs靶向肿瘤细胞的能力，并延迟了荧光恢复，提高了探针激活后的背景信号比和灵敏度。MCNCs对于早期小体积的肿瘤可视化具有巨大的诊断潜力。

与金属量子点和发光镧系金属螯合物相比，碳量子点(CQDs)具有毒性低、稳定性好、合成步骤简单、生物相容性高、光电性能独特的特点而引起学者关注。Zhong等[59]采用CQDs以及MnO2纳米片合成探针TP-CQDs@MnO2,该探针可以检测TME中的内源性H2O2。纳米探针在不同浓度的H2O2中显示出不同的颜色和紫外信号变化，反应后产生的Mn2+会激活MR信号产生双模态成像效果。研究显示TP-CQDs@MnO2对肿瘤的酸性环境具有选择性，在正常细胞中没有明显响应。相对于单光子激发探针，双光子的CQDs可以减少了背景荧光的干扰，更便于观察，而且CQD的毒性较低，适合在生物体内进行使用，此探针具有良好的生物前景。

4、结语与展望

MRI-OI双模态探针通过靶向部分或ERP效应对体内肿瘤进行特异性标记，通过结合核磁、光学两种信号基团产生信号，来获得有对比性的核磁共振图像和光学图像，以达到对肿瘤进行精确检测的目的。目前，对于MRI-OI双模态探针的合成，不同的材料使探针具有不同的性能，可以根据不同的使用需求来选择合适的材料。如使用不同的MRI材料与QDs组合，由于其相互影响可使探针MRI成像效果更好或使QDs的发光区域更适用于观察；使用小分子的荧光染料可以精确构建探针结构，这些结构甚至可以根据不同的需求来进行改变。如今MRI-OI双模态探针发展的难点在于所合成大部分探针具有一定的局限性，而且许多报道并没有检测探针在哺乳动物中的稳定性及生物毒性，更不用说检测探针在体内的转移和清除情况。

双模态探针作为目前研究的热点，按照目前的趋势来看，双模态探针主要会朝着两个方向发展，一个方向为成像能力更好、灵敏度更高、靶向性更好、生物毒性更低、分子量更小的优化方向，另一个方向就是前文所提及的诊疗一体化方向发展，该方向对于临床上无法通过手术摘除的肿瘤具有重要的意义。随着MRI-OI双模态探针生物安全性的提高，未来会有越来越多的MRI-OI双模态探针在临床上进行使用。

参考文献:

[1]姜鹏,刘义.化学通报,2016,79(11):993~1000.

文章来源:赵相平,何杰芳.核磁共振-光学成像双模态探针研究进展[J].化学通报,2023,86(10):1208-1215+1198.