張寶林，張輝陽(yáng)

尖晶石結(jié)構(gòu)的?-Fe2O3或反尖晶石結(jié)構(gòu)的Fe3O4具有順磁性，按晶粒粒徑大小又細(xì)分為小粒子氧化鐵納米粒子(SPIO: 水動(dòng)力學(xué)粒徑大致在40～180 nm)及超小粒子氧化鐵納米粒子(USPIO：水動(dòng)力學(xué)粒徑小于40nm)[1-3]。USPIO在室溫下可表現(xiàn)出超順磁性，即在外磁場(chǎng)下受磁化而具有磁性，而當(dāng)外磁場(chǎng)強(qiáng)度為零時(shí)其剩磁為零或極小。超順磁性粒子極低的剩磁使其避免聚集，在溶劑里可以穩(wěn)定分散。超順磁性氧化鐵納米晶粒具有高的磁化率，容易被外磁場(chǎng)控制[1-3]。

氧化鐵晶粒通過(guò)表面化學(xué)修飾成為具有良好生物相容性的粒子，也可以進(jìn)一步結(jié)合特殊的抗體、氨基酸、蛋白或酶而具有吸收特異性。氧化鐵納米粒子被細(xì)胞吸收后聚集于溶酶體中，在溶酶體中低的pH環(huán)境里，氧化鐵被分解成為鐵離子，可用于合成血紅蛋白，因而氧化鐵在體內(nèi)具有低的毒性[1]。氧化鐵納米粒子進(jìn)入腦內(nèi)后，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)直接的毒性作用[1]。然而，氧化鐵納米粒子會(huì)在腦內(nèi)保留相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，如顱內(nèi)直接注入的氧化鐵納米粒子會(huì)在腦實(shí)質(zhì)中存在三個(gè)月以上，雖然未引起任何病理現(xiàn)象，但其長(zhǎng)期清除的機(jī)理尚須進(jìn)一步研究[1]。氧化鐵納米粒子被用于體內(nèi)(in vivo)和體外(in vitro)生物醫(yī)學(xué)研究，如磁共振成像(MRI，fMRI)[1-5]、細(xì)胞分離與標(biāo)記[6-9]、DNA分離[10]、腫瘤的檢測(cè)[11-14]、磁熱治療[15]及靶向藥物載體[16-19]等，是納米材料研究的熱點(diǎn)，Nel等[20]對(duì)納米粒子與生物系統(tǒng)之間的界面處的生物物理化學(xué)方面的相互作用作了專題綜述。

1 超順磁性氧化鐵納米粒子合成工藝及常用修飾劑

常用的氧化鐵納米粒子修飾劑有葡聚糖及其衍生物[5]、聚乙二醇及其衍生物[12]等高分子，檸檬酸[6]、四甲基氫氧化胺[21]等小分子，及SiO2、CdS、Au、Pt等無(wú)機(jī)物[22]。作為對(duì)比增強(qiáng)劑，氧化鐵粒子的尺寸及表面修飾物的物理化學(xué)性質(zhì)決定了其被生物體內(nèi)吞噬細(xì)胞吸收的幾率，也就決定了其分布的特異性或選擇性。一旦納米粒子進(jìn)入血液，血漿蛋白對(duì)納米粒子產(chǎn)生非特異性吸附，被吸附的納米粒子很快被吞噬細(xì)胞清除。葡聚糖、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮等有機(jī)物有避免血漿蛋白吸附的功能，從而使氧化鐵納米粒子具有長(zhǎng)的血液半衰期。特殊表面修飾的超細(xì)氧化鐵納米粒子(USPIO)能夠較長(zhǎng)時(shí)間保留在血液中進(jìn)行循環(huán)，可用于細(xì)胞及分子示蹤、血管及血容量成像的對(duì)比增強(qiáng)研究[4]。

常用的氧化鐵納米粒子合成方法有共沉淀法、微乳液法、超聲空化法等[22]。共沉淀法是將摩爾比2∶1的Fe3+與Fe2+鹽在水溶液中同時(shí)水解沉淀，或Fe2+鹽在氧化劑存在條件下部分氧化沉淀實(shí)現(xiàn)Fe3O4納米粒子的合成[21]。共沉淀法具有方法簡(jiǎn)單、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。但是共沉淀方法存在粒度分布寬、易團(tuán)聚的缺點(diǎn)，而且由于氧化鐵與水之間反應(yīng)較為復(fù)雜，可生成多種化合物[22]，因此產(chǎn)物中?；烊肫渌嚯s質(zhì)，而不能充分發(fā)揮納米氧化鐵在生物體系中的作用。經(jīng)過(guò)改進(jìn)的微乳液法及超聲空化法制備的納米氧化鐵，普遍存在結(jié)晶度差、磁性能低，及其粒度、形貌難以控制的缺點(diǎn)[22]。目前商業(yè)化的氧化鐵納米粒子如Resovist、Feridex、Endorem、Combidex及Sinerem等的產(chǎn)品都是由共沉淀方法制備的[1]，性能還有提升的空間。

采用鐵的羰基化合物制備氧化鐵納米粒子是近年來(lái)發(fā)展的一個(gè)成功的合成方法[23-26]。Sun等將乙酰丙酮鐵Fe(acac)3與油胺溶于二苯醚中后，300 ℃加熱反應(yīng)1 h生成粒徑小于20 nm的Fe3O4納米晶體[23]。Cheon等將五羰基鐵溶于鄰二氯苯中，以十二胺為表面穩(wěn)定劑在180 ℃空氣氣氛中加熱可制備10 nm左右的?-Fe2O3納米晶體[24]；這類方法得到的氧化鐵納米晶體，表面修飾有長(zhǎng)烷基鏈或其它所使用的有機(jī)溶劑小分子，只能溶解或分散于非極性或弱極性的有機(jī)溶劑中，不能在單個(gè)微粒尺度上被用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，必須通過(guò)修飾體置換才可以使氧化鐵納米粒子表面具有親水性。更簡(jiǎn)便地合成能夠直接在水中穩(wěn)定分散的、具有生物相容性的磁性氧化鐵納米粒子的研究仍在繼續(xù)[25-26]。

我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中，采用文獻(xiàn)報(bào)道的方法[25]，將2 mmol乙酰丙酮鐵Fe(acac)3在20 ml三乙二醇中280 ℃通氬氣保護(hù)加熱2 h還原反應(yīng)制備了能夠在水中穩(wěn)定分散的納米Fe3O4。其透射電子顯微鏡像見圖1，平均粒徑為9.6±1.4 nm，圖1中納米粒子的磁滯回線的剩磁和矯頑力都為零。表明所合成的納米Fe3O4粒子具有超順磁性，飽和磁化強(qiáng)度為58 emu/g。

圖1 Fe3O4超順磁性納米粒子的TEM照片及其磁滯回線Fig 1 The TEM image and M–H curve of the Fe3O4 superparamagnetic nanoparticles

2 MRI、fMRI基本原理

2.1 成像原理及表征參數(shù)

自旋的帶電粒子(如質(zhì)子)會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，質(zhì)子數(shù)為奇數(shù)的原子核(如氫原子核)中未配對(duì)的質(zhì)子會(huì)產(chǎn)生一個(gè)凈磁場(chǎng)，處于外磁場(chǎng)(B0)中時(shí)，在常溫下，它們自身的凈磁場(chǎng)大部分會(huì)沿外磁場(chǎng)方向排列。當(dāng)對(duì)病人(或被試動(dòng)物、或樣品)發(fā)射一個(gè)特定頻率的90°射頻脈沖，這個(gè)射頻脈沖的磁場(chǎng)(B1)的作用會(huì)導(dǎo)致一些自旋質(zhì)子改變它們的排列方向。關(guān)閉射頻脈沖后，這些質(zhì)子發(fā)生弛豫，即自旋減小到它們的最低能態(tài)或返回到平衡狀態(tài)，質(zhì)子會(huì)重新沿外磁場(chǎng)(B0)的軸向排列，并且以電磁波的形式放出多余的能量，發(fā)出的電磁波信號(hào)，就是要檢測(cè)的磁共振信號(hào)，電磁波信號(hào)由接受線圈轉(zhuǎn)換為電流。弛豫過(guò)程中，質(zhì)子重新回到縱軸(Z軸即外磁場(chǎng)方向)原磁化矢量63%所需要的時(shí)間稱為縱向弛豫時(shí)間T1；而在橫向(XY平面內(nèi))的質(zhì)子自旋磁場(chǎng)矢量衰減到原橫向磁化矢量的37%所需的時(shí)間稱為橫向弛豫時(shí)間T2；不同組織具有不同的T1及T2(也即弛豫中質(zhì)子發(fā)射不同強(qiáng)弱的電磁波信號(hào))，這是磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)的成像及區(qū)分不同組織的原理。由于質(zhì)子間自旋-自旋相互作用(這個(gè)相互作用反映物質(zhì)的特性)引起的質(zhì)子自旋的失相，造成T2不等于T1，T2的衰減速度通常要比T1的恢復(fù)速度快5～10倍。由質(zhì)子之間的自旋-自旋相互作用及外磁場(chǎng)不均勻性共同作用帶來(lái)的失相得到的橫向弛豫時(shí)間稱為T2*，T2*顯著短于T2。腦的不同狀態(tài)，如興奮引起的代謝增加導(dǎo)致脫氧血紅蛋白(順磁性物質(zhì)，而氧合血紅蛋白為抗磁性物質(zhì))的增加，及隨后的血液過(guò)補(bǔ)償造成的血液密度或血液量的變化都將引起T1及T2的變化，從而產(chǎn)生不同的亮或暗襯度。對(duì)于腦來(lái)說(shuō)，在特定的時(shí)間內(nèi)，接受外界的刺激后的工作區(qū)域的磁共振成像方法被稱為功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging, fMRI)，不接受外界刺激的腦功能磁共振成像被稱為靜息態(tài)腦功能磁共振成像。鑒于氫質(zhì)子的普遍豐富性，MRI、fMRI中選用氫質(zhì)子進(jìn)行磁共振成像，不同組織中含氫原子量不同或氫原子化學(xué)環(huán)境不同，使氫質(zhì)子產(chǎn)生不同自旋性能，造成各類組織具有不同的T1及T2值，在磁共振成像中表現(xiàn)出不同明暗的襯度，這就是磁共振生物體成像的基本依據(jù)[27-30]。實(shí)驗(yàn)中采用不同的脈沖(RF)序列，可以得到不同的T1、T2或T2*權(quán)重像，以尋求最佳襯度的磁共振像，能夠更好反映測(cè)試物內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。

在成像速度和空間分辨率方面，MRI已經(jīng)超越了正電子斷層掃描技術(shù)(positron emission tomography,PET)。美國(guó)的食品和藥物監(jiān)督管理局(Food and Drug Administration, FDA)已經(jīng)批準(zhǔn)在臨床使用3T和4T的MRI系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室研究階段，已經(jīng)允許使用10T的系統(tǒng)對(duì)人體做實(shí)驗(yàn)[28]。MRI的進(jìn)展得益于高場(chǎng)強(qiáng)及脈沖序列的優(yōu)化，高場(chǎng)強(qiáng)MRI空間分辨率目前可以達(dá)到面上300 μm×300 μm[29]。

2.2 氧化鐵粒子與磁共振成像的結(jié)合

在外磁場(chǎng)作用下，磁性粒子被磁化，具有磁通量，并在其局部產(chǎn)生一個(gè)誘導(dǎo)磁場(chǎng)，這個(gè)誘導(dǎo)磁場(chǎng)影響水或組織中氫質(zhì)子自旋的弛豫過(guò)程，導(dǎo)致質(zhì)子橫向弛豫時(shí)間T2縮短，也導(dǎo)致T1縮短，在高場(chǎng)強(qiáng)下，T2權(quán)重像效果(變暗)明顯；而T1權(quán)重像(變亮)適合在中等場(chǎng)強(qiáng)(如1.5 T)及較低氧化鐵濃度的條件下獲得[1,31]。磁性粒子通過(guò)增加襯度而提高磁共振像分辨率[32]。因?yàn)镸RI具有高的空間及時(shí)間分辨率，有定量化的潛能及非侵入性的優(yōu)點(diǎn)，超順磁性氧化鐵納米粒子作為對(duì)比劑與之結(jié)合具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 氧化鐵對(duì)比劑在腦科學(xué)相關(guān)的磁共振成像研究中的應(yīng)用

3.1 早期病理癥狀的診斷

依賴于粒子的大小及表面修飾物的性質(zhì)，磁性粒子在體內(nèi)會(huì)被吞噬細(xì)胞特異性地或非特異性的吸收或吸附[1]。多發(fā)性硬化(multiple sclerosis,MS)是人類神經(jīng)系統(tǒng)的自身免疫性脫髓鞘性疾病，實(shí)驗(yàn)性變態(tài)反應(yīng)性腦脊髓炎(experimental allergic encephalomyelitis, EAE)，是研究人類MS的理想動(dòng)物模型。在EAE動(dòng)物模型病變的實(shí)驗(yàn)中，采用尾靜脈注射將USPIO (Sinerem產(chǎn)品，氧化鐵納米粒子4～6納米，粒子表面修飾以葡聚糖，流體力學(xué)粒徑為30納米，用作血池成像對(duì)比劑[32])試劑注入大鼠[33]，若干小時(shí)后(該類磁性氧化鐵納米粒子具有長(zhǎng)的血液半衰期[32]，只有經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間后才能檢測(cè)出吞噬細(xì)胞所吸收到的量)進(jìn)行磁共振成像監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)：USPIO在炎癥部位聚集，推測(cè)USPIO可能是被血液中的單核或巨噬細(xì)胞所吞噬，隨吞噬細(xì)胞到達(dá)炎癥部位的。USPIO的磁場(chǎng)效應(yīng)縮短炎癥周圍氫質(zhì)子的T2，從而對(duì)炎癥病變有(變暗)對(duì)比增強(qiáng)作用。其對(duì)比增強(qiáng)位置與隨后的組織解剖及病理學(xué)檢查顯示的炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)范圍一致。USPIO對(duì)比異常強(qiáng)化的范圍反映巨噬細(xì)胞的浸潤(rùn)程度，這可作為脫髓鞘病變定位或嚴(yán)重程度的參考。而用釓(Gd)對(duì)比劑的磁共振成像中未發(fā)現(xiàn)EAE大鼠腦內(nèi)異常增強(qiáng)灶。目前臨床普遍采用的Gd對(duì)比劑是一種細(xì)胞外間隙磁共振小分子成像對(duì)比劑，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)主要反映血腦屏障的破壞，而在EAE模型中巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)和血腦屏障的破壞是疾病的不同先后階段，這可能是Gd對(duì)比劑未能檢測(cè)出病理早期癥狀的原因[33]。USPIO可以緩慢地以滲漏方式通過(guò)血腦屏障，但其機(jī)理尚不明確[1]。USPIO也可能借助于血液中單核或巨噬細(xì)胞穿過(guò)血腦屏障，到達(dá)大鼠腦內(nèi)炎癥或損傷部位[1,33]，從而可以檢測(cè)MS的亞臨床病變。USPIO被腦實(shí)質(zhì)細(xì)胞吸收后，在腦內(nèi)可存在于細(xì)胞內(nèi)，也可以存在于細(xì)胞間隙[1]。

血管內(nèi)皮細(xì)胞粘附分子(VCAM-1)及其配體α4β1整聯(lián)蛋白是調(diào)節(jié)白細(xì)胞募集及引起機(jī)體損傷效應(yīng)的關(guān)鍵因素。通過(guò)選擇合適抑制劑，能夠與α4β1連接而阻止其與VCAM-1相互作用，就可以明顯減少M(fèi)S的復(fù)發(fā)率。檢測(cè)到首先出現(xiàn)的VCAM-1并提前采取措施可以中止或減輕隨后MS的各種損傷性病癥。因此，目前迫切需要一種分子影像技術(shù)來(lái)更早地發(fā)現(xiàn)并量化該疾病的活動(dòng)性，以指導(dǎo)治療方案。采用連接鼠VCAM-1的單克隆抗體(克隆M/K2)的平均粒徑約1μm量級(jí)的磁性氧化鐵粒子(該研究采用的微米級(jí)的磁性粒子具有很好的對(duì)比增強(qiáng)效果，但難以生物降解而不能用于人體內(nèi)實(shí)驗(yàn))，通過(guò)尾部靜脈注射入大鼠體內(nèi)[34]。大鼠腦內(nèi)左側(cè)紋狀體區(qū)被預(yù)先注射白細(xì)胞介素(IL-1β)來(lái)誘引內(nèi)皮細(xì)胞活化并表達(dá)VCAM-1分子，采用7T的MRI觀察發(fā)現(xiàn)，聯(lián)接VCAM-1單克隆抗體的磁性粒子在注射IL-1β的腦一側(cè)產(chǎn)生強(qiáng)的對(duì)比變暗效果。而在未注射IL-1β一側(cè)腦沒(méi)有相應(yīng)的對(duì)比效果。這就開發(fā)了一種新型的分子影像探針技術(shù)，結(jié)合磁共振成像技術(shù)可以活體(in vivo)識(shí)別大鼠腦內(nèi)的VCAM-1表達(dá)，并可進(jìn)行定量化。在病理上還不能檢測(cè)出MS明顯損害性癥狀的時(shí)候，采用MRI就可以探測(cè)急性腦炎的VCAM-1，來(lái)早期診斷并觀察MS疾病的發(fā)展程度，并采取相應(yīng)的治療。可通過(guò)改變磁性氧化鐵粒子的表面修飾配體，來(lái)對(duì)其它炎癥、癌癥、粥狀動(dòng)脈硬化癥等病癥中所特異表達(dá)的內(nèi)皮細(xì)胞標(biāo)記物進(jìn)行磁共振成像[34]。該研究中采用的表面修飾以對(duì)甲苯磺?；?.76～1.63μm的磁性氧化鐵粒子具有含鐵量高，磁場(chǎng)效應(yīng)強(qiáng)因而對(duì)比增強(qiáng)范圍大(這個(gè)范圍一般約為磁性粒子粒徑的50倍)，及更易表現(xiàn)特異性吸附的特點(diǎn)。

3.2 藥物輸運(yùn)及探測(cè)

藥物輸運(yùn)是納米粒子一個(gè)重要應(yīng)用。由靜脈注射后，納米粒子需要通過(guò)血腦屏障才能進(jìn)入腦。血腦屏障是阻止某些物質(zhì)(多半是有害的)由血液進(jìn)入腦組織的結(jié)構(gòu)，是由特殊的血管系統(tǒng)，包含無(wú)窗孔的內(nèi)皮細(xì)胞、毛細(xì)血管基膜及星型膠質(zhì)細(xì)胞組成。血腦屏障細(xì)胞間的緊密結(jié)合阻止了血液中的病原體及化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入腦，但也阻止了藥物的通透。在一些疾病情況下，如神經(jīng)退行性疾病或腦腫瘤，血腦屏障會(huì)發(fā)生變化，打開一些窗口，成為藥物輸運(yùn)通道。藥物也可以利用神經(jīng)系統(tǒng)與嗅覺(jué)系統(tǒng)之間的連接路徑來(lái)進(jìn)入腦。頸部注射甘露醇、動(dòng)脈或靜脈注射緩激肽等物質(zhì)、超聲震蕩方法也可以暫時(shí)性地打開血腦屏障[18,35]。藥物穿過(guò)血腦屏障的途徑可采取跨細(xì)胞擴(kuò)散、細(xì)胞間擴(kuò)散、受體介導(dǎo)的跨細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)、吸附介導(dǎo)的轉(zhuǎn)運(yùn)及載體介導(dǎo)的轉(zhuǎn)運(yùn)等方式[36]。載體介導(dǎo)途徑的載體包括脂質(zhì)體、聚合物納米粒子及無(wú)機(jī)納米粒子，這些載體表面修飾物的物理-化學(xué)性質(zhì)對(duì)于穿過(guò)血腦屏障及藥物輸運(yùn)起著關(guān)鍵作用。目前的研究結(jié)果表明，藥物穿越血腦屏障輸送至中樞神經(jīng)系統(tǒng)是一項(xiàng)極其復(fù)雜的技術(shù)，需要多種學(xué)科的緊密合作共同努力才有望完成[36]。

即使進(jìn)入到腦內(nèi)，納米粒子被細(xì)胞的吸收效率還受其表面的修飾劑的性能影響。葡聚糖是USPIO最常用的修飾劑。腦源性細(xì)胞對(duì)葡聚糖修飾的USPIO(Endorem產(chǎn)品，水動(dòng)力學(xué)粒徑80～150 nm)吸收少且慢，因此葡聚糖修飾的USPIO適合腦成像，而不適合器官或細(xì)胞內(nèi)藥物輸運(yùn)[37]。

通過(guò)in vitro細(xì)胞實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與葡聚糖、聚乙烯醇(PVA)、羧基化的PVA及硫醇基化的PVA相比，胺基PVA修飾的USPIO更容易被腦源性內(nèi)皮細(xì)胞和小型膠質(zhì)細(xì)胞吸收，被吸收后擴(kuò)散到腦軟組織，其攜帶藥物被釋放出來(lái)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這類磁性納米粒子不會(huì)引起細(xì)胞的炎癥反應(yīng)，即對(duì)腦器官是生物相容的。將USPIO與Cy3.5或Cy5.5熒光體結(jié)合，然后進(jìn)行的熒光分析表明，USPIO是被小型膠質(zhì)細(xì)胞胞內(nèi)吸附的。胺基PVA修飾的USPIO，可作為生物相容性的，有潛力的腦內(nèi)藥物載體，與MRI相結(jié)合后，也可同時(shí)用于探測(cè)表現(xiàn)異常吞噬的神經(jīng)退行性疾病病變區(qū)域[37]。

3.3 檢測(cè)mRNA

Liu等[38]將葡聚糖修飾的超順磁性氧化鐵納米粒子USPIO，連接三類序列的磷硫?；丫勖撗鹾塑账?sODNs)，這三類序列的sODNs分別與c-fos mRNA、β-actin mRNA，或隨機(jī)序列的sODN成互補(bǔ)關(guān)系，分別簡(jiǎn)稱做USPIO-cfos、USPIO-β-actin及USPIO-Ran。通過(guò)腦室灌注將上述磁性納米粒子復(fù)合體直接注入大鼠的腦室，避開了血腦屏障的阻礙作用。在動(dòng)物腦缺血實(shí)驗(yàn)中，采用9.4 T的MRI觀察發(fā)現(xiàn)，USPIO-cfos明顯地駐留在腦內(nèi)c-fos mRNA有增量的部位，而c-fos mRNA的增量是缺血損傷反應(yīng)的結(jié)果。對(duì)于USPIO-β-actin及USPIO-Ran沒(méi)有觀察到這個(gè)駐留效應(yīng)。這項(xiàng)研究表明可用結(jié)合USPIO的MRI探測(cè)中樞神經(jīng)系統(tǒng)病理模型中的mRNA的改變。

已知短時(shí)記憶(工作記憶)涉及蛋白質(zhì)的共價(jià)化學(xué)修飾和突觸蛋白輸運(yùn)；長(zhǎng)久記憶則依賴基因轉(zhuǎn)錄(如與突觸可塑性相關(guān)的即刻早期基因的轉(zhuǎn)錄)、蛋白質(zhì)合成和新突觸連接的形成。因此在MRI中，用USPIO探針檢測(cè)即刻早期基因(如c-fos)轉(zhuǎn)錄的mRNA及其它與神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育和分化相關(guān)的基因轉(zhuǎn)錄的mRNA，可能成為研究記憶的神經(jīng)機(jī)制的新途徑。

3.4 細(xì)胞及分子的磁共振成像

Lee等[39]采用將熒光染料與磁性氧化鐵納米粒子結(jié)合在一起形成新一代的納米探針，具有熒光效應(yīng)及磁共振成像對(duì)比劑功能。他們利用Sulfo-SMCC(C16H17N2NaO9S)上的順丁烯二酰亞胺集團(tuán)，先與摻雜了羅丹明熒光染料的二氧化硅納米粒子表面的胺基結(jié)合，再與二巰基丁二酸修飾(通過(guò)與表面油酸置換獲得)的磁性氧化鐵納米粒子表面的硫醇基結(jié)合，獲得了一種復(fù)合納米粒子，并通過(guò)復(fù)合納米粒子表面的Sulfo-SMCC與HmenB1抗體結(jié)合。HmenB1對(duì)表達(dá)聚唾液酸(PSAs)的細(xì)胞具有特殊的靶向性。PSAs是與神經(jīng)傳導(dǎo)途徑、突觸的可塑性、學(xué)習(xí)記憶相關(guān)的聚合物，同時(shí)PSAs也是成神經(jīng)細(xì)胞瘤細(xì)胞(CHP-134)的表達(dá)物，也即標(biāo)記物。用結(jié)合了HmenB1抗體的復(fù)合納米粒子與過(guò)度表達(dá)PSAs的CHP-134細(xì)胞混合，清洗后檢驗(yàn)兩者結(jié)合情況，與對(duì)比實(shí)驗(yàn)相比，表達(dá)PSAs的CHP-134細(xì)胞可觀察到T2*權(quán)重的GE(Gradient Echo)序列的磁共振像中明顯的負(fù)增強(qiáng)(變暗)效果。更重要的是，采用共聚焦顯微鏡觀察復(fù)合納米粒子發(fā)出的紅色熒光發(fā)現(xiàn)，PSAs存在于CHP-134細(xì)胞膜位置處，這與其它研究方法所推測(cè)的PSAs表達(dá)在神經(jīng)細(xì)胞膜上的神經(jīng)細(xì)胞粘附分子(NCAMs)上結(jié)論一致。因此，熒光磁性復(fù)合納米粒子既能進(jìn)行細(xì)胞或分子磁共振成像，又能給出亞細(xì)胞尺度信息。

目前認(rèn)為突觸可塑性是學(xué)習(xí)和記憶的可能的分子機(jī)制，而PSAs通過(guò)改變神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)粘附分子的粘附性調(diào)節(jié)神經(jīng)細(xì)胞發(fā)育、神經(jīng)導(dǎo)向以及突觸的形成。靶向PSAs的熒光-磁性復(fù)合納米粒子有望用于學(xué)習(xí)和記憶的神經(jīng)機(jī)制的研究。

3.5 神經(jīng)系統(tǒng)血液動(dòng)力學(xué)變化的功能磁共振成像(fMRI)

血液中脫氧血紅蛋白為順磁性物質(zhì)，在磁共振成像中可縮短氫質(zhì)子的T2*。在腦的活躍區(qū)中，表現(xiàn)出增量的血流，對(duì)該區(qū)域氧的消耗產(chǎn)生過(guò)補(bǔ)償，這個(gè)過(guò)補(bǔ)償局部地減少了該區(qū)域的脫氧血紅蛋白濃度，導(dǎo)致T2*延長(zhǎng)，在GE序列的磁共振成像中該區(qū)信號(hào)增加(變亮)，從而形成血氧依賴水平(BOLD)產(chǎn)生的對(duì)比度圖像[2,29,32]。采用fMRI測(cè)量神經(jīng)活動(dòng)引起的血液動(dòng)力學(xué)變化，是一項(xiàng)對(duì)90年代以來(lái)的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究發(fā)展真正有影響的技術(shù)[29]。

然而，生理變化產(chǎn)生脫氧血紅蛋白含量的改變產(chǎn)生的T2*效果很小，導(dǎo)致這種測(cè)試方法靈敏度不高。順磁性對(duì)比劑，如臨床常用的Gd對(duì)比劑也被用來(lái)監(jiān)測(cè)活躍條件下腦血容量(cerebral blood volume,CBV)變化，可以使磁共振信號(hào)對(duì)比度增加，但是由于再循環(huán)過(guò)程及血清對(duì)Gd對(duì)比劑的清除，在每一個(gè)激活或靜息條件下，人們只能檢測(cè)注射后“頭道”流過(guò)過(guò)程。這極大地限制了對(duì)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的研究次數(shù)。在這種背景下，由于USPIO對(duì)比劑具有相當(dāng)長(zhǎng)的血液半衰期(可達(dá)幾小時(shí)或更長(zhǎng))，在整個(gè)研究過(guò)程的血流中能夠保持一個(gè)足夠高的、穩(wěn)定的濃度，可操作出穩(wěn)定的磁共振圖像。在中等場(chǎng)強(qiáng)下，磁性氧化鐵對(duì)比劑在腦血容量變化中改變磁共振信號(hào)的幅度，大大超過(guò)BOLD方法觀察到的磁共振幅度的變化。USPIO對(duì)比劑的T2權(quán)重像(變暗)與BOLD血氧濃度增加產(chǎn)生的對(duì)比效果(變亮)相反，但同樣反映血液動(dòng)力學(xué)變化，且產(chǎn)生的信號(hào)對(duì)比度更大，與BOLD對(duì)比效果相比較，USPIO對(duì)比劑探測(cè)CBV的靈敏度增加2～12倍[32]。

例如，用運(yùn)動(dòng)或靜止的視覺(jué)刺激(屏幕上隨機(jī)出現(xiàn)的亮點(diǎn)或線)，觀察在恒河猴腦中產(chǎn)生的fMRI信號(hào)，研究靈長(zhǎng)類視覺(jué)傳導(dǎo)通路與大腦皮層視覺(jué)區(qū)位置的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)腦區(qū)V2，V3，MT/V5，vMST，F(xiàn)ST，VIP，PEF對(duì)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)敏感，而V4，TE，LIP及PIP對(duì)隨機(jī)線信號(hào)敏感。注射葡聚糖修飾的、具有長(zhǎng)血液半衰期的USPIO對(duì)比劑后，MT/V5區(qū)信號(hào)靈敏度比BOLD技術(shù)提高了10倍左右[40,41]。

fMRI衡量的是群體神經(jīng)元活動(dòng)的信號(hào)，它是一個(gè)能夠與局部電生理學(xué)測(cè)量互補(bǔ)的，最有價(jià)值的成像方法[29,41,42]。結(jié)合磁性納米粒子可在血液中長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定及其增加分辨率的特性，進(jìn)行神經(jīng)活動(dòng)成像，促進(jìn)了fMRI技術(shù)的進(jìn)展[2,32,40,42]。

4 展望

理解人腦的工作機(jī)制，是21世紀(jì)最具挑戰(zhàn)性的研究課題。如何使藥物穿過(guò)血腦屏障進(jìn)入大腦也是治療神經(jīng)疾病如阿爾茨海默、帕金森病、中風(fēng)及惡性腦瘤(這些疾病中未破壞或未完全破壞的血腦屏障使藥物無(wú)法進(jìn)入病灶)中最需解決的課題之一。結(jié)合磁性氧化鐵納米粒子的腦磁共振成像技術(shù)，是腦病理學(xué)及藥理學(xué)研究、學(xué)習(xí)與記憶的機(jī)制的研究的新手段。從生物醫(yī)學(xué)角度來(lái)講，目前需要采用更為先進(jìn)的納米制備工藝(而不局限于共沉淀方法)獲得不同粒度磁性氧化鐵納米粒子，并表面修飾以不同性質(zhì)的功能性有機(jī)分子，系統(tǒng)研究磁性氧化鐵納米粒子與腦組織之間作用，對(duì)于納米材料應(yīng)用、腦疾病及腦科學(xué)，包括認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究都具有重要意義；從化學(xué)工作角度出發(fā)，控制磁性氧化鐵粒度、分散性、結(jié)晶性，調(diào)節(jié)表面修飾物性質(zhì)，開發(fā)熒光-磁性等多種性能復(fù)合的納米粒子，掌握磁性粒子與生物分子、細(xì)胞及生物組織之間的相互作用，仍需要進(jìn)行深入地研究，以滿足生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用提出的更高、更特殊的需求。無(wú)機(jī)及有機(jī)化學(xué)、納米材料、物理、生物醫(yī)學(xué)等學(xué)科的交叉研究對(duì)各學(xué)科有相互促進(jìn)的作用，并有望帶來(lái)重大的突破。

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