theranostics 2021, vol. 11, issue 18, doi: 10.7150/thno.57004

作者及机构

本文题为《Smart Magnetic Resonance Imaging-based Theranostics for Cancer》，是一篇综述（Review），发表于期刊《Theranostics》2021年第11卷第18期。主要作者包括Beatriz Brito（隶属于King’s College London及University of Hull联合研究机构），Thomas W. Price（King’s College London），Juan Gallo（International Iberian Nanotechnology Laboratory, INL），Manuel Bañobre-López（INL），以及Graeme J. Stasiuk（King’s College London）。通讯作者为Juan Gallo、Manuel Bañobre-López和Graeme J. Stasiuk。文章为开放获取，分发遵循Creative Commons Attribution License。

文章主题及背景

本文主要综述了磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）主导的智能癌症诊疗（theranostics）新技术。Theranostics是一种结合诊断与治疗的新型医学模式，旨在单一的分子平台上实现成像、治疗及对特定刺激的响应功能。这一研究领域近年来迅速兴起，尤其在改善癌症及其他重大疾病的诊断与治疗方面具有重要潜力，例如神经退行性疾病、心血管疾病等。

磁共振成像由于其良好的空间分辨率、高穿透性及非侵入性特点，被视为癌症诊断的首选工具之一。然而，传统MRI存在固有灵敏度低及对比度有限等问题。智能的MRI诊疗平台试图以多功能化设计提高成像对比度并实现更加精准的疾病靶向治疗。此外，这些诊疗系统兼具对内/外源性刺激（如pH值、氧化还原、温度、光等）产生响应的独特性能，为实现疾病的个性化治疗和监测提供了重要工具。

文章主要观点

本文围绕响应型（responsive）智能MRI诊疗平台的设计与应用，提出了一系列探讨与总结，内容涵盖了原理解释、具体策略及未来展望。

一、智能诊疗系统的基本构成与概念

智能MRI诊疗系统主要由以下几个核心组件构成：用于成像的对比剂（contrast agents），靶向策略，主治疗剂（therapy effectors）以及对变化环境或外部刺激敏感的响应结构。例如，某些设计中的药物载体会在肿瘤微环境的酸性条件下释放治疗药物，同时提升MRI信号成像的对比度。

这些平台可以通过内源性刺激（如肿瘤的低pH值、较高的还原态谷胱甘肽（glutathione, GSH）浓度）触发，也可响应外源性刺激（如激光照射或超声波）激活。这种多功能化设计使得智能诊疗系统在癌症成像与治疗双方面均具备重要意义。

二、磁共振成像的基本原理与对比剂设计

通常的MRI原理基于质子核的自旋变化，而通过外加射频场激发产生信号后，基于弛豫时间（T1、T2路径差异）进行图像重建。针对MRI灵敏度较低的问题，科学界开发了多种类型的对比剂，这些对比剂分为短T1和短T2两类。短T1对比剂（如钆离子或锰离子的配合物）能产生较亮的成像信号，短T2对比剂（如超顺磁铁氧体纳米颗粒（SPIONs））则用于制造较暗的成像效果。

研究人员尝试通过响应式对比剂设计（如从“关闭”状态到“开启”状态的切换机制）克服传统对比剂灵敏度不足的问题。这些设计能够有效提高靶目标处成像的信噪比，同时也为精准治疗提供了更多可能性。

三、基于pH值响应的诊疗技术

肿瘤微环境pH值偏低（pH 6.4-7.0），而正常组织pH值为7.2-7.5。研究利用这一特征设计了一系列pH响应智能诊疗系统。例如，Ling等人开发了pH-sensitive Magnetic Nanogrenades（PMNs），其采用小型铁氧体纳米颗粒（ESIONs）与光敏化剂氯化e6（Ce6）组成。PMNs在酸性条件下通过正电荷逆转增强细胞吸收，并在内体的更低pH环境中解体，增强MRI信号与药物活性。

另一些研究则使用新型钆（Gd）或锰（Mn）纳米颗粒作为MRI对比剂，这些纳米平台在酸性环境中释放药物，同时提高弛豫率（relaxivity），从而增强成像效果。如Wu等人研究的Mn2+/抗癌药物甲氨蝶呤（MTX）纳米平台能够增加肿瘤部位的药物释放和成像对比度。

四、基于还原反应的响应智能诊疗

肿瘤微环境细胞内外氧化还原势的差异以及较高的谷胱甘肽（GSH）浓度可作为设计响应机制的线索。例如，Zhu等人开发了Gd-Pt探针，用于实时监测铂类药物的递送过程。此外，多种基于Fe3O4纳米颗粒或金纳米界环（AuNWs）的设计均整合了抗氧化性与GSH触发的断裂机制，同时实现了多模态成像（MRI/PA）和治疗（如光热治疗）。

五、基于酶的响应式诊疗系统

某些酶（例如基质金属蛋白酶、溶酶体蛋白酶等）的高表达在肿瘤微环境中表现显著，这为基于酶响应的智能诊疗设计提供了方向。例如，ATF-IONP-GEM纳米颗粒设计利用了能被溶酶体蛋白酶Cathepsin B裂解的肽链连接抗癌药物Gemcitabine，显示了出色的MRI造影能力和针对胰腺癌细胞的高效治疗。

此外，Cai等人开发了一种包含Gadolinium、Paclitaxel (临床化疗药物)及Cathepsin B敏感肽的多功能平台，该平台与正常小分子抗癌药物相比在血液循环时间、组织选择性及癌细胞杀伤方面均表现出显著优势。

六、基于温度、光和超声的外源性响应技术

利用外部能量源如光照及超声等同样是智能诊疗平台的热点研究。例如： - Xi等人利用温度敏感的PLGA纳米颗粒结合Mn2+离子，通过光热作用（PTT）实现药物释放及MRI造影增强。 - Kim等开发了MFMSN-CE6纳米系统，通过680 nm激光触发生成单线态氧（Singlet Oxygen），显著提升了光动力学治疗（PDT）的活性。

超声（US）响应式疗法则通过HIFU或机械振荡触发纳米结构内药物的快速释放。例如，PfH/DOX@PLGA/Fe3O4纳米系统通过高强度超声诱导内部气泡破裂，促进药物释放，同时增强超声和MRI双模态影像。

文章意义与前景

该综述不仅提供了全面的研究领域图景，还以系统化的方式分析了近年来多模态、响应式智能MRI诊疗平台的前沿发展。这些技术旨在优化诊断精准度，提高治疗效率，并推动个性化医学的发展。在未来，可通过纳米工程继续整合更多功能模块，进一步提高诊疗平台的临床转化效率。

此类智能MRI诊疗系统的潜力在于通过将成像、靶向及治疗有机结合为一体，突破当前癌症诊治的技术瓶颈。这种跨学科研究的方法可能为未来医疗带来革命性改变。