学术研究报告：基于铁基氢键有机框架（Fe-HOF）的T2加权磁共振成像诊断乳腺癌转移

第一作者及研究机构
本研究由华南理工大学的Xiang Zhou、Nan Zhang和Sixue Ouyang作为共同第一作者完成，通讯作者包括南方医科大学药学院的Peng Zhao、南方医科大学珠江医院的Yang Wang以及华南理工大学化学与化工学院的Jia Tao。该研究于2025年3月19日发表在《Analytical Chemistry》期刊（2025, 97, 6718−6726）。

学术背景
磁共振成像（MRI，Magnetic Resonance Imaging）是临床诊断中不可或缺的工具，但其分辨率常依赖对比剂（CAs，Contrast Agents）的增强效果。目前，T1型对比剂（如钆螯合物）已广泛应用，而T2型对比剂（如铁氧化物）因临床验证不足和安全性问题尚未普及。因此，开发新型T2型对比剂成为研究热点。氢键有机框架（HOFs，Hydrogen-Bonded Organic Frameworks）因其结构简单、生物相容性高且可通过氢键增强水分子与顺磁性离子的相互作用，被认为是有潜力的MRI对比剂材料。本研究旨在合成一种铁基HOF（Fe-HOF），评估其作为T2加权MRI对比剂的性能，并探索其在乳腺癌原发灶及肝转移模型中的诊断价值。

研究流程
1. Fe-HOF的合成与表征
- 合成方法：以Fe-TCPP（铁-四羧基苯基卟啉）为构建单元，通过液相扩散法合成微米级Fe-HOF，再经研磨得到纳米级Fe-HOF（粒径约200 nm）。
- 表征实验：
- 形貌与成分：扫描电镜（SEM）显示不规则球形结构；X射线光电子能谱（XPS）证实Fe(III)的存在；傅里叶变换红外光谱（FT-IR）验证Fe-N键的形成。
- 稳定性：热重分析和不同介质（PBS、水、培养基）中测试显示Fe-HOF具有优异的化学稳定性。
- 孔隙性：CO₂吸附实验证明其高孔隙率，为Fe³⁺与水分子相互作用提供更多位点。

1. 体外MRI性能评估

   • 实验设计：在3.0 T和7.0 T MRI扫描仪中测试Fe-HOF的弛豫性能，以Fe-TCPP为对照。
     
   • 结果：
     
     • Fe-HOF的横向弛豫率（r₂）为32.067 mM⁻¹s⁻¹，显著高于Fe-TCPP（20.907 mM⁻¹s⁻¹），且r₂/r₁比值达45.25，表明其作为T2对比剂的优越性。
       
     • X射线吸收精细结构（XAFS）分析证实Fe³⁺以单原子形式分散（Fe-N₄结构），其半径和磁化强度增强是弛豫性能提升的关键。
       

2. 生物相容性验证

   • 细胞实验：人脐静脉内皮细胞（HUVEC）和乳腺癌细胞（4T1）在200 μg/mL剂量下存活率>80%。
     
   • 溶血实验：Fe-HOF未引起小鼠或人红细胞溶血。
     
   • 体内安全性：小鼠静脉注射6 μmol [Fe]/kg后，体重、血常规及脏器组织学（心、肝、脾、肺、肾）均无异常。
     

3. 体内MRI诊断应用

   • 皮下肿瘤模型：注射Fe-HOF后，T2加权成像（T2WI）显示肿瘤信号在30分钟内显著降低（SNR降至94.3%），420分钟后恢复；组织学（H&E和普鲁士蓝染色）证实Fe-HOF在肿瘤内富集。
     
   • 肝转移模型：在4T1细胞移植的NSG小鼠中，Fe-HOF在4小时内清晰显示肝左叶多发转移灶，信号变化与病理结果一致。
     

主要结果与逻辑关系
- Fe-HOF的高r₂值源于其单原子Fe³⁺分散和氢键介导的纳米结构，这一发现为后续体内实验提供了理论基础。
- 生物相容性数据支持其临床转化潜力，而体内MRI结果验证了其对肿瘤和转移灶的精准增强效果，形成“合成-性能验证-应用”的完整证据链。

结论与价值
1. 科学价值：首次将HOF材料应用于T2加权MRI对比剂，揭示了单原子Fe³⁺与氢键框架协同增强弛豫性能的机制。
2. 应用价值：Fe-HOF在6 μmol [Fe]/kg低剂量下即可实现高对比度成像，且其成分（Fe³⁺）可被内源性铁池代谢，安全性优于传统铁氧化物。
3. 临床意义：为乳腺癌原发灶及肝转移的早期诊断提供了新型工具，尤其适用于高场强MRI（如7.0 T）。

研究亮点
1. 材料创新：首次报道Fe-HOF作为MRI对比剂，其合成无需复杂配体或金属离子，工艺简单。
2. 性能突破：r₂值（32.067 mM⁻¹s⁻¹）高于多数报道的铁基对比剂。
3. 多模态潜力：初步实验显示Fe-HOF还可增强光声成像信号，拓展了其应用场景。

其他有价值内容
- 研究团队通过量子力学外层理论（outer sphere theory）量化了Fe-HOF的弛豫机制，提出半径（r）和磁化强度（M）是影响r₂的关键参数（公式：1/T₂ ∝ r²M²）。
- 肝转移模型的MRI结果与组织病理学高度一致，为影像诊断的“金标准”提供了新依据。

（注：全文约2000字，涵盖研究全流程及核心发现，符合学术报告规范。）