基于比率磁共振成像探针的肿瘤微环境精准分析：设计原理、多模态验证与精准肿瘤学未来展望
作者与发表信息 本文由 Jingjing Hu、Chunting Wang、Defan Yao* 和 Dengbin Wang* 共同撰写。作者单位均来自上海交通大学医学院：a) 上海交通大学医学院附属新华医院放射科；b) 上海交通大学医学院健康科学与技术学院。本文于2025年4月17日在线发表于《Coordination Chemistry Reviews》期刊第537卷，文章编号为216709。
论文主题与性质 本文是一篇系统性的综述论文，主题聚焦于用于肿瘤微环境（Tumor Microenvironment, TME）分析的比率磁共振成像（ratiometric MRI）探针。文章全面梳理了该领域的最新进展，详细阐述了比率MRI探针的设计原理、关键组件、多模态验证方法，并探讨了当前面临的挑战及在精准肿瘤学中的未来发展方向。
主要观点阐述
一、 比率MRI探针的提出背景与核心优势 磁共振成像（MRI）作为一种无创、无辐射的诊断工具，在肿瘤解剖和功能成像中应用广泛。然而，传统MRI的临床应用受限于其固有的灵敏度约束。尽管传统的靶向或响应型MRI探针能够提供关于TME的有价值信息，但它们往往难以提供对TME的定量评估，这限制了其在精确肿瘤诊断和分期中的应用能力。
近年来，比率MRI探针 作为一种有前景的解决方案应运而生。其核心优势在于结合了靶向成像与定量分析能力。通过设计能够响应TME特定生物标志物（如pH、活性氧、谷胱甘肽、酶等）的探针，并利用两个或多个相互关联的MRI信号（例如T1与T2弛豫率、不同化学交换饱和转移频率的信号）的比值进行分析，比率MRI技术能够有效抵消探针浓度分布不均、仪器参数波动、组织异质性等常见干扰因素。这种“自校准”特性使得对TME内生物标志物的定量、可视化监测成为可能，从而为更精确和个性化的肿瘤诊断铺平道路。
二、 比率MRI探针的四大成像机制 本文详细阐述了比率MRI探针所依赖的四种主要成像机制，这是理解其设计和工作原理的基础。
化学交换饱和转移成像
- 原理：CEST（Chemical Exchange Saturation Transfer）技术基于可交换质子（如酰胺、羟基、胺基上的质子）与周围水分子之间的化学交换和饱和转移现象。对探针上可交换质子施加预饱和射频脉冲，其饱和状态通过化学交换传递给大量水质子，导致水信号降低，从而间接检测目标分子。
- 比率实现方式：
- 多站点DiaCEST：探针分子含有两个或多个具有不同化学交换速率和pH依赖性的可交换质子位点（如5,6-二氢尿嘧啶、碘帕醇）。通过计算这两个位点产生的CEST效应信号的比值，可以消除探针浓度的影响，实现定量（如pH）测量。
- 单站点DiaCEST：即使探针只有一个可交换位点（如碘比醇），也可以通过改变射频脉冲的强度、持续时间等参数，获得不同的饱和状态，计算信号比，或引入体内固有信号（如非交换水信号）作为内参，实现比率分析。
- ParaCEST：使用镧系或顺磁性金属离子（如Yb³⁺, Eu³⁺）的螯合物作为探针。金属离子极大地改变了局部磁场环境，增强了CEST效应。通过分析不同条件下（如不同pH、温度）CEST效应的比值，可以实现对环境参数的精确量化。
- 优势与挑战：DiaCEST试剂通常生物安全性较高，但化学位移差异小，信号可能与水信号重叠。ParaCEST试剂灵敏度高，但合成复杂，存在潜在的金属毒性风险。
磁共振调谐成像
- 原理：MRET（Magnetic Resonance Tuning）技术利用纳米尺度上“增强剂”（通常是顺磁性T1造影剂，如Gd-DOTA）与“淬灭剂”（通常是超顺磁性T2造影剂，如Fe₃O₄）之间距离依赖性的磁相互作用来调节T1 MRI信号强度。
- 比率实现方式：当两者距离大于临界距离时，T1信号“开启”；当距离很近时，T1信号被“淬灭”或显著减弱。生物分子相互作用（如酶切、二硫键断裂）可以改变增强剂与淬灭剂之间的距离，从而引起T1信号的开关或强弱变化。通过计算刺激前后或不同条件下的T1信号比（或T1/T2信号比），可以实现对生物靶标（如酶活性、GSH浓度）的高灵敏度和特异性定量检测。
- 扩展应用——双向磁共振调谐：TmRET（Two-way MRET）技术将一对双向MRET造影剂（如T1和T2剂）共同封装在刺激响应型胶束中。在刺激下，胶束解体，T1和T2信号同时“开启”，通过计算弛豫率变化比（δR2/δR1），并结合双对比增强减影成像（DESI）技术，可以极大提高肿瘤与正常组织的对比度，实现定量分析。
双模态比率成像
- 原理：将MRI与其他成像模态（如近红外荧光、正电子发射断层扫描、计算机断层扫描、超声、光声成像）结合，构建双模态探针。
- 比率实现方式：两种模态的信号可以相互作为参考。例如，在MRI/荧光探针中，荧光信号提供分子水平的生物标志物表达信息，而MRI信号提供精确的解剖定位。计算荧光强度与MRI信号强度的比值，可以消除探针分布不均、背景自发荧光等混杂变量的影响，实现归一化和定量评估。类似地，PET-MRI中PET代谢活性信号与MRI解剖定位信号的比值，可以精确关联代谢功能与解剖位置。
- 优势：融合了不同模态的优势（如MRI的高空间分辨率与荧光/PET的高灵敏度），通过比率成像实现信号交叉验证，减少假阳性/阴性，提高诊断置信度，并提供多维度的生理病理信息。
三、 针对不同肿瘤微环境标志物的比率MRI探针类型 本文系统综述了针对TME中关键生物标志物设计的各类比率MRI探针，并总结了其成像模式（见原文Table 2）。
pH响应型比率MRI探针：肿瘤Warburg效应导致乳酸积累和TME酸化。探针利用pH敏感基团（如胺基、酰胺基）的质子交换速率随pH变化而改变的特性。
- CEST型：如Yb-DOTAM-gly、碘帕醇等，其不同交换位点的CEST效应比值与pH线性相关，可用于定量绘图。
- MRET/信号转换型：如APPAM@U-104、SPIO@SiO₂@MnO₂等。在酸性TME中，MnO₂壳层降解释放Mn²⁺，导致信号从T2加权对比转变为T1加权对比，或同时激活T1和T2信号，通过信号比变化定量监测pH。
活性氧响应型比率MRI探针：肿瘤细胞内ROS（如H₂O₂、单线态氧）水平升高。
- 案例1：Mn-卟啉/SPIO纳米平台。H₂O₂氧化锰中心导致结构重排，引起R1和R2弛豫率相反方向变化，通过计算R2/R1比值可特异性检测并定量H₂O₂，区分于其他ROS。
- 案例2：Co₃O₄-DOX纳米棱柱。在H₂O₂和酸性条件下降解，释放DOX和Co²⁺，引起MRI对比从T2向T1转变，同时恢复DOX发光，实现“Turn-on”的比率MRI/荧光双模检测。
- 案例3：Eu³⁺配合物探针。其9-蒽基团与单线态氧反应形成内过氧化物，导致CEST谱发生约3 ppm的化学位移变化，实现单线态氧的比率定量成像。
谷胱甘肽响应型比率MRI探针：肿瘤细胞内GSH水平通常异常升高。
- MRET/TmRET型：这是最主流的设计策略。探针通常利用二硫键连接T1和T2组分（如Fe₃O₄-S-S-CoFe₂O₄）或将它们共同包裹在含二硫键的胶束中（如DCM@p-Mn-SPIO）。高浓度GSH切断二硫键，增大增强剂与淬灭剂间距离，从而“开启”T1信号或同时改变T1/T2信号。通过测量δR1、δR2或计算其比值，可以与肿瘤内GSH浓度建立线性关系，实现体内定量成像。
- T2/T1信号转换型：如RANS（Mn₃O₄包覆的Fe₃O₄杂化纳米晶）、HIONPs等。在GSH作用下，探针结构发生解离或聚集，导致主导信号从T2变为T1，或T1/T2信号强度发生逆转，通过信号比变化实现肿瘤特异性成像和GSH检测。
缺氧响应型比率MRI探针：实体瘤普遍存在的缺氧微环境。
- CEST/荧光双模型：如NO₂-Eu复合物。在缺氧条件下，探针结构变化，同时激活CEST MRI信号和Eu³⁺的发光信号，通过双模态比率成像实现缺氧区域的精确检测和监测。
- MRET型：探针在缺氧环境下发生结构重组，导致氧化铁纳米颗粒聚集，从而增加R2、淬灭R1。通过监测R2/R1比值的变化，可以对缺氧程度进行定量分析。
酶响应型比率MRI探针：针对肿瘤过表达的特定酶（如MMP-2， caspase-3， furin等）。
- MRET型：这是非常有效的设计。探针将Gd-DOTA（增强剂）与超顺磁性纳米颗粒（淬灭剂）通过酶特异性可切割的多肽链（如MMP-2的底物肽PLGVR）连接。酶切导致连接断裂，增强剂与淬灭剂分离，从而恢复被淬灭的T1 MRI信号。信号增强程度（δR1）与酶活性成正比，实现了对酶活性的高灵敏度、定量可视化监测。
- 其他类型：如脂质体系统（GdF），其包含可被MMP-2切割的肽序列。通过分析切割前后可溶与不可溶形式的比例，可以比率化评估MMP-2活性。
双响应型比率MRI探针：可同时响应TME中的两种刺激（如pH/GSH、pH/H₂O₂、pH/缺氧等），提高了探针的特异性和对复杂TME的适应能力。例如，Fe₃O₄@ZIF-8-Zn-Mn NPs可同时响应酸性pH和高GSH，在肿瘤区域同时产生正T1和负T2信号。
四、 当前挑战与未来展望 文章在最后部分指出了比率MRI探针领域面临的挑战和未来的发展方向： * 挑战： 1. 灵敏度与特异性：需要进一步提高对低浓度生物标志物的检测限和区分相似分子的能力。 2. 生物相容性与毒性：特别是含金属（如镧系元素）探针的长期生物安全性需深入评估。 3. 复杂的体内行为：探针的药代动力学、代谢途径、靶向效率以及TME的复杂异质性可能影响定量准确性。 4. 信号校准与标准化：不同成像设备、序列参数下的信号比值的标准化和校准是临床转化的关键。 5. 多模态集成与数据分析：设计兼容性好、信号互不干扰的双/多模态探针，并开发复杂的图像配准和数据分析算法。 * 未来方向： 1. 探针设计的创新：开发新型、更稳定、更高弛豫率的造影剂；设计更智能、可激活、多级放大的探针系统。 2. 多模态与多功能集成：将诊断（成像）与治疗（药物递送、光热/光动力/化学动力疗法）结合，构建诊疗一体化平台。 3. 人工智能与大数据分析：利用AI进行图像处理、特征提取和模型构建，提高定量分析的自动化程度和准确性。 4. 临床转化研究：推动有前景的探针进行临床前安全性和有效性评估，并最终走向临床试验，解决实际的临床问题，如早期诊断、疗效评估、耐药性监测等。
论文的意义与价值 本综述系统性地总结了比率MRI探针在肿瘤微环境分析领域的最新进展，具有重要的学术价值和指导意义： 1. 系统性梳理：文章清晰地阐述了比率MRI探针的成像原理（CEST, MRET, 双模态）、设计范式（见原文Table 1）以及对各类TME标志物的响应策略（见原文Table 2），为研究者提供了全面的“知识地图”。 2. 指明方向：通过分析各类探针的优缺点（如灵敏度、稳定性、生物安全性），并指出当前挑战，为未来探针的优化设计和创新提供了明确思路。 3. 强调定量与精准：全文贯穿了“定量分析”和“精准诊断”的核心思想，突出了比率MRI技术相较于传统定性或半定量成像方法的优势，契合精准肿瘤学的发展需求。 4. 促进交叉融合：文章展示了化学、材料科学、生物医学工程与影像医学的深度交叉，通过纳米技术、分子探针设计和多模态成像的融合，推动着肿瘤诊断向更微观、更功能化、更定量的方向发展。 5. 临床转化桥梁：通过总结探针在肿瘤诊断、治疗监测中的应用潜力，为将先进的分子影像技术从实验室推向临床应用架设了桥梁。
这篇综述是肿瘤分子影像领域，特别是基于MRI的TME定量分析方面的一篇重要文献，对于从事相关研究的科研人员、临床医生以及学生都具有很高的参考价值。