基于新型双模态MRI与NIR-II纳米探针实现脑肿瘤术前检测与术中可视化精准手术的研究报告

主要作者及发表信息

本研究由中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所纳米-生物界面重点实验室、纳米生物医学部及i-lab的王强斌教授（通讯作者）团队完成，第一作者为Chunyan Li、Limin Cao及Yejun Zhang。该研究成果于2015年6月8日在线发表于国际知名学术期刊《Small》（2015, 11, No. 35, 4517–4525）上。

研究背景与目的

本研究属于纳米生物医学与影像引导手术的交叉领域。脑肿瘤的完全手术切除一直是临床面临的一项严峻挑战，这主要源于其固有的浸润性生长特性，导致肿瘤边缘不规则且模糊，并与周围重要的脑血管结构紧密关联，手术中极易造成不可逆的神经损伤。因此，在术前精确界定肿瘤的轮廓以及在术中实时引导手术切除至关重要。目前临床常用的影像技术各有优劣：磁共振成像（MRI）虽可用于定位肿瘤，但存在空间分辨率低、采集和处理时间长的问题；X射线计算机断层扫描（CT）虽空间分辨率高，但对软组织对比度差；核医学成像（如PET/SPECT）灵敏度高，但涉及放射性示踪剂，对患者和操作者存在风险。更为关键的是，这些技术通常仅能提供术前诊断，无法在术中实时提供解剖结构信息，导致医生主要依靠经验判断切除边界，存在风险。荧光引导手术以其快速反馈和高灵敏度等优势成为一种新兴技术，但传统近红外一区（NIR-I, 400-950 nm）有机染料因受限于有限的穿透深度和高组织自发荧光干扰，效果不佳。近年来，第二近红外窗口（NIR-II, 1000-1700 nm）荧光成像因光子散射极大减少和组织自体荧光极低，展现出更高的成像保真度和穿透深度的巨大潜力。基于此背景，该研究旨在开发一种新型双模态纳米探针，将磁共振成像的深组织穿透优势与NIR-II荧光成像的高信噪比、高时空分辨率优势相结合，首次实现“检测与手术”一体化策略，即在一次静脉注射后，既能于术前通过MRI明确诊断脑肿瘤，又能于术中在NIR-II荧光成像的实时、高精度引导下完成肿瘤的精准切除。

研究工作流程与详细方法

该研究的工作流程主要分为四个阶段：双模态纳米探针的合成与表征、探针的生化物理性质和生物相容性评估、活体MRI术前检测脑肿瘤、以及NIR-II荧光成像引导的术中肿瘤切除。

在第一阶段，研究团队精心设计并合成了名为Gd-Ag₂S的双模态纳米探针。合成步骤包括三个关键环节：首先，沿用课题组前期方法制备了由二氢硫辛酸-聚乙二醇（DHLA-PEG-amino）包裹的单分散硫化银量子点（Ag₂S QDs）；其次，自主合成了关键连接分子DOTA-mono-N-羟基琥珀酰亚胺酯（DOTA-mono-NHS），其结构中的单个NHS酯基确保了DOTA与Ag₂S量子点通过形成酰胺键进行特异性偶联，避免了分子间交联；最后，加入六水合氯化钆，使钆离子（Gd³⁺）与连接在量子点上的DOTA螯合，成功制备出双模态Gd-Ag₂S纳米探针。研究团队对合成的探针进行了系统表征：透射电子显微镜（TEM）图像显示探针尺寸高度均一；电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测定每个Ag₂S量子点上约负载12个Gd³⁺离子；该探针在1200 nm处表现出强NIR-II荧光发射，量子产率约为15%，并具备优异的光稳定性；其在水中的纵向弛豫率（r1）高达4.9 × 10⁻³ M⁻¹s⁻¹（11.7 T磁场强度下），确保了其优异的MRI性能。

在第二阶段，研究者对探针的生化物理关键性能进行了评估。首先，高信噪比（SNR）和时空分辨率是影像引导手术的核心要求。小鼠皮下注射实验（深度约1 mm）显示，Gd-Ag₂S探针在极低的激发功率密度（30.2 mW/cm²）下即可获得高达53的信噪比，当功率密度提升至143.6 mW/cm²时，信噪比可达334，远高于传统NIR-I染料吲哚菁绿（ICG）的37。其次，细胞水平的灵敏度实验证实，少至约1000个经探针孵育的U87MG肿瘤细胞，其荧光信号即可被检出。在活体小鼠脑血管成像中，该探针实现了约24微米的空间分辨率，清晰分辨脑部微小血管结构。接着，通过实时动态成像和主成分分析，清晰追踪了探针经尾静脉注射后经肺部到全身循环的路径，并清晰识别了肝脏、肺、肾脏等深层组织器官。由于探针表面的PEG包裹，有效规避了网状内皮系统的非特异性摄取，其血液循环半衰期长达约5.5小时，这为探针通过高通透性和滞留效应（EPR效应）在肿瘤区域充分富集提供了宝贵的时间窗口。最后，为期1个月的生物分布及组织学分析（H&E染色）表明，在小鼠主要器官（脑、肝、肾、脾）中均未观察到明显的组织损伤、坏死或炎症，证明了该纳米探针具有良好的体内生物相容性。

在第三阶段，研究者在原位接种了人恶性胶质母细胞瘤（U87MG）的裸鼠模型上，利用11.7 T高场强MRI设备进行了连续的T1加权MRI。注射Gd-Ag₂S纳米探针前，肿瘤区域与周围正常脑组织无对比度差异。静脉注射3小时后，肿瘤区域即可检测到强烈的MRI信号增强，信号在约10小时达到峰值，并可持续长达30小时。这种显著增强的影像清晰勾勒出肿瘤的微血管结构，与免疫组化染色的血管内皮生长因子结果共同证实，探针的有效蓄积归因于肿瘤组织丰富和通透性增强的血管。连续的3D MRI断层扫描进一步提供了脑肿瘤的完整三维轮廓信息。

在第四阶段，研究者在明确MRI术前定位的同一小鼠模型上，实施了NIR-II荧光引导的精准切除。于手术暴露的肿瘤区域，Gd-Ag₂S探针的荧光信号呈现出极高的肿瘤-背景比（TBR）值（约11），清晰界定了肿瘤与正常组织的边界。荷瘤小鼠被随机分为两组，分别在裸眼观察和NIR-II荧光成像引导下进行肿瘤切除，并取切除后瘤床边缘1毫米的组织进行分析。通过胶原酶消化分离组织中人类肿瘤细胞和小鼠细胞，并使用特异性识别人细胞核抗原的抗体进行免疫荧光标记和流式细胞术分析。结果显示，相较于裸眼手术组约14.2%的肿瘤细胞残留率，NIR-II荧光引导手术组残留率仅为约4.5%，显著降低了切缘肿瘤细胞的残余量。

主要结果与结论

本研究成功构建了一种集MRI和NIR-II荧光成像功能于一体的新型Gd-Ag₂S双模态纳米探针。该探针凭借其优良的弛豫性能和超高的量子产率，在活体小鼠模型上成功实现了对U87MG脑肿瘤的“检测与手术”一体化策略：即在注射探针后，MRI可为术前提供高穿透深度、多参数、多层面的肿瘤精确立体定位信息；随后，凭借NIR-II荧光成像固有的高信噪比、高时空分辨率（微米级和毫秒级）和动态实时反馈能力，在术中清晰标识肿瘤边界，精准指导了外科切除，并显著减少了手术切缘的肿瘤细胞残留。此外，探针良好的生物相容性为其潜在临床转化提供了安全前提。

研究亮点与价值

本研究具有多个层面的重要价值和突出亮点。首先，在科学概念上，它首次提出了结合MRI和NIR-II成像技术用于脑肿瘤术前“检测”和术中“操作”的一体化策略，并成功通过一种纳米探针实现，为解决脑肿瘤精准切除这一临床难题提供了崭新的思路和方法。其次，在技术创新上，该方法完美融合了MRI的深部组织成像优势和NIR-II窗口荧光成像（相较于传统NIR-I）在信噪比、穿透深度和空间分辨率上的巨大优势。探针的全程动态实时成像能力和持续数十小时的肿瘤富集时间窗口，彻底克服了传统术中MRI设备昂贵、无法动态成像的局限，为外科医生提供了一个直观、动态的“可视化”手术工具。最后，该研究的应用价值不仅局限于脑肿瘤，由于该探针的靶向机制主要基于肿瘤血管的EPR效应，因此可预期在未来拓展应用于其他具有丰富血管生成特征的实体肿瘤的精准诊疗、药物筛选乃至更广泛的活体生物学事件研究中，具有广阔的临床应用前景。