锰氧化物纳米颗粒作为肿瘤多模态成像与治疗中的MRI造影剂：研究进展综述
本报告基于Xiaoxia Cai、Qingxia Zhu、Yun Zeng、Qi Zeng、Xueli Chen及Yonghua Zhan合作撰写的综述文章《Manganese oxide nanoparticles as MRI contrast agents in tumor multimodal imaging and therapy》。该文于2019年10月21日在线发表于国际期刊*International Journal of Nanomedicine*。所有作者均来自中华人民共和国陕西省西安市的西安电子科技大学生命科学技术学院分子与神经影像教育部工程研究中心。本文系统性地回顾了2013年至2019年间，各类锰氧化物纳米颗粒（MONs）作为磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）造影剂，在肿瘤诊断、多模态成像及成像引导治疗等领域的最新研究进展与应用潜力。
论文主题与背景 本综述的核心议题聚焦于锰氧化物纳米颗粒（MONs）在肿瘤诊疗一体化（Theranostics）中的前沿应用。磁共振成像是临床肿瘤检测与预后监测的关键技术，具有非侵入性、高空间分辨率、无电离辐射及优异的软组织对比度等优势。然而，MRI的灵敏度高度依赖于造影剂（Contrast Agents, CAs）的使用。传统临床广泛使用的钆基（Gd-based）T1加权造影剂存在引发肾源性系统性纤维化及脑部沉积的潜在风险。而超顺磁性氧化铁纳米颗粒（SPIONs）作为T2加权造影剂，则因其固有的暗信号（阴性对比）和易感伪影，在区分早期小肿瘤方面存在困难。相比之下，锰（Mn）作为人体必需微量元素，具有良好的生物相容性。锰离子（Mn²⁺）因其3d轨道上的五个未配对电子能产生较大的磁矩，有效缩短附近水质子的弛豫时间，从而产生明亮的T1加权阳性对比信号，被认为是理想的替代造影剂材料。
然而，游离的Mn²⁺螯合物存在血液循环时间短、高剂量下可能在大脑中蓄积导致锰中毒（表现为神经系统功能异常）等问题。因此，近年来，具有可控尺寸和更长血液循环时间的胶体锰氧化物纳米颗粒（MONs）引起了广泛关注。这些纳米颗粒主要包括氧化锰（MnO）、四氧化三锰（Mn₃O₄）、二氧化锰（MnO₂）及非化学计量或未明确标识的锰氧化物（MnOx）。特别值得关注的是，许多MONs能够对肿瘤微环境（Tumor Microenvironment, TME）中的特定刺激（如低pH、高浓度过氧化氢H₂O₂或谷胱甘肽GSH）产生响应，从而不仅增强MRI对比效果，还能通过缓解肿瘤缺氧、消耗保护性分子等方式，协同增强化疗、放疗、光热治疗（Photothermal Therapy, PTT）及光动力治疗（Photodynamic Therapy, PDT）的效果。本综述旨在系统梳理各类MONs在肿瘤MRI、双模态/多模态成像以及成像引导治疗方面的最新成就，并涵盖其表面修饰、体外体内毒性及肿瘤微环境响应性能。
主要论点阐述
论点一：氧化锰纳米颗粒在肿瘤诊断与治疗中的多功能应用 氧化锰纳米颗粒因其制备相对简单、体积小、毒性较低，被认为是良好的T1造影剂候选材料。然而，未经修饰的MnO纳米颗粒易被网状内皮系统捕获并在肝脾富集，可能引起锰离子毒性。为改善其生物相容性和性能，研究者采用了多种表面修饰策略。
在单一模式MRI成像方面，表面改性至关重要。例如，通过连接聚乙二醇化双磷酸酯树枝状大分子，可以显著提高MnO纳米颗粒的胶体稳定性、弛豫性能（R1=4.4 mM⁻¹s⁻¹）并实现通过肝胆途径的快速排泄。聚乙二醇修饰被广泛采用，它不仅提高生物相容性，还可连接靶向肽（如cRGD靶向整合素αvβ₃）或适配体（如AS1411靶向核仁素），实现对特定肿瘤细胞（如786-0肾癌细胞、A549肺癌细胞）的主动靶向成像，并延长纳米探针在肿瘤细胞的滞留时间。此外，使用多巴胺功能化PEG、羧甲基葡聚糖、聚乙烯吡咯烷酮、二氧化硅壳层等进行包覆，都能有效改善MnO的水溶性和弛豫率。研究还发现，纳米颗粒的形貌（如八面体与球形）也会影响其弛豫性能。
在双模态及多模态成像方面，MnO常与其他材料复合以整合多种成像模式的优势。1) T1-T2双模态MRI：将T1造影剂（MnO）与T2造影剂（如Fe₃O₄）结合，构建“距离依赖”的双模式造影剂。例如，将MnO负载到Fe₃O₄@介孔二氧化硅的核壳孔道中，或将其与Mn掺杂的Fe₃O₄共同负载到氧化石墨烯片上，通过控制两者间距（>20 nm）避免信号淬灭，实现了T1和T2信号的协同增强，提高了诊断准确性。2) MRI/光学成像：将MnO与近红外荧光染料（如Cy5.5）或自身具有荧光特性的配体结合，构建可用于梗死心肌、脑胶质瘤等部位精准定位的双模态探针。有研究意外发现，某些合成条件下的MnO自身具有荧光激发特性，可用于生物成像。3) 多模态成像：更复杂的结构整合了三种或以上成像模式。例如，将MnO包裹在多孔金纳米簇中，构建了可响应肿瘤微环境的MR/光声/CT三模态成像探针，实现了对肝细胞癌皮下微血管的高分辨率光声成像和整体CT成像的协同。
在成像引导的肿瘤治疗方面，MnO作为纳米诊疗平台发挥了关键作用。1) 化疗：MnO可被封装在脂质纳米粒、介孔二氧化硅等载体中，共同负载化疗药物（如阿霉素、多西他赛）。在肿瘤弱酸性环境下，MnO分解释放Mn²⁺，同时触发药物释放。释放的Mn²⁺可用于MRI实时监控药物分布和治疗效果。2) 光热治疗：将MnO与具有高近红外吸收的材料（如碳纳米管、碳纳米球、光热剂IR808）结合，构建多功能纳米诊疗剂。在近红外激光照射下，这些复合物能高效产热消融肿瘤，同时通过MnO提供的MRI对比进行引导和监控。例如，负载MnO的碳纳米管用于治疗肺癌淋巴结转移模型，显示出显著的光热疗效。
论点二：四氧化三锰纳米颗粒作为响应性MRI造影剂与诊疗剂 Mn₃O₄纳米颗粒中的锰呈现+2和+3的混合价态。尽管高价态锰的未配对电子较少可能导致有效T1弛豫较低，但Mn₃O₄在肿瘤细胞内高浓度的还原性物质（如谷胱甘肽GSH）作用下，可被还原为Mn²⁺，从而实现“氧化还原激活”的T1信号增强。这一特性使其成为设计智能响应型造影剂的理想材料。
为提升其弛豫率和生物相容性，Mn₃O₄的表面修饰策略多样。聚乙二醇、聚乙烯亚胺、聚多巴胺等聚合物包覆是最常见的方法。例如，PEG修饰的Mn₃O₄@SiO₂核壳纳米探针，结合叶酸靶向，成功用于过表达叶酸受体的人宫颈癌模型的靶向MRI。使用小分子（如柠檬酸钠、多巴胺衍生物）直接修饰疏水性纳米颗粒表面，相较于厚重的聚合物壳层，可能更有利于水分子与磁性离子的化学交换，从而获得更高的弛豫率（如R1可达11.76 mM⁻¹s⁻¹）。研究还探索了通过一步法（如液相激光烧蚀）制备无需配体的Mn₃O₄纳米颗粒，其表面可直接与水分子相互作用，显示出高弛豫率和良好的生物相容性。
Mn₃O₄在多模态成像中同样表现突出。1) T1/T2双模态MRI：研究者设计了由超顺磁性Fe₃O₄核和顺磁性Mn₃O₄壳组成的异质结构。在血液循环中，Mn₃O₄壳保护Fe₃O₄核心，造影剂处于“关闭”状态。当纳米颗粒通过增强渗透与滞留效应在肿瘤富集，并被细胞内高浓度GSH还原时，Mn₃O₄壳溶解产生大量Mn²⁺（激活T1对比），同时暴露出Fe₃O₄核心（激活T2对比），实现肿瘤微环境触发的“开启”式双模态成像，显著提高了信噪比和诊断特异性。2) PET/MRI双模态成像：将Mn₃O₄纳米颗粒进行聚乙二醇化和放射性核素标记（如⁶⁴Cu、⁸⁹Zr），并连接靶向分子（如叶酸、抗CD105抗体TRC105），可实现高灵敏度的PET成像与高分辨率的MRI成像的结合，用于肿瘤血管靶向成像和淋巴结绘图，为临床癌症检测提供了强大工具。
Mn₃O₄在成像引导治疗方面的应用主要利用其GSH响应性。研究者构建了以Mn₃O₄纳米颗粒作为“盖子”封堵载药介孔二氧化硅孔道的智能纳米诊疗系统。在正常生理环境下，药物被封闭。当系统进入肿瘤细胞的高GSH环境，Mn₃O₄被还原溶解，一方面触发化疗药物（如喜树碱、阿霉素）的释放，另一方面产生的Mn²⁺使T1 MRI信号增强，实现了治疗过程的实时监控和疗效反馈。此外，Mn₃O₄还可与石墨烯量子点、聚多巴胺等材料复合，构建用于MRI引导的光动力治疗或光热/化疗协同治疗的纳米平台。这些系统在近红外激光照射下，能产生杀伤肿瘤的活性氧或热量，同时通过MRI提供治疗指导。
论点三：二氧化锰纳米颗粒：肿瘤微环境响应的智能诊疗平台 二氧化锰纳米颗粒，特别是二维MnO₂纳米片，因其独特的理化性质成为肿瘤诊疗研究的热点。肿瘤微环境具有高GSH、高H₂O₂、低pH和缺氧等特征。MnO₂能够与GSH反应，将Mn⁴⁺还原为Mn²⁺，同时消耗细胞内用于清除活性氧的保护性GSH。此外，MnO₂还能与H₂O₂反应生成氧气（O₂），有效缓解肿瘤缺氧。这些反应产生的Mn²⁺可用于增强T1（有时也包括T2）加权MRI。因此，MnO₂是构建肿瘤微环境响应型智能诊疗剂的绝佳材料。
作为响应型MRI造影剂及GSH检测探针，MnO₂展示了“激活式”成像的优势。例如，将荧光染料标记的适配体吸附在MnO₂纳米片上，构建了双激活荧光/MRI双模态纳米探针。在没有靶细胞时，荧光被淬灭，MRI对比弱。当存在靶细胞时，适配体与靶标结合从MnO₂上解离，导致部分荧光恢复；随后纳米探针被内吞，细胞内GSH将MnO₂还原为Mn²⁺，进一步激活荧光并显著增强MRI信号（R1和R2可提高数十至数百倍）。类似地，基于MnO₂的磷光/MR双模态探针可用于体外和体内GSH浓度的定量与可视化检测，具有高灵敏度、选择性和快速响应特性。
MnO₂在成像引导的增强化疗方面潜力巨大。研究者构建了多种负载化疗药物（主要是阿霉素）的MnO₂基智能给药系统。这些系统利用MnO₂对肿瘤微环境的响应性，实现药物的按需释放，同时改善肿瘤缺氧。例如，将阿霉素负载于透明质酸和甘露聚糖修饰的MnO₂纳米颗粒中，该体系不仅能靶向肿瘤相关巨噬细胞，还能通过MnO₂与H₂O₂反应产生O₂、调节pH以缓解肿瘤缺氧，并促进巨噬细胞向抗肿瘤表型极化，从而增强化疗效果并逆转耐药性。其他工作还包括将MnO₂与白蛋白结合，利用白蛋白受体介导的靶向递送，构建可克服多药耐药的多功能诊疗平台。
在增强光动力治疗方面，MnO₂的作用至关重要。PDT的疗效受限于肿瘤缺氧和GSH对活性氧的清除。将光敏剂与MnO₂结合构建纳米平台，当纳米颗粒进入肿瘤细胞后，MnO₂壳层与内源性H₂O₂反应产生O₂，缓解缺氧；同时，MnO₂被GSH还原降解，释放的Mn²⁺增强MRI，并降低GSH水平，从而协同增强PDT疗效。许多研究成功地将MnO₂与不同光敏剂（如Ce6、HPPH、卟啉基金属有机框架）结合，实现了MRI/荧光等多模态成像引导的高效PDT。更有创新性的设计利用MnO₂催化H₂O₂产生O₂，并借助上转换纳米颗粒将近红外光转换为紫外光激活TiO₂，催化水分解产生活性氧，同时副产物超氧阴离子又可经酶促反应生成更多H₂O₂和O₂，形成一个活性氧和氧气循环放大的自补充系统，极大提升了深部肿瘤的治疗效率。
在增强光热治疗方面，研究发现超薄的二维MnO₂纳米片本身具有高达21.4%的光热转换效率，同时还具备pH和氧化还原响应的T1加权MRI能力，是天然的诊疗一体化材料。将MnO₂与其他强近红外吸收材料（如Cu₂₋ₓSe、普鲁士蓝、金纳米笼）结合，可以构建性能更强的多模态成像引导的PTT平台。为了克服PTT中热休克蛋白导致的治疗抵抗，有研究将MnO₂与热休克蛋白siRNA结合，在实施PTT的同时阻断细胞的热保护机制。此外，MnO₂基纳米平台还可用于协同治疗，如将化疗药物、光热剂与MnO₂整合，实现MRI引导的 chemo-PTT；或将MnO₂与放疗增敏剂（如WS₂）结合，利用MnO₂产氧改善缺氧，协同增强放疗和PTT效果。
论点四：非化学计量或未明确标识的锰氧化物及其他进展 当纳米材料的尺寸极小或结构复杂时，精确表征其氧化态较为困难，部分研究将其统称为MnOx。研究表明，非晶态的MnOx经聚合物（如PVP、聚丙烯酸）修饰后，其水动力性能和生物相容性可能优于晶态的MnO，且弛豫时间更短。MnOx也被用作介孔二氧化硅载药系统的“盖子”，在肿瘤微环境下响应性开启，实现T1/T2双模态MRI引导的化疗。此外，通过在MnOx基介孔二氧化硅纳米颗粒表面标记放射性核素锝-99m，成功整合了单光子发射计算机断层成像（SPECT）的高灵敏度与MRI的高空间分辨率，展示了在多模态分子影像中的应用潜力。
总结与展望 本综述系统阐述了锰氧化物纳米颗粒作为新一代MRI造影剂及纳米诊疗平台在肿瘤领域的广泛应用。通过精心设计其成分（MnO， Mn₃O₄， MnO₂， MnOx）、形貌、表面修饰及复合结构，MONs不仅能够提供优异且可调控的T1加权MRI对比，更能灵敏响应肿瘤微环境的特有信号（低pH、高GSH、高H₂O₂），实现“智能”激活的成像与治疗。这些特性使得MONs能够深度融入多模态成像（如MRI/光学/PET/CT/光声）和多种治疗模式（化疗、放疗、PTT、PDT、化学动力学治疗），真正实现诊疗一体化。
文章的研究亮点在于：首先，全面而细致地分类总结了不同种类MONs的独特性质与应用策略，揭示了材料化学性质与其生物医学功能之间的内在联系。其次，重点突出了“肿瘤微环境响应性”这一核心设计理念，展现了纳米医学从被动靶向向主动智能响应发展的趋势。第三，涵盖了从体外性能表征、细胞实验到动物模型验证的完整研究链条，并对生物分布、体内毒性及代谢途径给予了关注，体现了向临床转化所需的全面考量。
该综述的价值在于为从事纳米医学、分子影像学和肿瘤治疗的研究人员提供了关于锰基纳米材料的系统性知识更新和前沿方向指引。它指出，未来的研究将继续致力于优化MONs的弛豫效率、靶向特异性、生物安全性以及规模化制备工艺，并进一步探索其在联合疗法、免疫治疗协同以及临床转化中的巨大潜力。随着对这些多功能纳米平台理解的不断深入，锰氧化物纳米颗粒有望为精准肿瘤医学的发展做出重要贡献。