实现高效磁共振造影剂的新途径:界面调制

超顺磁铁氧体纳米晶因其独特的磁学性质、良好的生物相容性、较大的表面以及可修饰性,在生物医学领域展现了巨大的应用价值。特别是超顺磁颗粒在外加磁场作用下被诱导产生局域磁场有效范围远大于自身的尺寸,进而强烈地影响了颗粒周围水分子中氢质子的弛豫时间,有效地缩短T2弛豫时间,使所得的T2加权像变暗(负增强),因此用其构建磁共振造影剂具有无可比拟的优势。随着肿瘤学研究的不断深入以及癌症早期诊断的应用需求,进一步增强造影剂磁共振信号,实现细胞(或分子)水平上的高分辨磁共振成像,是当前磁共振造影剂研究的重要课题之一。纳米造影剂主要由两部分组成:无机磁核和有机包覆层。一般认为,对磁共振信号增强的调制主要是通过优化磁核尺寸、结构、组分等实现,而有机表面修饰则往往是为了实现高稳定的磁流体及改进生理生化特性如提高生物相容性、构建主动靶向识别能力、增强血循环时间等。西北大学化工学院樊海明教授课题组从有机无机界面调控出发,通过调制有机包覆层结构以及其与磁核之间的相互作用,显著提高了纳米造影剂磁共振信号以及细胞吞噬量,实现了细胞磁共振成像,为开发高效磁共振成像造影剂提供了一个新的思路

该研究使用6纳米单分散的超顺磁锰铁氧体(MnFe2O4)纳米颗粒作为磁核,分别采用聚乙二醇接枝聚乙烯亚胺(mPEG-g-PEI)和聚乙二醇单甲醚(mPEG)作为表面有机包覆层,系统地研究了界面修饰对磁共振T2信号和细胞吞噬量的影响。与线性mPEG分子不同, 表面修饰mPEG-g-PEI分子可导致颗粒与水的之间形成一个具有纳米尺度网格的界面层,同时赋予颗粒表面正电性有利于细胞吞噬。研究结果表明:与mPEG修饰的纳米颗粒相比,在磁学性质没有明显变化的条件下,使用mPEG-g-PEI修饰的超顺磁锰铁氧体其磁共振信号和细胞吞噬量分别提高4和2.4倍,其中纵向弛豫率r2值为331.8 mM-1s-1,是目前所报道同尺寸磁核的超顺磁铁氧体造影剂的最高值。此外,受益于高的细胞吞噬量和磁共振信号,其磁共振细胞成像的r2值高达92.6 mM-1s-1,较报道的10纳米锰铁氧体造影剂高2.5倍。模型分析表明超高r2弛豫率主要是因为磁核周围有足够多的水分子陷入由mPEG-g-PEI分子构建的‘纳米笼’中,这一行为导致受磁核诱导局域磁场影响的水分子扩散显著减弱,从而实现了磁共振信号的有效增强。相关结果发表在Advanced Materials Interfaces上。

这项研究表明通过合理设计超顺磁铁氧体颗粒的有机包覆层,可实现高效的磁共振成像造影剂。由于其独特的有机包覆层界面结构调制的磁共振特性,不仅简化了造影剂性能优化过程,而且更具有灵活性。相关工作得到了国家自然科学基金的资助。