Magnetic nanoparticles in MR imaging and drug delivery

1、Magnetic nanoparticles in MR imaging and drug delivery李凱D201577434 1. Introduction 2. Magnetic nanoparticles . 3. Surface coatings and functionalization 4. Pharmacokinetics and biodistribution 5. MR imaging 6. Drug delivery 7. Conclusions2. Magnetic nanoparticles Magnetic nanoparticles Magnetic prop

2、ertiesIron oxide nanoparticlesMetallic nanoparticlesBimetallic nanoparticles2. Magnetic nanoparticles 2.1. Magnetic properties 定義材料在磁場作用下，磁化強度M與磁場強度H的比值為磁化率： =M/H 對于抗磁性物質(zhì)，磁矩(m=iSn)對磁場強度反向平行，磁化率為 (-10-6到-10-3 ) 對于超順磁性物質(zhì)，磁矩對磁場強度正向平行，磁化率為(10-6到10-3 ) 超順磁性（sup：如果磁性材料是一單疇顆粒的集合體，對于每一個顆粒而言，由于磁性原子或離子之間的交換作用

3、很強，磁矩之間將平行取向，而且磁矩取向在由磁晶各向異性所決定的易磁化方向上，但是顆粒之間由于易磁化方向不同，磁矩的取向也就不同?，F(xiàn)今，如果進一步減小顆粒的尺寸即體積，因為總的磁晶各向異性能正比于K1V，熱擾動能正比于kT（K1是磁晶各向異性常數(shù)，V是顆粒體積，k是玻爾茲曼常數(shù)，T是樣品的絕對溫度），顆粒體積減小到某一數(shù)值時，熱擾動能將與總的磁晶各向異性能相當(dāng)，這樣，顆粒內(nèi)的磁矩方向就可能隨著時間的推移，整體保持平行地在一個易磁化方向和另一個易磁化方向之間反復(fù)變化。從單疇顆粒集合體看，不同顆粒的磁矩取向每時每刻都在變換方向，這種磁性的特點和正常順磁性的情況很相似，但是也不盡相同。因為在正常順磁體

4、中，每個原子或離子的磁矩只有幾個玻爾磁子，但是對于直徑5nm的特定球形顆粒集合體而言，每個顆?？赡馨?000個以上的原子，顆粒的總磁矩有可能大于10000個玻爾磁子。所以把單疇顆粒集合體的這種磁性稱為超順磁性。2. Magnetic nanoparticles 2.2. Iron oxide nanoparticles 膠體鐵氧化物納米顆粒（SPIO and USPIO）多應(yīng)用在生物醫(yī)藥中： 生物相容性； 生物可降解性； 磁性； 容易合成。2. Magnetic nanoparticles 2.2. Iron oxide nanoparticles磁性納米顆粒合成方法：1.濕化學(xué)方法：狹義

5、，共沉淀法；廣義，有液相參加的、通過化學(xué)反應(yīng)來制備材料的方法統(tǒng)稱為濕化學(xué)法，如化學(xué)液相沉積（CBD）、電化學(xué)沉積（電鍍）、溶膠凝膠等；2.激光熱解法（laser pyrolysis）；3.氣相沉積法（vapor deposition）；4.高溫合成法（high-temperature decomposition）（Sun et al.43 S.H. Sun, H. Zeng, D.B. Robinson, S. Raoux, P.M. Rice, S.X. Wang, G.X. Li,Monodisperse MFe2O4(M= Fe, Co, Mn) nanoparticles, Journ

6、al of the American Chemical Society 126 (2004) 273279.）2. Magnetic nanoparticles 2.2. Iron oxide nanoparticles 提高磁性的應(yīng)用：分子顯像 44 J.H. Lee, Y.M. Huh, Y.W. Jun, J.W. Seo, J.T. Jang, H.T. Song, S. Kim, E.J. Cho, H.G. Yoon,J.S. Suh, J. Cheon, Artificially engineered magnetic nanoparticles for ultrasensiti

7、ve molecular imaging, Natural Medicines 13 (2007) 9599. 46 G. Baldi, D. Bonacchi, M.C. Franchini, D. Gentili, G. Lorenzi, A. Ricci, C. Ravagli,Synthesis and coating of cobalt ferrite nanoparticles: afirst step toward the obtainment of new magnetic nanocarriers, Langmuir 23 (2007) 40264028. 47 S. Ran

8、a, A. Gallo, R.S. Srivastava, R.D.K. Misra, On the suitability of nanocrystalline ferrites as a magnetic carrier for drug delivery: functionalization, conjugation and drug release kinetics, Acta Biomaterialia 3 (2007) 233242.2. Magnetic nanoparticles 2.3. Metallic nanoparticles 金屬磁性納米顆粒主要由鐵，鈷，鎳組成，缺點

9、是化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，容易在水和氧氣存在時形成氧化物。常用的保護手段是形成核-殼結(jié)構(gòu)。 48 D.L. Huber, Synthesis, properties, and applications of iron nanoparticles, Small 1(2005) 482501. 49 S. Peng, C. Wang, J. Xie, S. Sun, Synthesis and stabilization of monodisperse Fe nanoparticles, Journal of the American Chemical Society 128 (2006) 1067610

10、677. 50 Y. Qiang, J. Antony, A. Sharma, J. Nutting, D. Sikes, D. Meyer, Iron/iron oxide coreshell nanoclusters for biomedical applications, Journal of Nanoparticle Research 8(2006) 489496.2. Magnetic nanoparticles 2.4. Bimetallic nanoparticles 雙金屬納米顆粒 鐵鉑合金: 跟單一成分的金屬納米顆粒相比，合金納米顆粒的化學(xué)穩(wěn)定性更好，而且這些磁性納米顆粒的表

11、面可以連接氨基或羧基類表面活性劑，可以提高他們在水溶液中的溶解性。 Hong et al.52;Sun et al.53; Gao et al. 54,55;56;57. 鐵鈷合金: Bai and Wang59; Seo et al.60.3. Surface coatings and functionalizationSurface coatings and functionalizationPolymeric coatingsLiposomes and micellesCoreshell structuresFunctional ligands3. Surface coatings an

12、d functionalization3. Surface coatings and functionalization3.1. Polymeric coatings 由于超順磁性，磁性納米顆粒有形成聚集體的趨勢。膠體的靜電穩(wěn)定性提高了納米顆粒表面電荷的排斥作用，但無法阻止其在生物溶液中的凝聚（由于生物溶液中鹽或電解質(zhì)會中和納米顆粒表面的電荷）。 聚合物可以通過制造空間位阻阻止磁性納米顆粒聚集，防止調(diào)理素作用，這些包被物通過表面電荷和化學(xué)功能化來改善MNP的性質(zhì)。聚合物影響MNP的方面有：1.聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)（疏水/親水性，生物降解性）；2.聚合物的分子量或分子長度；3.聚合物固定的方式（離子

13、交換，共價）；4.聚合物的構(gòu)成；5.聚合物的表面粒子覆蓋程度。3. Surface coatings and functionalization3.1. Polymeric coatings MNP包被聚合物舉例： 1.多糖右旋糖苷 Weissleder and co-workers:MION42,CLIO68. 2.PEG PEG可以用來減少巨噬細胞對納米顆粒的攝入，并延長納米顆粒在體內(nèi)的血液循環(huán)時間，連接PEG到MNP表面的方法有： 在氧化物表面接枝；MNP表面的聚合作用;溶膠-凝膠法修飾。 Kohler et al. bifunctional PEG silanes18,19,76,77

14、 Lee et al. a protein resistant poly(TMSMA-rPEGMA) copolymer comprised of silane anchoring groups and PEGbranches783. Surface coatings and functionalization3.1. Polymeric coatings “one-pot”synthesis methods 一步合成法相對于多步表面修飾的優(yōu)勢是：減少納米顆粒聚集；減少處理程序。但是在納米晶體成核的過程中加入聚合物對晶體的結(jié)構(gòu)和MNP的形態(tài)有明顯的影響。 Lee et al.8384853.

15、Surface coatings and functionalization3.2. Liposomes and micelles 脂質(zhì)體作為藥物載體的優(yōu)勢是它們在體內(nèi)的行為已經(jīng)被確認，比如PEG化導(dǎo)致較長的血液循環(huán)時間，與此同時PEG還能包埋大量的MNP核并將它們傳送到靶位，同時還能避免MNP的稀釋。耦連治療劑增強了這些傳遞工具的多功能性。 多功能膠束耦連兩親嵌段共聚物也有類似的應(yīng)用。 Martina et al.89磁流體負載脂質(zhì)體（MFLs）。3. Surface coatings and functionalization3.3. Coreshell structures 核-殼結(jié)構(gòu)的

16、殼可以能夠保護磁性核心防止化學(xué)降解，阻止可能的化學(xué)毒性物質(zhì)的釋放。用于MRI顯影劑和藥物傳遞載體。 保護層材料： SiO2：水相條件下穩(wěn)定，合成方便；Ma et al.93 金:化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，易在自己表面通過烷硫醇形成自組裝單層膜（SAMs），同時化學(xué)惰性也導(dǎo)致很難在MNP表面形成金殼。 最新合成方法有：反向微乳液法；綜合濕化學(xué)法；激光輻射法。 MNP異質(zhì)二聚體（Fig.1E）3. Surface coatings and functionalization3.4. Functional ligandsMNP上連接的配體有：靶向試劑；滲透促進劑；光染料（熒光素）；治療劑。應(yīng)用：光學(xué)成像試劑3.

17、 Surface coatings and functionalization3.4. Functional ligandsVeiseh et al19蝎氯毒素氧化鐵納米顆粒耦連Cy5.5染料：A.大鼠心肌細胞;B.9L膠質(zhì)瘤細胞；C核磁仿真圖像。 菁染料是性能優(yōu)良的熒光標(biāo)記染料，摩爾吸光系數(shù)在熒光染料中是最高的，其琥珀酰亞胺酯是最常用的脂肪氨基標(biāo)記試劑，廣泛用于蛋白、抗體、核酸及其他生物分子的標(biāo)記和檢測。通過改變次甲基鏈的長度, 可改變其熒光發(fā)射波長，每增加一個雙鍵，按照Huoffman 規(guī)則正好紅移約100nm。菁染料Cy3 和Cy5 已成為基因芯片的首選熒光標(biāo)記物; 另外,Cy5, Cy

18、5.5 和Cy7 的吸收在近紅外區(qū)背景非常低，是熒光強度最高、最穩(wěn)定的長波長染料。4. Pharmacokinetics and biodistributionPharmacokinetics and biodistributionBlood half-lifePassive targetingActive targetingIntracellular delivery and controlled releaseBiodistribution and clearance4. Pharmacokinetics and biodistribution4.1. Blood half-life MN

19、P作為藥物載體應(yīng)該能避免被網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)(RES)攝入，這是實現(xiàn)長半血周期的關(guān)鍵。 MNP的尺寸，形狀，表面親和性，表面電荷Papisov et al.113都對延長半血周期起重要作用。 當(dāng)顆粒大于200nm時易被脾臟中的吞噬細胞隔離，小于5.5nm時能快速通過腎清除。逃過過濾的細胞會被庫普弗細胞和其它組織中的巨噬細胞清除。（調(diào)理作用（opsonization）又稱調(diào)理素作用，是指抗體、補體與吞噬細胞表面結(jié)合，促進吞噬細胞吞噬細菌等顆粒性抗原的作用。）4. Pharmacokinetics and biodistribution4.2. Passive targeting EPR效應(yīng)，即實體瘤的

20、高通透性和滯留效應(yīng)(enhanced permeability and retention effect)指的是，相對于正常組織，某些尺寸的分子或顆粒更趨向于聚集在腫瘤組織的性質(zhì)。 正常組織中的微血管內(nèi)皮間隙致密、結(jié)構(gòu)完整，大分子和脂質(zhì)顆粒不易透過血管壁，而實體瘤組織中血管豐富、血管壁間隙較寬、結(jié)構(gòu)完整性差，淋巴回流缺失，造成大分子類物質(zhì)和脂質(zhì)顆粒具有選擇性高通透性和滯留性，這種現(xiàn)象被稱作實體瘤組織的高通透性和滯留效應(yīng)，簡稱EPR效應(yīng)。 EPR效應(yīng)促進了大分子類物質(zhì)在腫瘤組織的選擇性分布，可以增加藥效并減少系統(tǒng)副作用。 實現(xiàn)被動靶向的顆粒直徑是10-500nm。 被動靶向也可以通過網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)

21、的固有間隙發(fā)生。liver imaging1164. Pharmacokinetics and biodistribution4.3. Active targeting 主動靶向技術(shù)可以提高藥物在腫瘤組織中的滯留時間。靶向耦聯(lián)劑包括蛋白質(zhì)，多肽， 寡核苷酸適配子和小分子。 單克隆抗體（mAbs），Huh et al.131 單克隆抗體的一個缺點是其較大的尺寸和固有免疫原性，這會導(dǎo)致納米顆粒很難通過生物屏障。另一個研究領(lǐng)域是MNP的靶向受體在腫瘤新生血管中的過表達。新生血管有可能是腫瘤組織的重要組成部分，而且對于瘤形成具有高度特異性134。新血管形成標(biāo)志物包括V3整合素，血管內(nèi)皮生長因子(VEG

22、F)，細胞表面核仁素，硫酸肝素。靶向試劑如Arg-Gly-Asp (RGD)對V3整合素有高度親和性。Reddy et al.140 氯毒素（ Chlorotoxin，CTX ），對神經(jīng)外胚層腫瘤來說是一個有效的靶向試劑。 短肽和小分子作為靶向試劑。76,1484. Pharmacokinetics and biodistribution4.3. Active targeting4. Pharmacokinetics and biodistribution4.4. Intracellular delivery and controlled release MNP在藥物傳遞中的必要一步是其在細胞

23、間的傳遞和隨后這些藥物向細胞質(zhì)的釋放。其中描述納米顆粒攝入細胞的機制包括：受體介導(dǎo)的內(nèi)吞61和質(zhì)膜微囊結(jié)構(gòu)的內(nèi)化149。納米顆粒的大小和表面性質(zhì)對其在質(zhì)膜間的傳遞起關(guān)鍵作用。磁性納米顆粒小于50nm或包被親脂性聚合物的能夠有效地擴散通過細胞膜。還有滲透增強劑如Tat肽也可以連接到MNP上幫助其傳輸?shù)郊毎|(zhì)中。 Koch et al.153 Tat-labeled CLIO MNPs MNP的另一個挑戰(zhàn)是如何釋放耦連的藥物到指定的亞細胞器結(jié)構(gòu)如細胞核，線粒體。分離MNP和藥物的物質(zhì)有溶酶體（適合穩(wěn)定的藥物）；蛋白質(zhì)/多肽，寡核苷酸（容易嚴重受損）；內(nèi)涵體釋放的方式有使用對pH，滲透性和酶活敏感的

24、剪切接頭；陽離子聚合物可以誘導(dǎo)滲透膨脹或“質(zhì)子海綿”效應(yīng)。4. Pharmacokinetics and biodistribution4.5. Biodistribution and clearance 如何使MNP在體內(nèi)保持較長時間是一個重大問題，MNP的物理性質(zhì)的研究可以解釋其在體內(nèi)的一些行為，但并沒有通用的標(biāo)準來預(yù)測。清除的機制明顯地依賴于MNP的多種結(jié)構(gòu)。鍍金殼的鐵鉑合金核殼結(jié)構(gòu)MNP與包裹脂質(zhì)體的鐵氧化物納米顆粒有明顯的區(qū)別（代謝，清除，毒性反應(yīng)）。5. MR imaging MR imagingMagnetic properties and MRI contrast enhanc

25、ementApplicationsCancer imagingCardiovascular disease imagingMolecular imaging5. MR imaging 5.1. Magnetic properties and MRI contrast enhancement 磁共振現(xiàn)象微觀領(lǐng)域中的核子都有自旋的特性。核子的自旋產(chǎn)生小磁矩，類似于 小磁棒。質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)至少有一個為奇教的大量原子核可在靜磁場中體現(xiàn)出宏觀磁化 來，其磁化矢量與靜磁場同向。而每單個原子核在靜磁場中做著不停的進動運動（一方面不 斷自旋，同時以靜磁場為軸做圓周運動），進動頻率(precession fre

26、quency)（即質(zhì)子每秒進動的次數(shù)）為(00一/Bo，7為原子核的旋磁比(對于每一種原子核，7是一個常數(shù)且各不相同，如氫質(zhì)子7值為42. 5MHz/T)，Bo為靜磁場的場強大小。人體含有占比重70%以上的水，又由于氫質(zhì)子磁矩不為零，這些水中的氫質(zhì)子是磁共振信號的主要來源，其余信號來自脂肪、 蛋白質(zhì)和其他化合物中的氫質(zhì)子。 對靜磁場中的質(zhì)子群沿著垂直于靜磁場的方向施加某一特定頻率的電磁波其頻率在聲波范圍內(nèi)，故稱為射頻(radio frequency，RF)-原來的宏觀磁化就會以射頻場為軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)（章動），其偏轉(zhuǎn)角度取決于射頻場的施加時間、射頻強度和射頻波形。當(dāng)然，一個關(guān)鍵條件是：射頻的頻率必須

27、與靜磁場中的質(zhì)子的進動頻率一致。宏觀磁化發(fā)生章動的實質(zhì)是質(zhì)子群中一部分質(zhì)子吸收了射頻的能量，使自己從低能級躍遷到了高能級。這種現(xiàn)象即稱為原子核的磁共振現(xiàn)象。如果將此時的宏觀磁化進行二維分解，會發(fā)現(xiàn)射頻激勵的效果是使沿靜磁場方向的磁化矢量（縱向磁化）減小，而垂直于靜磁場方向的磁化（橫向磁化）增 大了。RF脈沖有使進動的質(zhì)子同步化的效應(yīng)，質(zhì)子同一時間指向同一方向，處于所謂“同相”，其磁化矢量在該方向上疊加起來，即橫向磁化增大。使質(zhì)子進動角度增大至90。的RF脈沖稱為90。脈沖，此時縱向磁化矢量消失，只有橫向磁化矢量。同樣還有其他角度的RF脈沖。質(zhì)子的進動角度受RF脈沖強度和脈沖持續(xù)時間影響，強度越

28、強、持續(xù)時間越長，質(zhì) 子的進動角度越大，且強RF脈沖比弱RF脈沖引起履子進動角度改變得要快。 弛豫及弛豫時間短暫的射頻激勵（一般為幾十微秒）以后，宏觀磁化要恢復(fù)到原始的靜態(tài)。從激勵態(tài)恢復(fù)到靜態(tài)要經(jīng)歷一個與激勵過程相反的兩個分過程，一個是橫向磁化逐漸減小的過程（即為橫向弛豫過程，T2過程）；另一個是縱向磁化逐漸增大的過程 （縱向弛豫過程，T1過程）?？v向弛豫過程的本質(zhì)是激勵過程吸收了射頻能量的那些質(zhì)子釋放能量返回到基態(tài)的過程。能量釋放的有效程度與質(zhì)子所在分子大小有關(guān)，分子過大或很小，能量釋放將越慢，弛豫需要的時間就越長。如水中的質(zhì)子，0. 5T場強下弛豫時間4000毫秒；分子結(jié)構(gòu)處于中等大小，能

29、量釋放就很快，T1就短，如脂肪內(nèi)的質(zhì)子，0.5T場強下弛豫時間僅為260毫秒左右。橫向弛豫過程的本質(zhì)是激勵過程使質(zhì)子進動相位的一致性逐漸散相（即逐漸失去相位一致性）的過程，其散相的有效程度與質(zhì)子所處的周圍分子結(jié)構(gòu)的均勻性有關(guān)，分子結(jié)構(gòu)越均勻，散相效果越差，橫向磁化減小的越慢，需要的橫向弛豫時間(T2)就越長；反之，分子結(jié)構(gòu)越不均勻，散相效果越妤，橫向磁化減小越快，T2就越短。5. MR imaging 5.2. Applications 1.癌癥成像： 肝腫瘤的臨床成像和轉(zhuǎn)移（SPIO,USPIO）； 腦腫瘤邊界的確定和腫瘤體積定量（USPIO）； 腫瘤檢測和定位（主動靶向MNP）。 2.心血

30、管疾病成像:Kelly et al.176 3.分子成像:細胞遷移180；細胞凋亡檢測181；酶活成像155,156,1825. MR imaging 5.2. Applications 1.癌癥成像： 腫瘤檢測和定位（主動靶向MNP）6. Drug delivery Drug deliveryMagnetic drug targeting (MDT)Targeting multifunctional carriersTherapeutic agentsConventional chemotherapeutic agentsProteins and peptidesDNA and siRNA6

31、. Drug delivery 6.1. Magnetic drug targeting (MDT) 大多數(shù)化學(xué)藥物的缺點是其相對非特異性和對健康組織的副反應(yīng)。磁性靶向藥物克服了這個問題。主要步驟包括： 1.細胞毒性藥物生物耦連到MNP上； 2.靜脈注射； 3.外部磁場控制磁性靶向藥物到發(fā)病部位； 4.藥物從MDT上釋放。 影響參數(shù)有：負載藥物的MNP的物理化學(xué)性質(zhì)；磁場強度和幾何結(jié)構(gòu)；靶向組織的深度；血液流速；維管聯(lián)結(jié)。6. Drug delivery 6.2. Targeting multifunctional carriers 靶向試劑連接到MNP上可以提高納米顆粒在疾病組織中的特異性累積。MNP的一個優(yōu)勢是其較高的比表面積可以在單個顆粒上負