分子对比剂磁共振成像在炎症性肠病中的应用研究进展

2020-01-08骆逸凡许茂盛

浙江医学 2020年8期

骆逸凡许茂盛

炎症性肠病（inflammatory bowel disease，IBD）是慢性、可反复发作的肠道炎性疾病，包括克罗恩病（Crohn’s disease，CD）与溃疡性结肠炎（ulcerative colitis，UC）。近年来，IBD的发病率在世界各个地区呈现不断增加的趋势[1-2]。影像学检查特别是增强MRI有较高的软组织分辨力和丰富的成像序列，有助于早期诊断IBD和评估疾病活动情况，并且其无电离辐射，适合随访[3]，在IBD的诊断中有重要价值。临床上IBD患者的增强MRI检查常用含钆顺磁性对比剂，其特点是安全、增强效果好。但钆剂分子量较小易被肾脏代谢，成像时间窗较短，且其具有亲水性，难以穿透细胞膜，无法利用肠道特有的吸收功能直接给药[4-5]。

随着纳米技术的发展，分子对比剂被开发应用于靶向成像。大多数分子对比剂通过巨噬细胞的吞噬作用而起到被动靶向效果，主要用于与巨噬细胞异常相关的心血管和神经系统炎症。主动靶向探针通过细胞特异性摄取来追踪病灶，主要用于癌症和心血管疾病[6]。巨噬细胞异常增生也存在于炎症肠道中，加上炎症部位的黏膜屏障受损，肠壁通透性增加，为分子对比剂在肠道中的应用提供了理论基础[7]。本文就分子对比剂MRI在IBD中的应用研究进展作一综述，介绍分子影像学在早期诊断和定量评估IBD炎症活动度的优势和特点以及未来临床转化的可能性。

1 分子对比剂吸收机制

白细胞通常在炎症反应时大量聚集，因此它们的迁移可以通过分子对比剂进行追踪。菌群的变化或微生物清除过程的缺陷可能导致肠道菌群失调和促炎过程的激活[8]。树突状细胞与幼稚T细胞（Th0）相互作用，在CD中Th0激活后分化为辅助性T细胞1（Th1）与Th17，在UC中分化为Th2与自然杀伤T细胞，他们可以生成多种干扰素、白细胞介素等细胞因子参与免疫反应。受刺激的肠上皮细胞可分泌细胞间黏附分子-1（intercellular cell adhesion molecule-1，ICAM-1）招募单核细胞参与炎症反应[9]。

大部分对比剂只能通过静脉注射给药，但固体脂质纳米粒（solid lipid nanoparticles，SLNs）具备肠道吸收的特性，因此可口服给药。淋巴滤泡上的M细胞和Peyer’s集合淋巴结可能是SLNs从肠黏膜吸收的主要途径，约70%被吸收的SLNs通过淋巴循环进入循环系统，其余部分可能通过毛细血管或肠上皮细胞旁路途径直接进入血液循环[10]。SLNs口服给药时胃吸收仅占不到5%，大部分通过小肠被吸收[11]。约50%的SLNs可直接通过肠黏膜或细胞间隙吸收，且在一定浓度内呈线性相关[10]。在病理状态下SLNs的吸收有所不同，Wu等[12]研究结果表明在二甲基乙内酰脲（dimethyl hydantoin，DMH）处理的小鼠中，SLNs主要在肠黏膜受损的肠段中被直接吸收进入黏膜下毛细血管网，这可能与细胞紧密连接蛋白-1（zonula occludens-1，ZO-1）在炎症状态下受损、从而导致细胞连接扩张和渗透性增加有关[7]。通过淋巴运输SLNs可以避免静脉给药的肝脏首过效应，增加负载药物吸收、提高疗效。

也有学者对SLNs的吸收机制提出了不同观点。Hu等[13]的研究表明，使用水淬近红外荧光探针很难检测到肠上皮细胞中的SLNs复合物。Chen等[14]的实验中则发现SLNs负载的药物可以通过上皮细胞进入肠毛细血管，而载体主要滞留在细胞内。但不同材料的表面修饰以及制造工艺可能会影响SLNs的特性。有更多的动物实验证实SLNs可以大幅度提高肠上皮细胞对负载药物的摄取和转运效率[15]。

Perera 等[16]利用聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）对纳米材料（nanoparticles，NPs）表面进行修饰，从而达到药物缓释效果。无论是动物实验[17]还是临床研究[18]，均发现经PEG修饰的药物更倾向于沉积病变部位，这可能与炎症期间肠黏膜的异常状态有关。此外，普鲁士蓝也可以用来增强药物的渗透性[19]。

2 分子对比剂选择

目前用于MRI的分子对比剂主要有磁性纳米颗粒（magnetic nanoparticles，MNPs）、钆相关分子探针和全氟化碳（perfluorocarbon，PFC）乳剂。在定量分析上，信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）被广泛运用[20-22]，IBD 中评估SNR的计算方法是将肠壁的平均强化程度信号强度除以背景信号的标准差[23]，与肠道同层面的肌肉或肝脏可被选取作为背景信号参照。

2.1 MNPsMNPs是一种以铁氧化物为核心的NPs，其弛豫度较高，对局部磁场的影响更强[24]。MNPs包括超顺磁氧化铁（superparamagnetic iron oxide，SPIO）和超微超顺磁氧化铁颗粒（ultra-small superparamagnetic iron oxide particles，USPIO）。SPIO 是一种直径＞20nm，以 Fe3O4或Fe2O3为核心的NPs，如铁羧葡胺（Ferucarbotran）、菲立磁（Ferumoxides）。SPIO在肝脏和脾脏中被网状内皮细胞摄取，而USPIO因为直径＜20nm可以进入淋巴循环和骨髓[24]，如 SHU555C（商业名：Supravist）。根据核心磁性物质、材料直径的不同，MNPs可分为T1和T2加权对比剂[25]。SPIO属于T2加权对比剂，而USPIO具有更强的T1效应，这使USPIO更适合于诊断应用，另一方面USPIO能够通过循环系统进入结肠网状内皮系统[21]。但对比剂局部浓度过高时可导致信号失真影响诊断[21]。

Frericks等[21]给予二硝基苯磺酸（2,4-dinitrobenzene sulfonic acid，DNBS）诱导的结肠炎Lewis大鼠SHU555C，在2.4T MRI设备中观察到了活动性炎症的肠壁T1WI信号明显增高并可以进行定量分析。Wu等[26]在小鼠建模时用葡聚糖硫酸钠（dextran sodium sulfate，DSS）诱导的肠道炎症，在2.4T MRI设备中应用T1加权黑血成像序列，观察到给予对比剂Ferumoxides后肠壁T1WI信号降低程度与炎症程度正相关。Calle等[27]使用了同时负载具有超顺磁性的Nanotex与抗炎药ω-3脂肪酸乙酯的NPs，用DSS诱导小鼠结肠炎，观察到实验组较对照组不仅肠壁增厚程度降低，而且增强扫描信号强化程度也大幅度降低，达到了诊疗一体化作用。

MNPs对肠道的作用可以通过普鲁士蓝染色在组织学上确认肠道上皮细胞中对比剂是否被吸收。

2.2 钆相关NPs 钆相关NPs不存在磁化率伪影，它的载体通常为蛋白质、树突状物质或脂质体。钆相关NPs直径通常在50到1 000nm之间，具有生物相容性高、生物降解性好和易被消化道吸收的特点[10]。

Sun等[20]使用了同时负载钆喷酸葡胺与异硫氰酸荧光素（fluorescein isothiocyante，FITC）的 SLNs，通过灌肠给药，观察到造模小鼠受累肠壁强化程度显著高于对照组，证明了SLNs为载体的分子材料可被肠壁病灶特异性吸收，该现象通过FITC在组织学上的荧光显像得到确认。

2.3 PFC19F具有核磁高敏感性，用19F标记细胞可在MRI中用于追踪细胞迁移。相比金属离子对比剂PFC无生物毒性，并已运用于临床。Shin等[22]使用含19F的PFC乳剂对巨噬细胞进行体外标记并回输，通过11.7T MRI的弛豫增强快速采集（rapid acquisition with refocused echoes，RARE）序列与Paravision软件将19F信号施加伪彩与1H信号结合，根据巨噬细胞的迁徙分布定位、定量评估炎症情况。

3 成像优化

在IBD动物建模中，DSS无特异性诱导肠道炎症；而 2,4,6-三硝基苯磺酸（2，4，6-trinitrobenzene sulfonic acid，TNBS）和DNBS可通过局部给药诱导局限性结直肠炎症。因此，TNBS和DNBS的建模动物为观察同一节段正常组织和炎症肠组织的差异提供了机会。

大多数研究采用5～8周的小鼠，这个年龄段的小鼠对炎症诱导更敏感。急性IBD模型适用于研究肠黏膜屏障短期变化和固有免疫反应，慢性IBD模型适用于探究适应性免疫反应、肿瘤形成和纤维组织增生[28]。大鼠及兔因体型优势更易获得高质量的成像效果，小鼠若使用合适的线圈亦能在临床3.0T MRI中获得清晰的肠道成像[12，20]。

肠道蠕动和肠腔内气体可引起非特异性低信号伪影，影响SPIO在肠道疾病诊断中的应用。Wu等[26]给予小鼠MnCl2口服显示肠道轮廓，使SPIO能够区分肠壁和肠腔，MnCl2的安全性已通过美国食品药品监督管理局的认证。

有研究提出液体衰减反转恢复（fluid attenuated inversion recovery，FLAIR）序列对低浓度钆成像更敏感[29]。Wu等[12]在研究中使用临床1.5T MRI设备与FLAIR序列，采集到了清晰的小鼠肠道图像。

4 局限性与未来展望

IBD的MRI分子成像研究仍存在一定的局限性：（1）当前研究仍限于动物实验阶段，需要进一步探索MRI分子成像在临床诊断IBD方面的优势；（2）动物实验中动物数量不多；（3）MRI分子成像灵敏度为微摩尔级，与正电子发射断层成像（positron emission computed tomography，PET）的皮摩尔级存在差距。

未来随着分子生物学、纳米材料学、生物工程技术的发展以及MRI序列的优化，MRI分子成像的灵敏度不断提高，使用分子对比剂的MRI将适用于IBD的临床诊断和评价。且NPs可同时负载对比剂与药物从而达到诊疗一体化，已有研究使用体内成像系统或MRI在动物实验中实现了这一目标[15，30]。NPs作为载体时的优势还在于部分情况下可通过口服给药，相比静脉注射给药可减少不良反应。