Magnetic nanoparticles in MR imaging and drug delivery

1、Magnetic nanoparticles in MR imaging and drug delivery李凯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 定义材料在磁场作用下，磁化强度M与磁场强度H的比值为磁化率： =M/H 对于抗磁性物质，磁矩(m=iSn)对磁场强度反向平行，磁化率为 (-10-6到-10-3 ) 对于超顺磁性物质，磁矩对磁场强度正向平行，磁化率为(10-6到10-3 ) 超顺磁性（sup：如果磁性材料是一单畴颗粒的集合体，对于每一个颗粒而言，由于磁性原子或离子之间的交换作用

3、很强，磁矩之间将平行取向，而且磁矩取向在由磁晶各向异性所决定的易磁化方向上，但是颗粒之间由于易磁化方向不同，磁矩的取向也就不同。现今，如果进一步减小颗粒的尺寸即体积，因为总的磁晶各向异性能正比于K1V，热扰动能正比于kT（K1是磁晶各向异性常数，V是颗粒体积，k是玻尔兹曼常数，T是样品的绝对温度），颗粒体积减小到某一数值时，热扰动能将与总的磁晶各向异性能相当，这样，颗粒内的磁矩方向就可能随着时间的推移，整体保持平行地在一个易磁化方向和另一个易磁化方向之间反复变化。从单畴颗粒集合体看，不同颗粒的磁矩取向每时每刻都在变换方向，这种磁性的特点和正常顺磁性的情况很相似，但是也不尽相同。因为在正常顺磁体

4、中，每个原子或离子的磁矩只有几个玻尔磁子，但是对于直径5nm的特定球形颗粒集合体而言，每个颗粒可能包含了5000个以上的原子，颗粒的总磁矩有可能大于10000个玻尔磁子。所以把单畴颗粒集合体的这种磁性称为超顺磁性。2. Magnetic nanoparticles 2.2. Iron oxide nanoparticles 胶体铁氧化物纳米颗粒（SPIO and USPIO）多应用在生物医药中： 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磁性纳米颗粒合成方法：1.湿化学方法：狭义

5、，共沉淀法；广义，有液相参加的、通过化学反应来制备材料的方法统称为湿化学法，如化学液相沉积（CBD）、电化学沉积（电镀）、溶胶凝胶等；2.激光热解法（laser pyrolysis）；3.气相沉积法（vapor deposition）；4.高温合成法（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 提高磁性的应用：分子显像 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 金属磁性纳米颗粒主要由铁，钴，镍组成，缺点

9、是化学性质不稳定，容易在水和氧气存在时形成氧化物。常用的保护手段是形成核-壳结构。 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 双金属纳米颗粒 铁铂合金: 跟单一成分的金属纳米颗粒相比，合金纳米颗粒的化学稳定性更好，而且这些磁性纳米颗粒的表

11、面可以连接氨基或羧基类表面活性剂，可以提高他们在水溶液中的溶解性。 Hong et al.52;Sun et al.53; Gao et al. 54,55;56;57. 铁钴合金: 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 由于超顺磁性，磁性纳米颗粒有形成聚集体的趋势。胶体的静电稳定性提高了纳米颗粒表面电荷的排斥作用，但无法阻止其在生物溶液中的凝聚（由于生物溶液中盐或电解质会中和纳米颗粒表面的电荷）。 聚合物可以通过制造空间位阻阻止磁性纳米颗粒聚集，防止调理素作用，这些包被物通过表面电荷和化学功能化来改善MNP的性质。聚合物影响MNP的方面有：1.聚合物的化学结构（疏水/亲水性，生物降解性）；2.聚合物的分子量或分子长度；3.聚合物固定的方式（离子

13、交换，共价）；4.聚合物的构成；5.聚合物的表面粒子覆盖程度。3. Surface coatings and functionalization3.1. Polymeric coatings MNP包被聚合物举例： 1.多糖右旋糖苷 Weissleder and co-workers:MION42,CLIO68. 2.PEG PEG可以用来减少巨噬细胞对纳米颗粒的摄入，并延长纳米颗粒在体内的血液循环时间，连接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;溶胶-凝胶法修饰。 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 一步合成法相对于多步表面修饰的优势是：减少纳米颗粒聚集；减少处理程序。但是在纳米晶体成核的过程中加入聚合物对晶体的结构和MNP的形态有明显的影响。 Lee et al.8384853.

15、Surface coatings and functionalization3.2. Liposomes and micelles 脂质体作为药物载体的优势是它们在体内的行为已经被确认，比如PEG化导致较长的血液循环时间，与此同时PEG还能包埋大量的MNP核并将它们传送到靶位，同时还能避免MNP的稀释。耦连治疗剂增强了这些传递工具的多功能性。 多功能胶束耦连两亲嵌段共聚物也有类似的应用。 Martina et al.89磁流体负载脂质体（MFLs）。3. Surface coatings and functionalization3.3. Coreshell structures 核-壳结构的

16、壳可以能够保护磁性核心防止化学降解，阻止可能的化学毒性物质的释放。用于MRI显影剂和药物传递载体。 保护层材料： SiO2：水相条件下稳定，合成方便；Ma et al.93 金:化学性质稳定，易在自己表面通过烷硫醇形成自组装单层膜（SAMs），同时化学惰性也导致很难在MNP表面形成金壳。 最新合成方法有：反向微乳液法；综合湿化学法；激光辐射法。 MNP异质二聚体（Fig.1E）3. Surface coatings and functionalization3.4. Functional ligandsMNP上连接的配体有：靶向试剂；渗透促进剂；光染料（荧光素）；治疗剂。应用：光学成像试剂3.

17、 Surface coatings and functionalization3.4. Functional ligandsVeiseh et al19蝎氯毒素氧化铁纳米颗粒耦连Cy5.5染料：A.大鼠心肌细胞;B.9L胶质瘤细胞；C核磁仿真图像。 菁染料是性能优良的荧光标记染料，摩尔吸光系数在荧光染料中是最高的，其琥珀酰亚胺酯是最常用的脂肪氨基标记试剂，广泛用于蛋白、抗体、核酸及其他生物分子的标记和检测。通过改变次甲基链的长度, 可改变其荧光发射波长，每增加一个双键，按照Huoffman 规则正好红移约100nm。菁染料Cy3 和Cy5 已成为基因芯片的首选荧光标记物; 另外,Cy5, Cy

18、5.5 和Cy7 的吸收在近红外区背景非常低，是荧光强度最高、最稳定的长波长染料。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作为药物载体应该能避免被网状内皮系统(RES)摄入，这是实现长半血周期的关键。 MNP的尺寸，形状，表面亲和性，表面电荷Papisov et al.113都对延长半血周期起重要作用。 当颗粒大于200nm时易被脾脏中的吞噬细胞隔离，小于5.5nm时能快速通过肾清除。逃过过滤的细胞会被库普弗细胞和其它组织中的巨噬细胞清除。（调理作用（opsonization）又称调理素作用，是指抗体、补体与吞噬细胞表面结合，促进吞噬细胞吞噬细菌等颗粒性抗原的作用。）4. Pharmacokinetics and biodistribution4.2. Passive targeting EPR效应，即实体瘤的

20、高通透性和滞留效应(enhanced permeability and retention effect)指的是，相对于正常组织，某些尺寸的分子或颗粒更趋向于聚集在肿瘤组织的性质。 正常组织中的微血管内皮间隙致密、结构完整，大分子和脂质颗粒不易透过血管壁，而实体瘤组织中血管丰富、血管壁间隙较宽、结构完整性差，淋巴回流缺失，造成大分子类物质和脂质颗粒具有选择性高通透性和滞留性，这种现象被称作实体瘤组织的高通透性和滞留效应，简称EPR效应。 EPR效应促进了大分子类物质在肿瘤组织的选择性分布，可以增加药效并减少系统副作用。 实现被动靶向的颗粒直径是10-500nm。 被动靶向也可以通过网状内皮系统

21、的固有间隙发生。liver imaging1164. Pharmacokinetics and biodistribution4.3. Active targeting 主动靶向技术可以提高药物在肿瘤组织中的滞留时间。靶向耦联剂包括蛋白质，多肽， 寡核苷酸适配子和小分子。 单克隆抗体（mAbs），Huh et al.131 单克隆抗体的一个缺点是其较大的尺寸和固有免疫原性，这会导致纳米颗粒很难通过生物屏障。另一个研究领域是MNP的靶向受体在肿瘤新生血管中的过表达。新生血管有可能是肿瘤组织的重要组成部分，而且对于瘤形成具有高度特异性134。新血管形成标志物包括V3整合素，血管内皮生长因子(VEG

22、F)，细胞表面核仁素，硫酸肝素。靶向试剂如Arg-Gly-Asp (RGD)对V3整合素有高度亲和性。Reddy et al.140 氯毒素（ Chlorotoxin，CTX ），对神经外胚层肿瘤来说是一个有效的靶向试剂。 短肽和小分子作为靶向试剂。76,1484. Pharmacokinetics and biodistribution4.3. Active targeting4. Pharmacokinetics and biodistribution4.4. Intracellular delivery and controlled release MNP在药物传递中的必要一步是其在细胞

23、间的传递和随后这些药物向细胞质的释放。其中描述纳米颗粒摄入细胞的机制包括：受体介导的内吞61和质膜微囊结构的内化149。纳米颗粒的大小和表面性质对其在质膜间的传递起关键作用。磁性纳米颗粒小于50nm或包被亲脂性聚合物的能够有效地扩散通过细胞膜。还有渗透增强剂如Tat肽也可以连接到MNP上帮助其传输到细胞质中。 Koch et al.153 Tat-labeled CLIO MNPs MNP的另一个挑战是如何释放耦连的药物到指定的亚细胞器结构如细胞核，线粒体。分离MNP和药物的物质有溶酶体（适合稳定的药物）；蛋白质/多肽，寡核苷酸（容易严重受损）；内涵体释放的方式有使用对pH，渗透性和酶活敏感的

24、剪切接头；阳离子聚合物可以诱导渗透膨胀或“质子海绵”效应。4. Pharmacokinetics and biodistribution4.5. Biodistribution and clearance 如何使MNP在体内保持较长时间是一个重大问题，MNP的物理性质的研究可以解释其在体内的一些行为，但并没有通用的标准来预测。清除的机制明显地依赖于MNP的多种结构。镀金壳的铁铂合金核壳结构MNP与包裹脂质体的铁氧化物纳米颗粒有明显的区别（代谢，清除，毒性反应）。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 磁共振现象微观领域中的核子都有自旋的特性。核子的自旋产生小磁矩，类似于 小磁棒。质子数或中子数至少有一个为奇教的大量原子核可在静磁场中体现出宏观磁化 来，其磁化矢量与静磁场同向。而每单个原子核在静磁场中做着不停的进动运动（一方面不 断自旋，同时以静磁场为轴做圆周运动），进动频率(precession fre

26、quency)（即质子每秒进动的次数）为(00一/Bo，7为原子核的旋磁比(对于每一种原子核，7是一个常数且各不相同，如氢质子7值为42. 5MHz/T)，Bo为静磁场的场强大小。人体含有占比重70%以上的水，又由于氢质子磁矩不为零，这些水中的氢质子是磁共振信号的主要来源，其余信号来自脂肪、 蛋白质和其他化合物中的氢质子。 对静磁场中的质子群沿着垂直于静磁场的方向施加某一特定频率的电磁波其频率在声波范围内，故称为射频(radio frequency，RF)-原来的宏观磁化就会以射频场为轴发生偏转（章动），其偏转角度取决于射频场的施加时间、射频强度和射频波形。当然，一个关键条件是：射频的频率必须

27、与静磁场中的质子的进动频率一致。宏观磁化发生章动的实质是质子群中一部分质子吸收了射频的能量，使自己从低能级跃迁到了高能级。这种现象即称为原子核的磁共振现象。如果将此时的宏观磁化进行二维分解，会发现射频激励的效果是使沿静磁场方向的磁化矢量（纵向磁化）减小，而垂直于静磁场方向的磁化（横向磁化）增 大了。RF脉冲有使进动的质子同步化的效应，质子同一时间指向同一方向，处于所谓“同相”，其磁化矢量在该方向上叠加起来，即横向磁化增大。使质子进动角度增大至90。的RF脉冲称为90。脉冲，此时纵向磁化矢量消失，只有横向磁化矢量。同样还有其他角度的RF脉冲。质子的进动角度受RF脉冲强度和脉冲持续时间影响，强度越

28、强、持续时间越长，质 子的进动角度越大，且强RF脉冲比弱RF脉冲引起履子进动角度改变得要快。 弛豫及弛豫时间短暂的射频激励（一般为几十微秒）以后，宏观磁化要恢复到原始的静态。从激励态恢复到静态要经历一个与激励过程相反的两个分过程，一个是横向磁化逐渐减小的过程（即为横向弛豫过程，T2过程）；另一个是纵向磁化逐渐增大的过程 （纵向弛豫过程，T1过程）。纵向弛豫过程的本质是激励过程吸收了射频能量的那些质子释放能量返回到基态的过程。能量释放的有效程度与质子所在分子大小有关，分子过大或很小，能量释放将越慢，弛豫需要的时间就越长。如水中的质子，0. 5T场强下弛豫时间4000毫秒；分子结构处于中等大小，能

29、量释放就很快，T1就短，如脂肪内的质子，0.5T场强下弛豫时间仅为260毫秒左右。横向弛豫过程的本质是激励过程使质子进动相位的一致性逐渐散相（即逐渐失去相位一致性）的过程，其散相的有效程度与质子所处的周围分子结构的均匀性有关，分子结构越均匀，散相效果越差，横向磁化减小的越慢，需要的横向弛豫时间(T2)就越长；反之，分子结构越不均匀，散相效果越妤，横向磁化减小越快，T2就越短。5. MR imaging 5.2. Applications 1.癌症成像： 肝肿瘤的临床成像和转移（SPIO,USPIO）； 脑肿瘤边界的确定和肿瘤体积定量（USPIO）； 肿瘤检测和定位（主动靶向MNP）。 2.心血

30、管疾病成像:Kelly et al.176 3.分子成像:细胞迁移180；细胞凋亡检测181；酶活成像155,156,1825. MR imaging 5.2. Applications 1.癌症成像： 肿瘤检测和定位（主动靶向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) 大多数化学药物的缺点是其相对非特异性和对健康组织的副反应。磁性靶向药物克服了这个问题。主要步骤包括： 1.细胞毒性药物生物耦连到MNP上； 2.静脉注射； 3.外部磁场控制磁性靶向药物到发病部位； 4.药物从MDT上释放。 影响参数有：负载药物的MNP的物理化学性质；磁场强度和几何结构；靶向组织的深度；血液流速；维管联结。6. Drug delivery 6.2. Targeting multifunctional carriers 靶向试剂连接到MNP上可以提高纳米颗粒在疾病组织中的特异性累积。MNP的一个优势是其较高的比表面积可以在单个颗粒上负