磁性纳米粒子的组装驱动化学：从结构设计到生物医学应用

《Accounts of Chemical Research》：Assembly-Driven Chemistry of Magnetic Nanoparticles: From Structural Design to Biomedical Applications

本文探讨自组装化学设计在磁性纳米颗粒（MNPs）中的应用，通过原子级缺陷工程和界面组装优化其磁响应特性，实现高场MRI和MPI的高灵敏度成像，并拓展至神经信号实时监测和肿瘤靶向代谢治疗，为精准医学提供新工具。

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概述

定制的磁性纳米颗粒（MNPs）已成为生物医学成像中的强大工具，具有更高的灵敏度、特异性、空间分辨率和多功能性。它们独特的物理化学性质也为治疗应用开辟了广阔的前景。持续创新MNPs的设计对于充分利用先进的成像平台（包括高场磁共振成像（MRI）、磁粒子成像（MPI）和多模态成像系统）以实现早期诊断和精准治疗至关重要。然而，传统的策略主要通过调节颗粒大小、形状、成分和结晶度来控制其内在的微观参数（如磁矩方向、缺陷结构和电子活性），但这些参数从根本上决定了成像性能。这一限制一直阻碍着高性能MNPs的发展。基于组装的化学设计提供了一种多尺度设计方法，涵盖了原子、界面和纳米三个层次。通过诱导个体构建块中不存在的集体行为，这种方法显著扩展了优化MNPs功能的设计空间。

在本文中，我们总结了我们在基于组装的MNPs化学设计及其生物医学应用方面的最新进展。在原子尺度上，通过控制原子重排、缺陷工程和表面原子分离来精细调节磁矩排列、磁化率、水交换动力学和催化活性。在界面层面上，核壳结构和有机-无机杂化结构的组装能够调节交换耦合相互作用，从而实现诊断和治疗功能的集成。在纳米尺度上，配体介导的MNPs组装赋予了颗粒对外界刺激的响应性，并促进了多模态成像功能的整合。这些多尺度设计策略共同建立了稳健的结构-活性关系，使得MNPs能够针对特定的生物医学成像模式和治疗目标进行精确定制。

接下来，我们重点介绍了这些MNPs组装带来的关键突破。在高级磁成像领域，它们克服了长期存在的灵敏度和分辨率限制，在高场MRI下实现了超低的横向与纵向弛豫率比以及增强的T₁加权对比度；在MPI中实现了亚毫米级的空间分辨率。这些性能提升使得原本无法检测的目标（如直径约0.16毫米的孤立肿瘤细胞）得以被识别，并实现了体内神经元信号的实时分子成像，为恶性肿瘤和神经疾病的早期诊断及成像引导治疗奠定了基础。此外，原子尺度的重构使MNPs能够在结构上模仿黄嘌呤氧化还原酶等代谢酶的活性位点，从而实现肿瘤选择性的代谢治疗。

综上所述，这些发现凸显了基于组装的MNPs设计在下一代生物医学成像和精准医学中的变革潜力。最后，我们展望了构建受生命启发的多尺度“变革性磁性人工分子”的未来方向，以实现复杂生物活动的精确感知和调控。总体而言，基于组装的化学方法为高性能MNPs的合理开发提供了坚实且灵活的框架，加速了其临床转化，并激发了新的治疗创新。