由小分子稳定的极微小磁性氧化铁纳米颗粒，可用作T1加权磁共振成像的造影剂

《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》：Small molecule-stabilized exceedingly small magnetic iron oxide nanoparticles as a contrast agent of T 1-weighted magnetic resonance imaging

高效生物相容性超顺磁铁氧化物纳米颗粒的合成及其MRI临床应用潜力

　　

周瑞龙|胡 basheng|吴国超|严思华|任斌|李宗恒|范清登|杨静|黄雅|朱娇阳|冯杰|文格|张国宁|宁 Shipeng|陈 Zhao|沈泽宇

南方医科大学生物医学工程学院，中国广东省广州市 510515

摘要

具有高生物相容性的极小磁性氧化铁纳米颗粒（ES-MIONs）已被开发为T₁-加权磁共振成像（MRI）造影剂（CAs），有潜力替代商用Gd螯合物。为了解决由聚合物稳定的ES-MIONs在临床应用中的关键问题（高浓度时粘度过高），我们提出了一种新的合成方法，使用小分子而非聚合物来稳定ES-MIONs。通常，使用柠檬酸钠（SC）作为稳定剂，通过共沉淀法合成ES-MION-SC。经过大规模合成条件的优化，ES-MION-SC24被认为是最佳样品，因其具有较高的r₁值（7.03?± 0.05?mM^?1 s^?1，3.0?T）。在100?mM的C_Fe浓度下，ES-MION-SC24的粘度（仅为1.0 CP）远低于聚丙烯酸（PAA）稳定的ES-MION（约11.0 CP），这表明ES-MION-SC24在临床应用中具有很大的潜力。MTT实验、活细胞/死细胞实验、血液常规分析和组织学分析均显示ES-MION-SC24具有良好的生物安全性。T₁-加权MRI在3.0?T下的结果显示，ES-MION-SC24可以在肿瘤中积聚，并在长达2.0?小时的时间内保持高亮度，从而实现多次注射后的扫描，这比商用MRI造影剂的时间要长得多。

引言

磁共振成像（MRI）由于其实用性、组织穿透性、非电离辐射性和无创性而被广泛用于临床诊断[1]、[2]、[3]。尽管MRI在诊断方面取得了显著进展，但仍需要提高区分正常组织和病变的准确性，尤其是在各种疾病的早期阶段[4]、[5]。为了提高MRI的灵敏度，使用造影剂（CAs）来加速水分子的松弛，从而增加特定组织和病变之间的对比度[6]。 MRI造影剂包括T₁-和T₂-加权造影剂，它们分别缩短质子的纵向或横向松弛时间，产生阳性（亮）或阴性（暗）信号[7]。由于一些缺点，T₂-加权造影剂已退出市场，包括信号较暗和易受磁场干扰的问题。Gd螯合物作为T₁造影剂主导了MRI造影剂市场，例如Magnetivist（Gd-DTPA，拜耳施林格制药，德国）、Gadavist（Gd-DO3AButriol，拜耳施林格制药，德国）、Eovist（Gd-EOB-DTPA，拜耳施林格制药，德国）和Dotarem（Gd-DOTA，Guerbet SA，法国）。然而，这些基于Gd的造影剂（GBCAs）引发了重大的生物安全问题，美国食品药品监督管理局（FDA）也对此提出了警告[8]。具体来说，这些GBCAs在体内可能导致肾毒性[9]、[10]，以及脑部Gd沉积[11]。 为了克服GBCAs的缺点，开发了极小磁性氧化铁纳米颗粒（ES-MIONs）作为T₁造影剂。为了实现T₁成像性能，稳定剂对于保持ES-MIONs的均匀分散至关重要[12]。因此，稳定剂对ES-MIONs的纵向松弛率（r₁）和横向松弛率（r₂）有重要影响。已报道的用于合成ES-MIONs的稳定剂都是亲水性聚合物，例如聚丙烯酸（PAA）[13]和聚天冬氨酸（PASP）[14]。 然而，大多数用作ES-MIONs稳定剂的聚合物不可生物降解（例如PAA），从而影响了聚合物稳定的ES-MION（ES-MION-Polymer）的生物安全性[15]。此外，聚合物在高浓度下容易相互交联，导致ES-MION-Polymer分散体的粘度增加[16]、[17]。粘度的增加限制了ES-MION-Polymer的可用浓度，需要相对较低的浓度和较大的体积来满足静脉注射的临床需求。因此，所报道的ES-MION-Polymer只能在MRI检查前通过滴注方式给药，这无法被医生和患者接受。 为了解决上述限制铁基造影剂临床应用的关键问题，本研究提出了一种新的合成方法，使用小分子而非聚合物作为稳定剂。通常，使用柠檬酸钠（SC）通过共沉淀法合成ES-MION（ES-MION-SC）（图1A）。SC首先与Fe³⁺和Fe²⁺配位形成SC-Fe螯合物，然后与氨溶液反应生成ES-MION-SC。作为三羧酸循环（TCA循环）的主要成分，SC具有高生物相容性[18]、[19]。值得注意的是，作为一种小分子，SC在高浓度下不会发生缠结，也不会显著增加粘度，这使得可以制备出低粘度的高浓度ES-MION-SC分散体，适合静脉注射（图1B）。 为了满足工业生产标准，本研究将实验室测试得到的优化结果应用于大规模实验中，进一步改进了2.0?L和20?L反应器中的反应条件（图1C和D）。反应系统的扩展使得氨的浓度可以精确控制，进一步提高了ES-MION-SC的T₁-加权MRI性能。在20?L反应器中合成的最佳样品表现出优异的水分散性，其r₁值明显超过商用GBCAs，并且信噪比（ΔSNR）更高。在20?L反应器中合成的冻干样品重量超过300?g，回收率高达90.7?%（图1E）。一系列细胞和动物实验证明了我们的ES-MION-SC具有显著的生物安全性和MRI效果，显示出工业生产和临床应用的巨大潜力。

ES-MION-SC合成条件的优化

在ES-MION-SC的合成过程中，Fe²⁺和Fe³⁺离子首先与SC配位，随后与氨反应生成Fe₃O₄。ES-MION-SC1–13的代表性样品展示了实验室测试的优化结果。为了观察氨浓度对反应结果的影响，在保持SC浓度一致的情况下调整了氨浓度。在3.0?T下测量了T₁或T₂松弛率（1/T₁或1/T₂）。

结论

总之，为了解决限制铁基造影剂临床应用的关键问题（即高浓度时的高粘度），本研究提出了一种新的合成方法，使用小分子而非聚合物作为稳定剂。通常，使用柠檬酸钠（SC）通过共沉淀法合成ES-MION（ES-MION-SC）。作为三羧酸循环（TCA循环）的主要成分，SC...

资助

本工作部分得到了广东省自然科学基金（2024A1515012639）和国家自然科学基金（32271374、82473348、82303797）的支持。

CRediT作者贡献声明

朱娇阳：可视化、验证、数据分析。 黄雅：可视化、验证、数据分析。 宁 Shipeng：撰写 – 审稿与编辑、软件、资源、方法学、资金获取、数据分析、概念化。 吴国超：可视化、验证、方法学、研究、数据分析。 张国宁：方法学、资金获取、数据分析。 胡 basheng：撰写 – 审稿与编辑、软件、资源、方法学、数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

所有动物实验均遵循南方医科大学的实验动物护理和使用指南进行，并获得了南方医科大学动物伦理委员会的批准。批准的编号为SYXK(YUE)2021–0167。