综述：点击化学赋能镧系氧化物纳米颗粒：生物医学诊断与治疗中的创新

《Results in Surfaces and Interfaces》：Click chemistry-enabled lanthanide oxide nanoparticle: innovations in biomedical diagnostics and therapy

　　

摘要：几种镧系元素（lanthanide），如铕（europium, Eu）、钆（gadolinium, Gd）、铽（terbium, Tb）、镝（dysprosium, Dy）和钬（holmium, Ho），因其独特的磁学性质而被广泛探索作为磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）的对比剂（contrast agents）。强顺磁矩（paramagnetic moment）特性源于4f电子（4f electrons）的自旋轨道运动，以缩短横向弛豫时间（T1）和纵向弛豫时间（T2）。镧系氧化物纳米颗粒（lanthanide oxide nanoparticle, LnNP）作为对比剂已获得显著关注，其优势包括与螯合物（chelate）基对比剂相比毒性降低、稳定性提高、血液循环时间延长以及可调控的表面性质以实现生物相容性和靶向性。通常，点击化学（click chemistry）在开发更特异、更有效的癌症诊断和疗法方面展现出巨大潜力。它允许在温和且生物相容的条件下将镧系螯合物精确高效地缀合到生物分子、治疗剂或靶向配体上。通过这种方法，镧系基对比剂可以与治疗功能结合，创建既能成像又能治疗疾病的诊疗一体化（theranostic）试剂。在本综述中，研究人员探索了经点击化学修饰的镧系氧化物纳米颗粒如何在医学中应用。主要关注该材料作为MRI对比剂用于诊断的潜力及其在癌症治疗中的作用。

1. Introduction
医学影像技术是疾病早期诊断的关键，其中磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）因能提供高分辨率的三维软组织图像而被视为金标准。MRI通过检测外部磁场中组织中水质子的扰动来获取图像，常用于癌症诊断。然而，MRI灵敏度较低，且难以准确反映软组织的解剖和形态变化，因此开发了对比剂（contrast agents, CA）以增强成像对比度。对比剂根据磁学性质分为T1加权和T2加权：T1对比剂（如钆离子Gd³⁺）使水变亮（正像），T2对比剂（如超顺磁性氧化铁纳米颗粒，superparamagnetic iron oxide nanoparticle, SPION）使水变暗（负像）。镧系氧化物纳米颗粒（lanthanide oxide nanoparticle）因具有更低的毒性、更好的稳定性、延长的血液循环时间和可调控的表面性质而备受关注。点击化学（click chemistry）能够在温和条件下将镧系螯合物精确缀合到生物分子或治疗剂上，从而将诊断和治疗功能结合，形成诊疗一体化（theranostic）试剂。

2. Magnetic resonance imaging (MRI)
MRI基于核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance, NMR）原理，通过强磁场使人体内氢原子核（质子）自旋排列，施加射频（radiofrequency, RF）脉冲后撤去，质子通过弛豫（relaxation）释放能量被检测，形成三维图像。信号受质子密度、T1弛豫时间、T2弛豫时间和质子运动影响。

2.1 MRI contrast agent
对比剂通过提高水质子的弛豫速率来增强组织间的信号差异。T1加权对比剂（如Gd³⁺、Mn²⁺）缩短纵向弛豫时间（T1），产生明亮正像，其r₂/r₁比值接近1，信噪比高；T2加权对比剂（如SPION）缩短横向弛豫时间（T2），产生暗色负像，r₂/r₁比值通常大于10。镧系纳米颗粒（如Gd₂O₃）具有高T1弛豫率（r₁>20?mM^?1s^?1），且生物相容性优于SPION，避免了铁基纳米颗粒引起的氧化应激（reactive oxygen species, ROS）风险。钬纳米颗粒（如HoPO₄/Ho₂O₃）作为T2对比剂，在高磁场（>3T）下表现优异，毒性低，具有荧光特性和治疗诊断潜力（如同位素Ho-166）。

3. Comparison between lanthanide complexes and nanoparticle
传统镧系螯合物对比剂存在稳定性差和安全性问题，例如线性螯合物易解离释放有毒的游离Gd³⁺离子，导致肾源性系统性纤维化（Nephrogenic Systemic Fibrosis, NSF）以及在脑、骨和皮肤中的蓄积。镧系纳米颗粒（lanthanide nanoparticle, LnNP）由于镧系离子被紧密包裹在晶体结构中，不易泄漏，具有更高的结构稳定性和更低的毒性。此外，纳米颗粒表面可修饰以延长循环时间，并整合多种成像模态（超声、MRI、荧光）和治疗功能，实现诊疗一体化（theranostic），而螯合物主要局限于诊断应用。

4. Lanthanide nanoparticle
镧系元素（lanthanide, Ln）电子构型为[Xe]4f^(1?14)5d^(0?1)6s²，4f轨道部分填充。镧系纳米颗粒（LnNP）需要胶体稳定性、对正常细胞的低摄取以及表面功能基团用于缀合抗体、肽等靶向配体。纳米颗粒尺寸显著影响生物学性质：40-60?nm的颗粒通过内吞作用进入细胞，>150?nm的颗粒无法蓄积；推荐尺寸范围为30-150?nm用于分子成像和药物递送。毒性方面，纳米颗粒可能引起氧化应激和炎症，其理化特性（尺寸、形状、表面电荷等）决定其安全性。

4.1 Lanthanide oxide-based nanoparticle as MRI contrast agent
并非所有镧系离子都适合作为对比剂，需满足磁性强、能量弛豫慢且结构稳定的条件。Gd³⁺、Ho³⁺、Tb³⁺、Dy³⁺等具有应用潜力。研究实例包括：Atabaev等合成了PEG修饰的Ho₂O₃纳米颗粒（67-81?nm），r₂为17.95?mM^?1s^?1，在L-929细胞中<16?μg/mL剂量下安全；Liu等制备了超小Ho₂O₃（～2?nm），PEI修饰后对DU145细胞>80%存活率（500?μM）；Gómez-González等开发的立方HoPO₄（48?nm）具有r₂=489.91?mM^?1s^?1（9.4T），在体内肝脾中产生显著T2对比；Zhang等的HoF₃（30-40?nm）r₂=117.51?mM^?1s^?1，体内肿瘤成像有效；Chen等的FA-NPMOFs（Gd-卟啉MOF）具有r₁=4.25?mM^?1s^?1，兼具荧光和MRI成像及光动力疗法（PDT）功能；Cai等的Gd₂O₃纳米片（10?nm长，1?nm厚）经PEG-PEI修饰后r₁=14.13?mM^?1s^?1（3T），优于临床Gd-DTPA（r₁=3.4?mM^?1s^?1）；Caro等的Tb基纳米棒（TbNRs）r₂=10.4?mM^?1s^?1，兼具高安全性；Ahmad等的超小Gd₂O₃（1.9?nm核）r₁=36.2?mM^?1s^?1，体内通过肾脏快速清除；Gómez-González等的DyPO₄（23-57?nm）r₂值为395-516?mM^?1s^?1（9.4T），无细胞毒性。r₂/r₁比值是区分T1（比值接近1）和T2（比值>10）对比剂的关键参数。

4.2 Lanthanide nanoparticle for theranostic applications
镧系纳米颗粒（LnNP）因其单分散性、可控尺寸、生物相容性和表面可修饰性，成为癌症治疗的有效载体。诊疗一体化（theranostic）将诊断和治疗整合于单一平台。

4.2.1 Photodynamic therapy (PDT)
PDT利用光、光敏剂（photosensitizer, PS）和氧气产生活性氧（ROS）杀死癌细胞。Chen等开发的FA-NPMOFs（Gd-卟啉MOF）通过叶酸靶向HepG2细胞，激光激活后产生ROS，有效杀伤癌细胞，同时保持正常细胞低毒性。Gd-PNP系统结合MRI/荧光双模态成像与PDT，实现精准激光治疗。

4.2.2 Photothermal therapy (PTT)
PTT利用光热材料吸收近红外光转化为局部热量破坏肿瘤。Hu等构建的Gd-TMV-PDA纳米颗粒（r₁～80?mM^?1s^?1）实现超敏MRI成像和高效PTT（28.9%），在PC-3细胞中激光触发热消融。Lu等的NaGdF₄:Dy@PDA结合T1/T2-MRI和CT三模态成像及PTT。Wang等的DPPB-Gd-I NPs通过MRI/NIR-II双模态指导PDT/PTT联合治疗，疗效达94.5%。

4.2.3 Chemotherapy
化疗采用化学药物抑制癌细胞增殖。Carniato等的Gd-PCTA-MSN平台利用介孔结构负载米托蒽醌，在TS/A细胞中实现MRI引导的药物释放（r₁=24.5?mM^?1s^?1）。Zeng等的SN38@HF-β-CD-PEG平台基于钬铁氧体核心，pH响应释放SN38，高效消除胶质瘤细胞。Zhang等的HMM@T（Ho掺杂MPDA负载MTO）通过超高场MRI（r₂=152.13?mM^?1s^?1）引导化疗-光热联合治疗，利用癌细胞膜仿生靶向实现显著肿瘤抑制。

5. Click chemistry
生物正交反应（bioorthogonal reactions）能在活体系统中进行选择性化学修饰，用于靶向分子成像和治疗。本综述聚焦三种点击化学反应：铜催化叠氮-炔基环加成（copper-catalyzed azide-alkyne cycloaddition, CuAAC）、应变促进叠氮-炔基环加成（strain-promoted azide-alkyne cycloaddition, SPAAC）和逆电子需求狄尔斯-阿尔德反应（inverse electron demand Diels-Alder, IEDDA）。

5.1 Copper-catalyzed azide?alkyne cycloaddition (CuAAC)
CuAAC是合成1,2,3-三唑的标准方法，反应快速、精确，但铜催化剂具有毒性，需严格纯化。O'Malley等利用CuAAC合成Eu(III)、Tb(III)、Dy(III)螯合物，产生稳定发光体。Wang等将多个Gd复合物缀合至PNA寡核苷酸，获得高弛豫率（r₁=6.6?mM^?1s^?1）。Hyunh等制备Gd-DOTA-click-SF，r₁=6.82?mM^?1s^?1，超越商用Dotarem。

5.2 Strain-promoted azide?alkyne cycloaddition (SPAAC)
SPAAC无需铜催化剂，使用高张力环辛炔（如DBCO、BCN）与叠氮反应，避免铜毒性，但反应速率较慢（10^-2-1?M^?1s^?1），且疏水性易导致非特异性结合。Bosch等用¹⁷⁷Lu标记环辛炔进行预靶向成像，但存在血清蛋白相互作用问题。Ceulemans等将Gd-DOTA与BODIPY荧光团通过SPAAC连接，构建双模态对比剂（r₁=3.9?mM^?1s^?1）。

5.3 Inverse electron demand Diels?Alder (IEDDA) reaction
IEDDA在四嗪（tetrazine）与烯烃（如反式环辛烯trans-cyclooctene, TCO）之间发生，是动力学最快的点击反应（速率10²-10⁶?M^?1s^?1），但TCO易异构化失活，四嗪疏水且对亲核试剂敏感。Zheng等利用Tb³⁺-四嗪探针标记聚糖，速率k=3190?M^?1s^?1。Membreno等开发¹⁷⁷Lu标记的预靶向放射免疫治疗（PRIT），通过IEDDA连接PEG₇-四嗪与TCO修饰的树状大分子免疫缀合物，肿瘤吸收剂量达833.4 cGy/MBq。

6. Recent advances: click reaction-based lanthanide nanoparticle
将点击化学反应应用于镧系纳米颗粒（LnNP）可提高合成精确性和应用性能。Siribbal等制备Gd₂O₃@SiO₂@Fe₃O₄，通过SPAAC缀合雌激素靶向配体和DOTA螯合剂，用于乳腺癌MRI和⁶⁸Ga标记，纳米颗粒约40?nm，APTMS修饰后>100?mg/mL浓度下MCF-7细胞存活率78%。Carniato等构建Gd-CyPEG-MSN（介孔二氧化硅纳米颗粒），表面固定GdDOTAGA复合物、罗丹明和PEG₃₀₀₀，通过SPAAC靶向代谢标记的糖基，负载米托蒽醌后实现MRI引导的化疗，MCF-7细胞对比增强200%，细胞毒性高于游离药物。

7. Metabolic fate, kinetics, and biosafety of click-modified lanthanide nanomaterial
镧系纳米颗粒的代谢和生物安全性取决于尺寸和表面化学。>10?nm的颗粒主要被网状内皮系统（RES）清除，在肝脾中蓄积，经肝胆系统缓慢排泄。在酸性环境（如溶酶体pH 4.5-5.0）中，镧系氧化物纳米颗粒可逐步溶解并释放离子。点击化学修饰（CuAAC、SPAAC）因其生物正交性和高效性，可精准控制表面化学，避免交叉反应和有害副产物，从而提高生物安全性。体外毒性和体内组织学研究显示，在诊断浓度下，点击功能化的纳米颗粒无明显毒性，且可预测其长期分布。

8. Conclusion
点击化学显著提升了镧系纳米颗粒在生物医学成像（MRI、发光成像）和肿瘤治疗中的性能，通过将治疗和诊断功能整合于单一平台实现诊疗一体化（theranostic）。然而，CuAAC的铜毒性、SPAAC/IEDDA的试剂疏水性和不稳定性仍是挑战。未来研究需聚焦于开发无毒、亲水的修饰方法，并发展“智能”双模态系统（如MRI-荧光联合成像），以同时获得器官级和细胞级信息。