王铁：可变形氧化钆纳米线圈改善磁共振成像纳米探针的生物相容性

shanliang

磁共振(MR)成像作为一种无损伤性技术，正越来越多地用于临床诊断，以获取有关体内组织解剖、功能和代谢的信息。为了提高成像灵敏度，科学家已经使用造影剂来加速水分子的弛豫速率，从而增加特定组织或器官之间所需的对比度。与临床认可的常规钆螯合物相比，氧化钆(Gd2O3)纳米颗粒对T1加权MR图像显示出更高的增强效率，因为高度暴露的钆表面原子协同缩短了附近质子的纵向弛豫(T1)时间。然而，它们的生物安全风险代表着巨大的商业价值，被认为是普遍关注的必要问题。纳米粒子与蛋白质的相互作用从根本上影响了成像纳米探针的体内生物相容性和毒性，其中血清蛋白质吸附产生的生物界面通过受体介导的内吞作用诱导它们进入细胞。纳米材料对蛋白质的非特异性吸附导致网状内皮系统的清除，通过与细胞膜的相互作用促进内吞作用，从而导致细胞毒性。此外，在某些情况下，非特异性相互作用导致纳米颗粒与细胞膜、细胞外基质和细胞核结合，导致标记效率低下、检测不准确和遗传毒性。纳米颗粒的大小、形状、表面电荷和溶解度对蛋白质的相互作用有着重要的贡献，这已经被很好地探索为导致毒性的因素。

这些现有成像纳米探针的共同特征是它们具有固定的形态。由于聚合物链的空间构型自由度，聚合物涂层作为一种表面改性策略已经被主要用于降低细胞毒性和延长纳米材料的循环时间；这种方法通过构象熵损失驱动的空间排斥抑制蛋白质吸收。

为了设计用于生物医学应用的功能纳米材料，科学家面临的挑战是进一步了解其独特的毒理学特性。蛋白质的非特异性粘附和内吞作用被认为是成像纳米探针的主要生物毒性来源。近日，来自北大口腔医学院的刘燕和北京中科院化学所的王铁研究员在J. Am. Chem. Soc.上发表文章，为： “Biocompatibility of Magnetic Resonance Imaging Nanoprobes Improved by Transformable Gadolinium Oxide Nanocoils”。作者制造了具有低杨氏模量的超薄氧化钆(Gd2O3)纳米线圈，它在溶液中提供可变形的性质。超薄纳米线圈的空间构型自由度诱导了蛋白质非特异性吸附的空间排斥，这反过来抑制了细胞摄取，从而改善了它们的生物相容性。超薄纳米线圈中更多的暴露在表面的钆原子提供了增强的T1磁共振(MR)成像对比度和高信号激活。这种纳米造影剂应用于体内MR生物成像，可以延长循环寿命。可转化的Gd2O3纳米线圈改善了生物相容性，为未来各种纳米生物药物的设计和构建开辟了新的视角。

数据显示，可转化的Gd2O3纳米线圈可以抑制蛋白质的非特异性吸附，从而抑制细胞内吞作用。人们会期望纳米材料可以提供一个极好的机会来改善MR成像，因为它们具有高的表面积与体积比，但是由于注射后血浆蛋白的非特异性吸附，纳米材料受到了生物毒性的限制。作者观察到的生物相容性的增加对于成像具有低杨氏模量的纳米探针是重要的，因为可变形纳米探针应该提供对蛋白质的空间排斥。成像纳米探针的细胞分布可以帮助理解可变形纳米探针的这种生物相容性。在小鼠模型中证明有效延长MRI增强时间显然是监测特定疾病部位的一个重要步骤。原则上，除了MRI造影剂之外，其他成像剂，例如荧光探针、X射线成像探针和光声探针，也可以根据这种概念证明来设计，以改善生物相容性。

文献链接：Biocompatibility of Magnetic Resonance Imaging Nanoprobes Improved by Transformable Gadolinium Oxide Nanocoils, (J. Am. Chem. Soc., 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b08118)