童明良教授课题组在高稳定性球状镧系纳米团簇用于核磁共振成像研究中取得新进展

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI），又称为自旋成像（Spin imaging），是利用核磁共振原理，依据所释放的能量在物质内部不同结构环境中衰减差异产生的电磁波被外加梯度磁场监测从而绘制成物质内部的结构图像。在临床诊断中，为了提高某些疾病的MRI图像质量，需要使用造影剂（又称对比剂）来缩短成像时间，提高成像的对比度和清晰度。由顺磁性Gd(III)离子与有机螯合配体制成的钆螯合物具有稳定性高、磁矩大和电子弛豫时间长等特点，是目前临床上常用的一类磁共振造影剂。这类造影剂通常为单核钆基螯合物，其Gd(III)的含量较低，需要较高的剂量才能显示出有效的对比度及分辨率。然而，高剂量使用Gd(III)基造影剂会对肾脏等带来毒副作用。离子型高核钆簇具有尺寸的高度均一性和良好的水溶性，如果稳定性及生物相容性问题能得到有效解决，有望在分子水平高度聚集Gd(III)离子，在MRI造影剂方面具有更诱人的应用前景。因此，发展稳定的低剂量高核钆簇聚集体应用于MRI的研究极具挑战且至关重要。

童明良教授课题组采用溶剂热合成技术构筑了一种高稳定性的球状高核Ho₃₂和Gd₃₂纳米团簇阳离子（图1a）。所有Ln(III)离子都分布在球形团簇的表面并通过丰富的氧负离子和氢氧根离子连接，有利于提升水分子以氢键方式与Gd₃₂团簇的结合能力。带负电性的有机配体则从球面外侧将簇核紧紧包裹住，有效保障了Ln₃₂团簇在溶液中的稳定性（图1b）。紫外-可见吸收光谱证实了Ln₃₂在pH值1-14的溶液里相当稳定。具有不同离子源能量的高分辨电喷雾质谱（HRESI-MS）也证实了上述团簇的溶液态稳定性（图1c）。此外，通过时间依赖的HRESI-MS追踪了团簇的形成过程，并提出了可能的形成机理（图1d-1f）。

图1. 球状Gd₃₂纳米团簇的结构（a和b）、溶液中的稳定性（c）及其质谱追踪形成过程（d-f）。

毒理实验和MTT实验证实Gd₃₂纳米团簇具有良好的生物相容性和较低的细胞毒性。在1 T磁场强度下，Gd₃₂的纵向和横向弛豫率r₁和r₂的值分别为265.87和324.96 mM^-1·s^-1（图 2b）。相同磁场强度下，目前临床所用的MRI造影剂钆喷酸葡胺注射液（gadopentetic acid, Gd-DTPA）的r₁和r₂分别为4.55和5.77 mM^-1·s^-1。与之相比，Gd₃₂纳米团簇显示出更高的弛豫值。r₂ / r₁ = 1.22（r₂ / r₁ < 2）表明Gd₃₂具有T₁加权MRI造影剂的巨大潜力。此外，分别通过尾静脉注射相同Gd(III)含量的Gd₃₂与Gd-DTPA进入携带4T1肿瘤模型的BALB/c小鼠体内，Gd₃₂具有比Gd-DTPA更清晰的MRI成像对比度及对肿瘤部位更佳的显示效果。由此可见，具有高度聚集Gd(III)的Gd₃₂纳米团簇在溶液及细胞层面均显示出优于Gd-DTPA的MRI成像对比度（图2c和2d）。

图2. (a) 球状Gd₃₂纳米团簇应用于肿瘤诊断示意图；(b) Gd₃₂与Gd-DTPA分别在1 T和3 T磁场条件下的纵向和横向弛豫率r₁和r₂对比图；不同浓度的Gd₃₂与Gd-DTPA分别在1 T和3 T磁场条件下的溶液成像对比图(c)及细胞成像对比图(d)

上述研究成果以“High-Stability Spherical Lanthanide Nanoclusters for Magnetic Resonance Imaging”为题，发表在综合性学术期刊《国家科学评论》（National Science Review, 2023, 10(4), nwad036）。永利集团3044noc登录入口为该成果的第一完成单位，论文第一作者为永利集团3044noc登录入口博士研究生汪海玲和上海师范大学化学与材料科学学院博士研究生刘冬琳，论文通讯作者为永利集团3044noc登录入口童明良教授和上海师范大学化学与材料科学学院杨仕平教授。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和广东省珠江人才计划的资助支持。

论文信息：

Hai-Ling Wang, Dong-Lin Liu, Jian-Hua Jia, Jun-Liang Liu, Ze-Yu Ruan, Wei Deng, Shi-Ping Yang, Si-Guo Wu, Ming-Liang Tong, High-Stability Spherical Lanthanide Nanoclusters for Magnetic Resonance Imaging, National Science Review, 2023, 10(4), nwad036.

全文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwad036