磁共振成像技术及其在医学中的应用

相比于放射性核素成像、计算机断层扫描等具有电离辐射的成像方式，磁共振成像是非常安全的。并且MRI不仅可以进行结构成像，对软组织有着非常优异的区分度，还可以进行功能成像。MRI利用氢质子在射频脉冲激励下发生弛豫产生的信号进行成像，主要分为纵向弛豫和横向弛豫，分别对应T1加权像和T2加权像。借助MRI造影剂，可以得到随时间变化的动态增强的图像，从而获得在结构像中看不出的信息，对临床诊断与治疗至关重要，例如用动态对比增强磁共振成像（Dynamic Contrast Enhanced-Magnetic Resonance Imaging，DCE-MRI）的方法来筛查肿瘤。T1造影剂主要是基于钆（Gd）的螯合物，其在T1加权像上起着信号增强的作用，从而产生更明亮的信号。T2造影剂通常是氧化铁纳米颗粒（Iron Oxide Nanoparticle，IONP），其在T2加权像上起着减弱信号的作用，使图像更暗。

由于与生物分子的非选择性配位，顺磁性金属离子如钆（Gd）和锰（Mn）通常是有毒的。GO具有许多含氧官能团和空位，可以通过在石墨烯层之间螯合这些有毒的金属离子实现GO与离子配位，从而减轻这些离子的生物毒性[2]。例如，使用羧基苯基化石墨烯纳米带（Graphene Nanoribbon，GNR）螯合的Gd3+作为造影剂，T1加权MRI的弛豫率比目前临床上使用的基于Gd3+的造影剂的弛豫率大16～21倍，并且T1加权像和T2加权像具有更好的MRI对比度[39]。由于IONP具有能直接生长在石墨烯上的优势，因此其作为T2造影剂的超顺磁性GO-IONP复合材料被广泛研究[23]。除顺磁性金属复合物和IONP外，还可以创建C—F键作为顺磁性中心，使用氟化石墨烯氧化物（Fluorinated Graphene Oxide，FGO）作为非磁性纳米颗粒碳基MRI造影剂[40]。FGO的磁化强度与磁场强度呈线性关系，表明其具有顺磁性。比起相同浓度的GO，FGO显示出了优异的T2加权像对比度（图4-6）。

图4-6

在4.7T MRI上获得的T2加权像，其中FGO（Ⅰ：a=625μg／mL，c=500μg／mL； Ⅱ：a=313μg／mL，c=250μg／mL； Ⅲ：a=156μg／mL，c=125μg／mL）和GO（Ⅰ：b=625μg／mL，d=500μg／mL；Ⅱ：b=313μg／mL，d=250μg／mL； Ⅲ：b=156μg／mL，d=125μg／mL），阳性对照（＊）由稀释的磁化剂（0.5mg／mL）组成[40] (www.xing528.com)

纳米造影剂在医学磁共振成像中常用来增加对比度，石墨烯量子点（GQD）在其中也起着重要的应用。在最新的研究中，Zhou研究团队合成了用不同链长PEG官能化的亲水性钆特酸葡甲胺（Gd-DOTA）复合物，并将其掺入GQD中以获得顺磁性石墨烯量子点（Paramagnetic Graphene Quantum Dot，PGQD）[41]。结果表明，在氢核磁共振谱（1H-NMR）弛豫研究中，PGQD的性能改善，其弛豫率比现有的商业MRI造影剂（如最常用的马根维显Gd-DTPA）高16倍左右，并且PGQD的弛豫率可以通过调节PEG的链长来控制。静脉注射PGQD后，通过MRI还可以动态监测其通过肿瘤区域的过程，如图4-7所示。该研究为高效MRI造影剂的设计和合成提供了新的思路。

图4-7　不同链长PEG修饰的PGQD，T1加权MRI显示了造影剂在肿瘤区域的渗透过程[41]