新型无金属碳自由基磁共振成像（MRI）造影剂的研发及应用前景

为解决金属离子造影剂安全问题，研究人员开发出 TTM-PhTTM NPs，其有高水溶性等优势，助力生物医学成像。

　　近年来，发光碳自由基作为一种有前景的功能化材料崭露头角，研究主要集中于单自由基，而双自由基中单个分子展现出的更高自旋密度为其磁性研究提供了更大价值。在临床磁共振成像（MRI）应用中，传统金属造影剂占据主导地位，但金属离子在体内的积累存在潜在安全风险，因此探索新型无金属有机磁性纳米材料成为更安全的选择。这项工作引入了一种创新方法，首次将发光三苯甲基双自由基包裹进纳米颗粒（TTM-PhTTM NPs），制备出无金属碳自由基基 MRI 造影剂。这些双自由基纳米颗粒具有高水溶性、低细胞毒性，且在高还原环境中稳定。值得注意的是，TTM-PhTTM NPs 在抗坏血酸中暴露 24 小时后仍保持强电子顺磁共振（EPR）信号，即使浓度高达 1400μg/mL 时，细胞活力仍保持在 80% 以上。此外，TTM-PhTTM NPs 的 T₁纵向弛豫率达到 0.35mM^?1s^?1，是无金属有机磁性纳米材料中记录的最高值之一。孵育 6 小时后，成像对比度显著增强，T₁信号强度随 TTM-PhTTM NPs 浓度增加而升高。该研究为稳定、生物相容性好的碳基自由基作为 MRI 造影剂的应用开辟了道路，凸显其在安全有效的生物医学成像应用中的潜力，为基于碳自由基的成像技术进一步发展奠定了坚实基础。

磁共振成像（MRI）已成为可视化人体各种组织和器官不可或缺的工具。该技术基于强磁场激发的氢核共振（HNR）信号重建图像。与 X 射线计算机断层扫描（CT）和超声不同，MRI 具有组织检测深度大、空间分辨率高、软组织对比度好的优点，且不会对人体造成电离辐射，这是其显著的技术优势。然而，某些组织或肿瘤部位氢核的均匀弛豫时间会限制 MRI 的灵敏度，尤其是在检测早期或小肿瘤时。为解决这一问题，人们使用造影剂增强目标区域与周围组织弛豫过程的差异，从而提高成像质量、增强对比度和分辨率。虽然基于钆离子的 T₁造影剂在临床上广泛使用，但人们对其安全性存在担忧，如潜在的金属离子积累和相关全身风险。这些限制促使人们开发更安全的无金属替代品。最近，Xu 等人引入了一维单分子纳米颗粒（NPs），作为钆离子的纳米离子螯合剂来提高造影剂性能，该设计获得了很强的 T₁加权磁共振信号和延长的停留时间，可用于淋巴系统成像。但金属造影剂的固有风险仍突出了创新非金属解决方案的必要性。在这种背景下，有机自由基成为有前景的 MRI 造影剂候选者。例如，TEMPO 和 PROXYL 等自由基已得到不同程度的研究，但它们易受生物还原影响且顺磁性能有限，限制了实际应用。相比之下，发光碳自由基因其独特的电子跃迁模式和显著的稳定性受到关注，并在有机发光二极管（OLEDs）、生物成像、生物传感和光动力疗法（PDT）等领域取得重要进展。碳自由基多样的自旋密度及其磁性，使其在 MRI 应用中极具吸引力。在这里，研究人员使用 1,2 - 二硬脂酰 - sn - 甘油 - 3 - 磷酸乙醇胺 - N-[甲氧基（聚乙二醇）]（DSPE-PEG2000）包裹三苯甲基双自由基 4,4″- 双（双（2,4,6 - 三氯苯基）甲基）-3,3″,5,5″- 四氯 - 1,1':4′,1″- 三联苯（TTM-PhTTM），制备出一种新型无金属有机磁性纳米材料造影剂。这种方法利用碳自由基的稳定性和顺磁性，解决了传统金属和氮氧自由基基造影剂的局限性。实验结果表明，成功合成了具有出色尺寸稳定性、抗还原性，且能有效缩短氢核纵向弛豫时间，从而增强 MRI 对比度的无金属有机磁性纳米材料。此外，该造影剂具有良好的生物相容性和低生理毒性，凸显其作为传统造影剂更安全替代品的潜力。

双自由基纳米颗粒的合成过程：将含有 500μL 碳双自由基四氢呋喃溶液（0.5mg/mL）和 500μL DSPE-mPEG₂₀₀₀四氢呋喃溶液（8mg/mL）的混合溶液超声处理 8 分钟使其充分混合。随后，在室温 45°C 下避光旋转蒸发除去四氢呋喃溶剂，形成由碳双自由基和载体材料组成的均匀薄膜。

结果与讨论：TTM-PhTTM NPs 的表征结果见电子补充信息。如图 1 所示，TTM-PhTTM NPs 的电子顺磁共振（EPR）光谱表明存在未成对电子。通过动态光散射（DLS）和透射电子显微镜（TEM）分析测量了 TTM-PhTTM NPs 的水合粒径、形态和分散状态。DLS 分析显示其在水和磷酸盐缓冲盐水（PBS）中呈单峰分布。

结论：研究人员通过两亲性聚合物 DSPE-PEG2000 纳米沉淀法，成功合成了以 TTM-PhTTM 双自由基为核心的核壳纳米颗粒（NPs）。TTM-PhTTM NPs 在水中具有出色的尺寸稳定性和单分散性，在模拟生理环境中具有显著的抗还原性。TTM-PhTTM NPs 能够促使周围水分子加速回到平衡状态，从而缩短……（原文此处未完整表述）。

CRediT 作者贡献声明：Wenjia Tan：调查、形式分析、数据整理。Xinru Li：调查、形式分析、数据整理。Jiajing Zhu：资源、形式分析、数据整理。Yihan Zhao：形式分析、数据整理。Wenzhao Wang：形式分析、数据整理。Feng Li：写作 - 评审与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。

利益冲突声明：作者声明他们不存在已知的可能影响本文所报道工作的财务利益或个人关系冲突。

致谢：本研究得到吉林省自然科学基金（项目编号：YDZJ202501ZYTS008）和国家自然科学基金（项目编号：51925303）的资助。