相比于光学成像，共振成像技术(magnetic resonance imaging,MRI)具有更佳的组织穿透深度和更高的分辨率，同时又可以获得解剖和生理信息。MRI 信号是在外界射频脉冲作用下，水质子弛豫所导致的感生磁场变化信号。根据磁化矢量在外加磁场下向平衡态趋向时，纵向(T1)以及横向(T2)分量弛豫时间，将 MRI 分为 T1/T1* 或 T2/T2* 加权两类。T1 加权成像较适合观察解剖结构，T2 加权成像较适合显示组织病变。而通常引入的 MRI 对比增强造影剂也可以按此分类，以钆螯合物为基础的对比剂，通过缩短纵向弛豫率(T1)，增加 T1 加权 MRI 序列的正对比度，是有效的 T1 造影剂；以超顺磁性氧化铁纳米颗粒(supermagneticiron oxide nanoparticles,SPIONs)为基础的对比剂，通过缩短 T2/T2* 弛豫时间，产生较强的 T2 负性对比效应，为 T2 造影剂。相对钆基 MRI 信号增强剂，SPIONs 具有生物相容性更好、弛豫率更高，且具有可降解性、长的体内留存及磁控靶向性等特点，近年来被广泛用于标记干细胞。作为一种简单有效的外源性标记策略，在动物模型上，以 SPIONs 为造影剂的 MRI 成像已被用于胚胎干细胞[1]、骨髓间充质干细胞[2]、神经干细胞等多种类型干细胞移植后的体内示踪。研究者用 SPIONs 标记多能干细胞，以 T2* 加权的 MRI 监测多能干细胞从注射部位向脑损伤区域的迁移，监测时间长达 4 周[3]。
值得注意的是，SPIONs 表面的修饰分子对它们作为干细胞示踪剂的稳定性、毒性及标记效率等有较大影响。Hyun Jung Chung 等[4]用透明质酸(hyaluronic acid,HA)与氨基化聚乙二醇( aminated polyethylene glycol,PEGNH2)修饰的 IONPs 标记间充质干细胞，修饰后的 IONPs 显示出更好的稳定性、分散性及更强的 MRI 对比度。Thu Mya S等[5]使用 ferumoxytol(FDA 批准的 SPION 制剂)与肝素、鱼精蛋白在无血清培养基上形成自组装纳米复合物(ferumoxytol-heparin-protamine,HPF)，有效地标记体内神经干细胞进行 MRI 成像，实现了至少 1000 个 HPF 标记细胞植入大鼠大脑的体内 MRI 检测。实验结果表明 HPF 成像与单独 ferumoxytol 相比，T2 弛豫增加了 3 倍。
此外，SPION 作为被美国食品药品监督管理局批准应用的补血剂、造影剂，被较早地应用于临床干细胞示踪研究。早在 2006 年，Zhu J 等就利用 Feridex I.V.(FDA 批准造影剂，2008 年撤回)与 Effectene 复合物标记患者自体移植神经干细胞并示踪其在脑损伤区域的增殖与迁移[6]。此后，Margarita Gutova 等使用右旋糖酐修饰 ferumoxytol，标记神经干细胞并移植到脑瘤患者体内，利用 MRI 可在多个时间点持续稳定地跟踪神经干细胞分布，持续 12 周[7]。Janowski 等采用聚赖氨酸(polylysine,PLL)修饰的 Ferumoxide 复合物标记脐带血来源神经干细胞，然后移植到严重脑缺血损伤婴儿的侧脑室，MRI 成像可长期监测神经干细胞增殖迁移，到 33 个月时检测不到信号[8]。
图1 磁纳米颗粒在磁共振成像造影剂应用中的构-效关系
磁粒子成像(magnetic particle imaging,MPI)是一种全新的基于功能和断层影像技术检测磁性纳米颗粒空间分布的成像方式。2001 年，德国汉堡飞利浦实验室科学家 Gleich 提出了 MPI 的概念，他和另一位科学家 Weizenecker 在 2005 年研制成功了首台 MPI 扫描仪[9]。MPI 的成像原理基于朗之万顺磁定律非线性磁化曲线。MPI 的静态梯度磁场，即选择场，使不同位置的磁粒子产生有区别的信号。选择场在每一空间位置都有相对应的场向量，在中心位置场向量为 0，该点称为无场点(field-free point,FFP)，磁场强度为 0。当 FFP 通过含有磁粒子的区域时，距 FFP 较远的粒子达到磁饱和，不会对总磁场的变化产生反应，接收线圈不会检测到信号。相反，FFP 附近区域内的粒子未达到磁饱和，磁性粒子磁化在大小和方向发生变化，在接收线圈中检测到信号电压，电压信号被分配到 FFP 每一位置重建，便可得到磁粒子的空间分布信息，即 MPI 信号。由于机体组织具有反磁性，不产生任何干扰信号，所以 MPI 不显示解剖结构。MPI 具有高空间分辨率和高时间分辨率的优点，可以实时成像。由于成像不显示解剖结构，不产生干扰信号，因此示踪剂分布图像具有高对比度。MPI 通过直接探测调制场的非线性响应直观地反映示踪材料的分布，磁粒子标记的细胞不仅具有高灵敏度、高对比度和几乎零信号衰减，而且还能准确地量化成像体积中细胞数量，因此 MPI 用于干细胞示踪成像具有很大优势。Bulte 等在小鼠两侧大脑半球中注射 MNP 标记的不同数量的干细胞并行 MPI 扫描，发现 MPI 信号强度与注入的不同数量细胞之间存在相关性[10]。Bo Zheng 等用铁氧化物标记间充质干细胞，采用纵向 MPI-CT 成像技术与等离子体质谱技术检测生物体内不同器官(肝脏、脾脏、心脏、肺部等)的铁含量，进而分析间充质干细胞的生物分布情况，结果表明两种方式最终测量结果非常一致(R2=0.943)[11]。说明 MPI 拥有在无创成像、量化细胞疗法和其他治疗药物的系统分布方面具有强大的实用价值[12]。
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