作者：王晓燕，杭州师范大学附属萧山医院放射科

磁粒子成像（magnetic particle imaging， MPI）是Gleich和Weizenecker在2005年首次提出的一种新型的基于示踪剂的活体生物成像技术，具有非侵入性、无背景噪声、无穿透深度限制和零电辐射的独特成像特性，显著区别于CT、MRI和超声等传统成像模式。MPI与核医学技术类似，通过追踪放射性核素，监测示踪剂在体内的分布，展现出高敏感度和无背景干扰的特点，并可直接进行定量分析。此外，MPI具有卓越的高空间和时间分辨率，能够在不受解剖结构影响的情况下进行实时成像，提供高对比度的示踪剂分布图像。

尽管MPI目前仍处于临床前研究阶段，但其在生物医学成像领域的潜力已引起医学科研工作者的广泛关注。近年来，MPI在生物医学研究中的应用显示出巨大的临床应用前景。笔者对MPI的基本成像原理、成像示踪剂及其生物学毒性，以及MPI在生物医学研究中的应用进展进行综述，旨在探讨其最新的研究动态及应用价值，并对其在生物医学领域的未来发展前景进行展望。

1. MPI基本成像原理

MPI 的成像原理基于朗之万顺磁定律非线性磁化曲线，MPI以磁性纳米粒子作为示踪剂，其磁化状态在外加磁场作用下与场强对齐，并在场强达到一定阈值时达到饱和状态。当示踪剂置于频率为f1 的振荡磁场中，其磁化强度M（t）随时间变化，产生包含驱动频率f1 及其谐波频率的信号。这一振荡磁场被称作“调制场”，其信号通过傅里叶变换分析，能够实现对示踪剂局部浓度的定量测量。

在MPI成像过程中，引入静态梯度磁场，称为“选择场”，以实现对感兴趣区域（region of Interest， ROI）的空间编码。选择场中心设置有一个磁场强度为零的无场点（field-free point， FFP），随着FFP向选择场边缘移动，磁场强度逐渐增强。在FFP以外的区域，示踪剂的磁化强度因饱和而不再响应调制场。仅在FFP附近，示踪剂对调制场有响应，从而产生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可以生成无背景干扰的图像。

2. MPI示踪剂及其生物学毒性

MPI 是一种基于示踪剂的成像技术，示踪剂的磁性特性对图像的敏感度和分辨率起着非常重要的作用。MPI使用的对比剂与MRI所用的对比剂在物理化学特性上具有相似性，而优秀的成像效果则依赖于对比剂的这些特性。因此，开发具有高成像效果和良好生物安全性的示踪剂对于MPI的应用至关重要。目前，MPI常用的示踪剂主要是以铁磁为核心的超顺磁性氧化铁纳米粒子（superparamagnetic iron oxide nanoparticles， SPIONs），SPIONs不仅作为成像对比剂，也可作为治疗贫血患者的铁补充剂。

研究表明，MPI的敏感度与SPIONs的磁矩密切相关，而磁矩本身则依赖于纳米粒子的直径大小。因此，选择适当大小的纳米粒子是获取最优MPI信号的关键。虽然，铁羧葡胺已获得欧盟临床应用批准，但其粒子直径太小，且粒径分布欠均匀，并不是最佳的MPI示踪剂。所以，开发适当大小的MPI示踪剂成为研究者们亟待解决的问题。

目前，商业化的Vivo Trax 已实现临床前应用，在此基础上，研究者们开发了一些新的纳米粒子，并进行优化。如Shasha等通过实验发现单核磁铁矿纳米颗粒的理想核心尺寸为28 nm左右，然后根据具体的硬件条件（如外加场的振幅和频率）、纳米粒子的表面涂层以及颗粒的各向异性进行细致调整，可实现最佳的MPI成像效果。进一步的技术突破来自加州大学伯克利分校与佛罗里达大学的合作研究，他们开发了一种新型的高分辨率MPI示踪剂——超铁磁性粒子（superferromagnetism，SFMIO）。在7 T/m的磁场梯度下，SFMIO的成像分辨率比现有的商用MPI示踪剂提高了10倍。这一进步不仅提升了MPI的成像精度，也使得以SPIO 为核心的纳米粒子在医学科研中受到了极大的关注，这些发现为优化MPI示踪剂的设计和应用提供了重要的实验依据。

示踪剂的生物学毒性成为医学科研工作者关注的又一大焦点。为了降低SPIO的生物毒性，科研人员探索了多种表面修饰策略。采用固体脂质和生物大分子如壳聚糖包覆SPIO，以改善其生物相容性和减少细胞毒性，制成细胞易于吸收的铁磁性纳米粒子。固体脂质与细胞膜磷脂双分子层具有较好的生物相容性，可与细胞膜融合，易内吞入细胞，进而标记细胞。壳聚糖因其低毒性、生物降解性、生物相容性和抗菌性等特性而受到特别关注。

研究表明，壳聚糖改性的SPIO不仅提高了生物相容性，还增强了其在生物医学中的应用性能，并展现出对革兰氏阳性和阴性病原菌的潜在抗菌活性。近年来，研究人员对SPIONs在人间充质干细胞、小鼠胚胎干细胞和神经干细胞中的细胞毒性进行了广泛研究。研究发现，氧化铁纳米颗粒不仅能够被干细胞有效内化，而且也不会影响细胞的生长或分化能力。特别值得注意的是，在低频MPI成像条件下，氧化铁纳米颗粒展现出的成像敏感度是铁羧葡胺的4倍，同时保持了细胞的生存能力。在此基础上，科研人员开发了一种新型MPI示踪剂CIONs-22。该示踪剂在MPI成像中产生的信号强度显著高于商业化的Vivo Trax，高达4.15倍。

更重要的是，MPI信号与CIONs-22 中的铁（Fe）浓度之间显示出稳健的线性关系，这表明CIONs-22是一种可靠的定量研究工具。此外，CIONs-22的生物相容性极高，即便在高浓度下也未观察到显著的细胞毒性。而且，CIONs-22处理后的小鼠骨髓间充质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cells， BMSCs）仍然保持着多能性，这表明干细胞分化过程未受此纳米粒子的影响。MPI成像示踪剂的一项显著优势是其不含肾毒性物质（如碘基），不会造成肾性纤维化等不良反应的发生。这一特性不仅提高了MPI的安全性，也为其在临床应用中提供了更广泛的应用前景。

3. 磁粒子成像在生物医学研究中的应用进展

MPI能够在采集时间<0.1 s、空间分辨率<1 mm的条件下实现定量成像，这使得MPI在实现高质量实时成像方面具有显著的优势。尤为引人注目的是，MPI的检测敏感度极高，能够检测到细胞内微摩尔级别的SPIO，且能够识别低至200个细胞内（相当于5.4 ng Fe）的SPIO。这些成果预示着MPI在安全性、示踪、检测、监测和诊断等方面具有巨大的应用潜力。目前，MPI的广泛应用已经渗透到多个医学领域，包括但不限于癌症生物学和血管成像、肿瘤成像、细胞追踪、淋巴结分期、肺栓塞的通气/灌注检测以及创伤性脑损伤等。以下将对MPI在生物医学研究中的主要应用进展做简要概述。

3.1 MPI在细胞示踪方面的应用

近年来，MPI以其卓越的成像特性，在细胞示踪方面取得了重大进展。例如，干细胞的多向分化潜能使其在组织和器官修复中扮演着至关重要的角色。Bulte等已证实，MPI能够通过直接检测SPIONs的信号来识别SPIO标记的干细胞。MPI的信号强度与铁离子浓度及细胞数量之间展现出线性相关性，为细胞定量提供了一种新的策略。尤为重要的是，MPI信号不受周围组织的影响，并且在组织深度增加时信号没有明显的衰减，这一特性是MRI所不具备的，这表明MPI在分子影像学中具有潜在的临床应用价值。

在干细胞治疗中，MPI可以有效监测和追踪被SPIO标记的干细胞，使得研究人员能够观察干细胞在损伤部位的聚集和修复过程。MPI作为一种零电辐射的成像技术，不仅减少了对实验动物的影响，而且允许更长时间的成像，提高了图像质量，从而增强了实验结果的可信度。在再生医学研究中，MPI已被用于跟踪监测干细胞，如在颅骨损伤修复和后肢缺血小鼠模型中，通过MPI追踪标记有SPIONs的BMSCs，并观察它们在损伤部位的生物学行为。

此外，通过静脉注射SPIONs标记的MSCs，MPI成功追踪了干细胞在啮齿动物体内的生物分布。这些细胞最初通过肺部，随后被清除至肝脏和脾，展示了MPI 在追踪治疗性细胞生物分布方面的高感敏度。MPI在定量检测实验动物肝脏和肾脏包膜下标记的胰岛方面也具有显著的潜力。

在胰岛移植后的第一天，MPI能够提供高对比度的信号，在移植后2周，MPI信号的定量变化与胰岛细胞的丢失呈现出明显的正相关性，为监测移植细胞的存活和丢失提供了一种非侵入性的方法。此外，MPI也被应用于追踪肿瘤相关巨噬细胞和中性粒细胞在活体内的炎症位点，展示了MPI在监测炎症过程和评估治疗效果方面的潜力，这些进展不仅突显了MPI在细胞追踪方面的潜力，也表明了其在生物医学研究中的广泛应用前景，特别是在需要精确细胞定位和动态监测的领域。

3.2 MPI在血管成像方面的应用

MPI以其独特的零深度限制和无背景信号的成像优势，在疾病探测方面展现出卓越的成像效果。在血管成像和灌注成像领域，MPI能够清晰地揭示病灶的具体位置和数量，同时作为一种安全无创的检查手段，还能根据需求提供3D图像。Kaul等已经成功将MPI应用于小鼠体内血流速度的测量与量化，Herz等进一步证实了MPI在仿真模型中实时引导血管狭窄的经皮腔内血管成形术的可行性，Yu等利用MPI在小鼠模型中实现了对胃肠道出血的高敏感度检测，这些重大发现为外科止血手术提供了精确的指导。

此外，MPI在血流动力学和代谢变化研究中也显示出巨大潜力，这些变化与神经元活动紧密相关，涉及脑血流量（cerebral blood flow， CBF）、脑血容量（cerebralblood volume， CBV）和脑氧代谢率（cerebralmetabolic rate of oxygen， CMRO2）。研究发现，利用MPI中使用的长循环示踪剂，可以直接测量CBV的变化，为研究脑缺血性和出血性卒中提供了新的视角。研究者以46卷/s的速度采集MPI图像，在大脑中动脉闭塞的啮齿动物模型中完成了首次示踪剂灌注测量。这种首过测量技术允许对动力学参数进行诊断性评估，包括示踪剂通过时间、CBF和CBV。

类似方法也被应用于评估脑出血，这对于确定卒中的类型和制定治疗方案至关重要。加州大学伯克利分校的研究团队利用MPI评估啮齿动物创伤性脑损伤（TBI）模型中CBV的变化，MPI数据清晰地展示了TBI相关血管损伤的严重程度和深度，这是最早使用MPI可视化TBI中原发性脑损伤和相关血肿的研究之一。最新的MPI方法利用磁性纳米颗粒的多普勒样效应测量血流速度，有效减少了成像过程中的伪影。MPI以其零背景信号及无电辐射特性，有效弥补了PETCT等成像技术的不足，日益成为血管外科专家关注的重点。

3.3 MPI在肿瘤免疫治疗中的应用

MPI作为一种前沿工具，不仅能够以一种安全且有效的方式追踪移植细胞的分布及其生物学功能，也可用于肿瘤微环境的评估，在肿瘤免疫治疗中展现出其独特的价值。肿瘤的预后和对免疫治疗的响应与其微环境紧密相关，例如，免疫细胞（如CD4/CD8 T细胞）的肿瘤负荷可以预测肿瘤对检查点免疫治疗的响应。免疫丰富的肿瘤微环境对免疫疗法治疗癌症具有良好的效果。然而，富含中性粒细胞和巨噬细胞炎症细胞的肿瘤微环境可导致肿瘤转移，这同时也说明了MPI在追踪肿瘤相关巨噬细胞和中性粒细胞方面具有巨大的诊断和治疗价值。

纳米颗粒已被证实通过增强渗透和滞留（enhanced permeation and retention，EPR）过程在肿瘤病灶中积累。EPR的发生主要是因为肿瘤内的血管生成而导致血管渗漏。免疫细胞和肿瘤微环境对纳米颗粒的吸收都可以促进EPR效应。因此，白蛋白和纳米颗粒等大分子能够在肿瘤微环境中积聚并被长时间滞留，这也为MPI能够长时间观察示踪剂在肿瘤内的分布与聚集提供可靠依据。

加州大学伯克利分校的研究团队首次应用MPI观察EPR效应，通过在啮齿动物三阴性乳腺癌异种移植模型中静脉注射长循环示踪剂，揭示了肿瘤在不同时间点的经典边缘增强和核心增强模式，并于示踪剂给药后6 h记录到肿瘤中的峰值信号。组织学研究显示肿瘤内免疫细胞摄取与MPI示踪剂摄取之间存在很强的相关性，应用MPI监测标记有示踪剂的免疫细胞，进而追踪细胞在靶位点的聚集、活性、生物分布及其生物学行为。

MPI信号的持久性和示踪剂对标记细胞的无毒性，使其成为监测基于嵌合抗原受体（chimeric antigen receptor，CAR）和肿瘤浸润性淋巴细胞（tumor-infiltrating lymphocytes，TILs）的免疫疗法方面的理想工具。MPI允许对CAR标记的细胞进行实时空间定位，并为肿瘤学家提供治疗策略，使他们能够优化每个患者的免疫疗法。此外，MPI在精确和个性化的免疫治疗跟踪方面也展现出巨大潜力。例如，CAR-T细胞疗法的高靶点特异性，使用synNotch转录回路等创新技术，为识别和杀伤癌细胞提供了新策略，并有潜力被重新用于癌症的早期诊断。

利用癌症早期表达的多个启动靶点，MPI能够追踪工程化T细胞，实现早期肿瘤的识别，为早期癌症筛查提供了新的手段。MPI在肿瘤免疫治疗诊断中的应用，为早期诊断肿瘤免疫相关疾病开辟了新途径。除以上所述生物医学研究应用外，MPI技术在其他领域同样展现出巨大潜力，包括利用通气/灌注成像检测肺栓塞，心血管粥样硬化斑块的识别、监测白细胞向炎症位点的迁移以及肿瘤的热疗等。这些应用突显了MPI在生物医学领域具有极高的应用价值，大有可能取代某些传统成像模式的趋势。

来源：王晓燕.磁粒子成像在生物医学研究中的应用进展[J].临床放射学杂志,2025,44(08):1559-1563.DOI:10.13437/j.cnki.jcr.2025.08.021.