引　言

肺部疾病，如慢性阻塞性肺疾病和肺癌，已经成为全球健康领域的一大挑战，严重损害了患者的生活品质，并对社会的医疗系统造成了沉重的负担。因此，实现早期诊断和有效治疗对于提高患者生存率和生活质量至关重要^[1-2]。计算机断层扫描(computed tomography，CT)作为一种非侵入性的医学影像检查方法，在肺部疾病的诊断中发挥着关键作用，但其分辨率在检测早期病变时存在局限性。近年来，随着CT技术的不断发展，尤其是在图像分辨率和成像质量方面的改进，CT成像在肺部相关疾病中的应用得到了广泛关注^[3]。

通过对肺部组织的高分辨率成像，CT技术能够更准确地检测和定位病变，为早期诊断提供了有力支持。同时，随着CT技术的进步，医生能够更精准地进行手术规划和治疗方案制定，提高了治疗效果和患者的生存率。然而，传统的CT成像在检测微小病变和提高对比度方面仍然存在挑战。为了克服这些问题，纳米CT造影剂作为一种新兴技术备受关注，并展现出巨大潜力^[4]。

纳米CT造影剂具有粒径较小、利于渗透肺泡和血管的特点，能够提高对微小病变的检测能力。通过调节其表面性质，可以增强造影剂与肺部组织的相互作用，提高图像的清晰度和对比度。此外，纳米CT造影剂的长血液半衰期使其能够延长影像增强效果的持续时间，提高诊断准确性。目前，纳米CT造影剂的研发主要着力于改进制备工艺、对造影剂表面进行修饰提升其靶向性、光学特性及成像效果。例如，采用逆微乳液法^[5-6]成功制备高稳定性、低毒性、生物兼容性好的纳米CT造影剂，并详细评价其理化性质和生物学功能。有研究通过在纳米造影剂的表面修饰单克隆抗体^[7]或小分子^[8]，增强其与特定肿瘤细胞间的亲和力，从而提高图像诊断的精确性和灵敏性。

应用层面上，纳米CT造影剂已被用于肺部疾病的诊断和治疗中。目前已有研究将纳米CT造影剂注射到肺癌患者体内，通过CT成像分析，发现这种新型造影剂显著提高了肿瘤的可见性和检测的准确性，有助于清晰区分肺癌患者的分期^[9]。纳米CT造影剂也被应用于肺部炎症^[10]、肺部纤维化^[11]等疾病的诊断和治疗，并取得了积极的成果。随着技术的不断改进和应用的推广，纳米CT造影剂将为肺部疾病的诊断和治疗带来新的突破，为患者提供更好的医疗服务和治疗效果。

本文首先简单介绍了计算机断层扫描，随后阐述了基于纳米颗粒的CT造影剂在肺部疾病诊断和治疗中的研究应用，特别是聚焦于基于金纳米颗粒及其改性产品的最新发展。同时，本文也将讨论当前这一领域面临的技术挑战和未来可能的发展方向，强调基于纳米颗粒的CT造影剂在提升肺部疾病精确诊断和治疗效果方面的巨大潜力。

1 计算机断层扫描 1.1 X射线生成

X射线是一种波长在0.01～10 nm间的穿透性强的高能电磁辐射，于1895年由德国物理学家威廉·康拉德·伦琴（Wilhelm Conrad Roentgen）在进行实验时偶然发现^[12]。X射线在X射线管内产生，X射线管是X射线系统中至关重要的组件，包含了阳极和阴极两个电极，分别用于接受电子轰击的靶材和发射电子的灯丝。这两极被密封在高真空的玻璃或陶瓷外壳内，确保X射线生成过程的稳定性和可靠性。X射线管的供电部分至少包括一个低压电源用于加热灯丝，以及一个高压发生器用于给两极施加高电压（图1）。

钨因其高原子序数和高熔点常被用作阳极材料，当来自阴极的高速电子与金属阳极碰撞时，会产生连续光谱的X射线光子，即轫致辐射（图2(a)）；同时，入射电子与金属原子内层电子碰撞时也会产生特定能级的X射线，这种辐射称为特征辐射（图2(b)）。

1.2 X射线与物质的相互作用

X射线束在物体内传播时，其强度随着物体厚度的增加而减弱，发生X射线衰减。这个过程受布格−朗伯−比尔定律的支配^[15-16]，该定律表明X射线强度的减弱与物体的厚度、吸收系数有关，反映了不同物质对X射线吸收能力的差异^[17]。X射线对材料的吸收与其密度和原子序数紧密相关，这种关系使得CT扫描能够清晰地区分不同密度和成分的组织或器官，显著提高图像的对比度^[18-19]。

X射线与物体之间的相互作用主要包括相干散射、康普顿散射和光电效应（图2(c)）。在相干散射中，入射X射线的能量被原子吸收，然后以随机方向发射具有相同能量的X射线。由于相干散射主要发生在低能量下，因此在临床应用中贡献较小，更多应用于研究物质的晶体结构和性质。康普顿散射发生在X射线光子与原子外壳电子碰撞时，其中一部分X射线能量转移到电子上，导致X射线光子偏转。康普顿散射取决于物体的电子密度，而与原子序数无关。这种散射过程在医学成像中起着重要作用，可以用于获取组织的密度信息，并生成X射线影像。光电效应是X射线与物质中的原子内层电子发生相互作用，导致电子被释放出来的过程。在光电效应中，X射线的能量被完全吸收，从而使原子内层电子脱离原子，并产生光电子。这一过程在X射线成像和能谱分析中都有重要应用，可以用于确定物质的化学成分和原子结构。

在CT成像中，患者身体产生的散射辐射是主要来源。使用高能X射线可减少辐射暴露，因为随着X射线能量的增加，到达探测器的光子数量也会增多。

1.3 CT成像

计算机断层扫描技术通过结合X射线成像技术、电子机械设备、计算机控制和数学分析，从而高精度地展示体内结构。为了满足人们对更好、更可靠的医疗诊断这一日益增长的需求，这项技术正在飞速发展。过去几十年来，X射线CT扫描的断层重建技术一直存在。约翰−拉顿为三维断层成像奠定了数学基础（图3）。

CT设备主要由三大部分组成，分别是扫描系统、数据处理系统和图像显示系统。扫描系统负责产生和接收X射线，当患者位于扫描台上时，X射线源会旋转周围，向患者身体发射X射线束。患者身体内部不同组织对X射线的吸收程度不同，这些被吸收和透射的X射线将被探测器捕获。通过旋转X射线源和探测器的运动，可以获取大量的二维X射线图像（图4）。

数据处理系统负责接收、处理和分析从扫描系统获得的数据，最终生成可视化的图像。数据处理系统使用复杂的算法对多个不同方向的二维图像数据进行整合和重建，从而创建出高质量的三维图像。这个过程涉及到大量的数据处理、计算和算法运算，需要高度精密的技术支持，以确保生成的图像具有准确性和清晰度（图5）。

最终，由图像显示系统将数据处理系统生成的图像呈现给医生进行观察和诊断。图像显示系统能够以高清晰度、高对比度的方式显示二维和三维图像，同时提供各种图像处理功能，如放大、缩小、旋转、对比度调节等，帮助医生更好地分析图像细节。

总而言之，CT设备的三大组成部分相互配合，共同完成了从X射线扫描到图像重建再到图像显示的整个过程，为医生提供了全面、立体的人体内部结构信息，帮助他们做出准确的诊断和治疗计划，从而更好地照顾患者的健康。

随着技术的不断发展，CT扫描设备也经历了从单层到多层螺旋CT的演进，显著提高了扫描速度和图像质量^[23]。现代多层螺旋CT能够在极短时间内完成高分辨率的全身扫描，为医学诊断和治疗提供了更加精确且详细的信息。在COVID-19疫情期间，我国基于非接触成像工作流程这一创新方案，引入了集成视觉人工智能技术的移动CT平台。这一举措不仅减少了医护人员与患者之间的接触，还提高了诊断效率和操作的安全性（图6）。

CT技术在疾病的早期发现、治疗规划以及疗效监测方面发挥着重要作用。特别是在肺部疾病的成像方面，CT技术能够提供详细的图像，帮助医生诊断出肺部感染、肺纤维化、肺癌等多种肺部疾病。随着技术的持续进步，未来CT在医学诊断和治疗领域的应用预计将变得更加广泛和深入。

2 纳米CT造影剂应用于肺部疾病

传统CT成像技术在区分密度相近的各种软组织时，常常面临对比度不足的问题。为了解决这一难题，科学家们致力于研究和开发新型造影剂，目的是提升CT成像的对比度与灵敏度。在临床上，最普遍使用的CT造影剂为无机碘小分子。然而，这类造影剂存在诸多限制，如造影时间短、具有肾毒性以及分布非特异性等，这些问题在特定的应用场景中限制了其效果。纳米技术的发展为改善这些传统造影剂的局限性提供了新的可能。

纳米颗粒因其较大的比表面积和较小的尺寸，能够携带更多的造影元素，显著增强造影能力。此外，纳米颗粒的微小尺寸使其易于进入直径微小的毛细血管，更有效地在靶组织上沉积，尤其是在癌变区域，从而提高成像效果。

基于纳米颗粒的CT造影剂已经取得了重要进展。这些进展包括开发了含金、银、铋和钽等金属的纳米造影剂。这些纳米造影剂不仅具有良好的生物相容性和稳定性，而且还可以通过对其表面修饰实现靶向成像和多模态成像等功能。相较于无机碘造影剂的局限性，基于纳米颗粒的CT造影剂在特定的临床应用中显示出更大的潜力。

纳米CT造影剂在肺部疾病治疗中扮演着至关重要的角色。首先，通过CT成像，医生能够精确定位肿瘤的位置和边界，从而提高手术的精准度，并减少对正常组织的损伤，进而提高手术成功率。其次，这些造影剂可用于监测治疗后肿瘤的变化。通过连续的CT扫描，医生可以评估治疗效果，观察肿瘤的大小、形态和密度的变化，有助于及时调整治疗方案。最后，纳米CT造影剂与高分辨率CT成像相结合，有助于医生更好地了解肿瘤的特征，制定个性化的治疗方案，提高治疗的针对性和有效性^[25-26]。研究显示，基于金纳米颗粒的纳米造影剂具有巨大的潜力，可以提升CT成像的性能，并在肺部疾病的诊断、治疗和监测中发挥着重要作用。通过增强CT成像的质量和对比度，这些纳米造影剂为肺纤维化等疾病的治疗提供了辅助，例如手术导航和治疗效果评估，展示了CT成像在医学诊断领域的潜力和前景。

2.1 金基纳米造影剂

在临床CT成像中，传统的无机碘造影剂由于其较短的造影时间、肾毒性以及非特异性分布等局限性，在区分密度相近的软组织方面面临挑战。与之相比，金（Z=79，K-edge=80.7 keV）因其更高的X射线吸收能力，在约100 keV的X射线能量下，相较于碘（Z=53，K-edge=33.2 keV），可以提供大约3倍的对比度增强^[27]。此外，金纳米颗粒因其化学惰性，不释放有毒金属离子，展现出了良好的生物相容性，包括无毒性、无免疫原性和高组织透过性，不会干扰细胞功能^[28]。值得注意的是，金纳米颗粒具备较长的血液循环时间，这为成像提供了更长的时间窗口，使其在癌症成像和治疗中更为安全可靠，因此得到了广泛应用^[29-32]。

近期，Zhang等^[33]采用多模态成像的策略，结合荧光成像（fluorescence imaging，FL）的高灵敏度和CT成像的高空间分辨率，为肺鳞状细胞癌（squamous cell carcinoma，SCC）的诊断和治疗提供了一个全面的视角。这种方法不仅弥补了FL成像在深层组织成像方面的局限，还利用CT成像精确描述了肿瘤的位置、大小和形态，大大提升了对肺鳞状细胞癌诊断和治疗的精确性。他们通过将金纳米团簇与Dsg−3抗体进行偶联，成功合成了尺寸为2.2 nm的Au−Dsg−3纳米颗粒。这些颗粒在体内表现出优异的稳定性，并能够精确显示肿瘤的定位，展现出了靶向的双模FL/CT功能，使其成为理想的无创、快速检测肺部SCC的CT造影剂（图7）。

在肺纤维化的研究领域，基于金纳米颗粒（AuNPs）的纳米造影剂展现出了对提升CT成像性能的巨大潜力。这些纳米造影剂通过精心设计，不仅增强了CT成像的对比度，还实现了对疾病状态和治疗过程的深入理解，为肺部疾病的诊断和监测提供了有效的手段（图8）。

Yu等开发的CPP-PSD@Au纳米造影剂是一个典型例子，它通过PH敏感聚合物和细胞穿透肽的修饰，在弱酸性条件下显著提升了细胞的摄取量。这种设计不仅使得纳米造影剂在CT成像中表现出良好的性能，而且实现了对干细胞长达35天的精确跟踪^[11]。这一进步说明，通过与纳米技术相结合，可以显著提升CT成像的质量和持续性，从而为肺纤维化等肺部疾病的诊断提供了新的视角（图8a）。

另外，Au@PEI@PEG纳米颗粒作为示踪剂的研究突显了金纳米颗粒在提升CT成像性能方面的有效性。这些纳米颗粒不仅能够通过CT成像清晰可视化细胞行为，还能借助生物发光成像（BLI）监测细胞活力，为观察治疗效果提供了双重验证^[34]。这一结合策略优化了CT成像的分辨率和对比度，同时提供了关于干细胞功能状态的额外信息，从而增强了诊断和治疗监测的全面性（图8b）。

此外，金纳米颗粒还被开发为具有活性氧清除功能的材料，如SOD@Au NS，这些纳米颗粒既能作为CT造影剂，也能减轻干细胞治疗中的氧化应激损伤^[35]。这种策略不仅提高了治疗过程中干细胞的存活率，而且通过CT成像提供了直观的观察手段，有助于评估治疗效果，体现了CT成像在诊断及治疗评估中的重要作用（图8c）。

最近的研究提出的Janus Au/介孔二氧化硅核/壳纳米系统，展示了在纤维化肺环境中响应性释放药物的能力，并通过CT成像进行长期追踪^[36]。这种纳米系统的开发不仅提升了药物治疗的效果，更重要的是，它通过长期的CT成像跟踪，加深了对治疗机制的理解（图8d）。

总之，这些研究强调了基于金纳米颗粒的纳米造影剂在提升CT成像性能方面的重要贡献。通过提高成像质量和对比度，这些纳米造影剂为肺纤维化等肺部疾病的诊断和治疗监测提供了新的工具，展现了CT成像在医学诊断领域的潜力与前景。

2.2 其他金属元素掺杂的金基纳米造影剂

金基纳米造影剂在肺部疾病诊断和治疗中发挥着重要作用，特别是通过掺杂其他金属元素实现了对CT成像效果的显著改进。这些改进不仅增强了金纳米颗粒在成像方面的能力，还赋予了它们更广泛的生物医学应用，尤其是在肺部疾病领域（图9）。

最近一项研究发现了一种新型金银纳米颗粒，通过X射线CT成像技术实现了肺部炎症的准确检测和定位^[10]。这种纳米颗粒不仅提高了CT成像的分辨率和对比度，还能有效抑制甲氧西林耐药金黄色葡萄球菌（MRSA）的感染，减轻肺组织损伤，展现出了双重功能的优势。通过结合CT成像和靶向治疗，该纳米造影剂为肺部疾病的诊断和治疗提供了全方位的解决方案。

另一项创新研究则开发了Au/GdNC@SiO₂纳米示踪剂，用于实现干细胞的CT/MR双模态成像追踪，以治疗肺纤维化^[37]。这种纳米示踪剂结合了CT和MR成像技术，能够精确跟踪干细胞在肺部的分布，提供高分辨率的图像。通过多模态成像的优势，不仅可以对治疗效果进行更全面的评估，还可以监测干细胞在体内的动态行为，为个性化治疗提供重要参考。

此外，Bi@Au纳米刺球在肺癌治疗中表现出了巨大潜力，不仅提高了肿瘤细胞的灭活率，在光热治疗中也表现出优异性能^[38]。这种纳米造影剂的多功能性使其在肺癌治疗中具有独特优势，而结合CT成像的精准定位和监测功能，则进一步提升了治疗效果。

综上所述，将其他金属元素掺杂到金基纳米造影剂中取得了显著进展，为肺部疾病的诊断和治疗带来了新的可能性。这些改进不仅提高了纳米造影剂的成像效果和治疗效果，还拓宽了它们的应用范围。通过多模态成像的优势，不仅可以实现对肺部疾病的全面评估，还能为个性化治疗提供更精准的方案。随着进一步研究和临床实践，这些纳米造影剂的潜力将得到更充分的发挥，为患者带来更好的治疗效果。

3 结论与展望

纳米CT造影剂在肺部疾病诊疗中的巨大潜力已经得到充分认可，其利用纳米材料的特殊性质，如高比表面积和可调控的表面化学性质，提高了肺部成像的对比度和分辨率，使医生能够更清晰地观察到肺部病变的细微变化。这对于早期发现肺部疾病、制定个性化的治疗方案以及监测疗效具有重要意义。再比如传统的CT造影剂存在肾脏毒性和过敏反应等副作用，而纳米CT造影剂可以通过表面修饰和材料选择等手段，降低其毒性和副作用，提高其在体内的稳定性和生物相容性。这为肺部疾病患者提供了更安全、更有效的诊疗选择。

然而，尽管纳米CT造影剂带来了许多积极影响，但其临床应用仍面临一些挑战和限制。首先，纳米CT造影剂的生物相容性和长期安全性仍存在不确定性，需要通过大规模临床试验和长期随访研究来评估其安全性和副作用。其次，纳米CT造影剂的制备工艺和临床应用流程亟需规范化和标准化，以确保其在临床实践中的安全性和有效性。

未来的研究可以重点关注新型纳米材料的开发，并深入探讨其结构与性能之间的关系，以优化其成像性能，提高在肺部成像中的应用效果。通过表面修饰和靶向设计等手段，提高纳米CT造影剂在肺部病变区域的富集度和持续时间，从而提高成像效果和诊断准确性。同时，还应加强纳米CT造影剂的质量控制和生产工艺管理，推动其规范化和标准化，确保在临床实践中的安全性和有效性。

随着纳米技术和材料科学的进步，未来可能开发出更多具有创新功能的纳米CT造影剂。这些新型造影剂可能支持多种成像技术，如CT、MRI、PET等，为肺部疾病的诊断提供更全面和精确的信息。此外，智能纳米造影剂的研发也将成为可能，它们可以感知肿瘤微环境的变化，如pH值、温度、氧化还原状态等，从而实现更精准和有效的肺部疾病诊断和治疗。

总之，纳米CT造影剂在肺部疾病诊断和治疗中具有巨大潜力，通过持续的技术创新和改进，有望为患者带来更早期、更精准的诊断，以及更有效、更安全的治疗方法。同时，这也将为医学成像领域带来新的发展机遇，推动整个领域不断向前发展。