多功能稀土上转换发光纳米材料用于活体成像的研究
上转换发光成像在光学成像中具有独特的优势,例如光稳定性好、信噪比高、成像深度更深。但是,目前稀土上转换发光纳米材料的发光量子产率还不够高,导致发光强度还比较弱。而且,受光学成像本身局限性的限制,其在活体成像中的分辨率和灵敏度都不够高,无法进行大动物的活体成像。更重要的是,无法进行绝对定量研究。另外,由于稀土元素不是生物体中的必需成分,其在生物体中的安全使用浓度和副作用必须给予仔细谨慎的评价。本论文针对这些问题开展研究,并探索其生物应用。本论文主要包括以下三大部分:
1.稀土纳米材料的多功能化及生物应用
新基质NaLuF4引入153Sm后实现稀土上转换发光纳米材料的多功能化,其上转换发光的量子产率达到0.67±0.07%,实现在日光灯下通过EMCCD收集800nm上转换发光进行淋巴管成像。在CT成像中,1mg/mL该材料相当于1.55 mg/mL商用X-ray CT造影剂-碘普罗胺,可实现淋巴管的高分辨X-ray CT成像。通过后标记的方法在常温常压下一步即可将稀土放射性核素153Sm3+标记到稀土上转换发光纳米材料,标记产率和5天血清稳定性达99%以上。我们将其用于SPECT成像可动态定量研究纳米材料在体内的分布、变化和排泄途径等。
153Sm3+标记稀土上转换发光纳米材料PEG化后可用于KB移植肿瘤被动靶向成像。注射后12 h,肿瘤内开始出现明显信号,该信号在注射后第36 h达到顶峰。活体SPECT成像提供了一种高灵敏度的方法定量研究生物分布和肿瘤靶向。
通过常温常压下一步无机反应可实现18F标记稀土上转换发光纳米材料,标记率大于90%。仅需通过清洗和离心即可纯化,该材料体内稳定,通过荧光和正电子信号可精确显示前哨淋巴结位置。
构建了核壳结构的稀土上转换发光纳米材料NaLuF4:Yb,Tm@NaGdF4,可实现在不破坏粒子的上转换发光能力和CT成像能力的情况下改善其MRI成像的能力。后标记18F或者153Sm后可实现五模式成像,提供更多的生物分布信息。
2.稀土上转换发光纳米材料用于绒毛膜癌细胞转移示踪
构建了NaYF4:Yb,Tm@NaLuF4双层结构以改善粒子的UCL发光效率,实现了绒毛膜癌JEG-3细胞血源性转移示踪。注射21天后,发现其主要转移到小鼠肺部,并形成肿瘤结节。毒性研究发现标记浓度(100μg/mL)下不会对JEG-3绒毛膜癌细胞的侵袭力、迁移能力、细胞活力和成瘤能力产生影响。
3.稀土上转换发光纳米材料的毒性研究
代谢研究发现稀土上转换发光纳米材料静脉注射后主要分布在肝、脾两组织,肺和肾内有少量信号。孕鼠胎盘中有明显的稀土上转换发光纳米材料信号,子代体内无信号。粒子主要通过胆汁排泄,而不是通过尿。
200和20 mg/kg wt两个剂量下粒子具有明显毒性。剂量为4 mg/kg wt时,没有检测到毒性,可认为4 mg/kg wt是该材料的安全使用剂量。材料过量使用时,会引起肝脏蛋白质合成障碍和酶活性降低,并伴随胆管堵塞;肺泡壁毛细血管扩张充血,细支气管和肺泡内蓄有多量红染浆液,其中混有少量的红细胞、嗜中性粒细胞和巨噬细胞等,成纤维细胞增生,细胞外基质积聚,且肺泡壁变厚;肾小球的鲍曼氏腔消失,伴有肾小球增生。在高浓度下,睾丸内也有粒子少量分布,精子的线粒体减少,外膜破碎。
高剂量使用该材料可使小鼠受孕几率降低,子一代数量下降,但对子代的体重和存活率没有显著影响,子一代无明显的缺陷、变异,无死亡,并可继续繁育子二代。
上转换发光成像;稀土纳米材料;多功能化;细胞示踪;毒性;活体成像
复旦大学
博士
无机化学
李富友;黄春辉
2012
中文
O614.33
132
2013-04-02(万方平台首次上网日期,不代表论文的发表时间)