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）