上转换纳米材料在生物医学中的应用与研究进展Word下载.docx

1、5.4.上转换材料在多重成像中的应用 1 5结论 .7致谢 18参考文献 1.9上转换纳米材料在生物医学的应用与研究进展摘要:上转换纳米材料在生物医学中具有良好的应用前景，跟传统的荧光材料比 较，具有荧光背景低，穿透能力强，对生物组织伤害度低等优点，是目前生物医 学领域研究的重要材料之一。除此之外，上转换材料还具备良好的光化学性能， 使用时间较长，并且有良好的生物兼容性等特点，能够推动检测及治疗技术的研 究与发展。本文主要对于上转换纳米材料在生物医学上的应用进行详细研究与调 查，探索上转换纳米材料在各种应用上所面临的问题，进而提出建设性的意见。 主要针对目前上转换纳米材料在肿瘤治疗中的应用现状

2、及研究进展进行综合评 述及阐述，对上转换纳米材料各种用于肿瘤治疗的方法及各自的优缺点进行了阐 述分析，为其进一步研究和应用奠定基础。关键词:生物医学上转换纳米材料荧光材料肿瘤治疗研究进展Upconversion Nanoparticles: Design, Nanochemistry, andApplications in TheranosticsAbstract: Upconv ersi on nano materials based on rare earth show a good applicati on prospect in can cer therapy. Compared wi

3、th traditi onal fluoresce nt materials, upc on versi on nano materials have many adva ntages,such as the n ear in frared laser excited, almost no fluoresce nt backgro un d, remarkable deeper tissue pen etrati on and low biological tissue damage, which lead to a hot research material in biomedical no

4、w. Mean while, upc on versi on materials, due to the good photochemical properties, l ong service life, good biological compatibility and other advantages, promote the developme nt of detecti on and treatme nt tech no logy. This work focuses on the applicati on of upc on versi on nano materials in b

5、iomedical, and the study of upc on versi on nano materials in the applicati on still have problems, which put forward some advices on current opinion. Application and research of upconversion nano materials in the treatme nt of tumor developme nt are reviewed. In this paper, the advantages and disad

6、vantages of the methods for the treatment of tumor were analyzed, which provided a new potential idea for further research and clinical applicati on.Keywords: thera no stics; upc on versi on nan oparticles; fluoresce nt materials; can cer therapy; applicati ons in thera no stics第1章高对比成像1.1高对比度成像的应用将

7、成像和治疗联合起来使用于未来个性化药物是生物医学以及现代医疗保 健面临的挑战之一。生物医学试剂在诊断中的作用是显示疾病的位置、状态以 及对特殊治疗的反应，而试剂诊断作用可能如以下方式呈现 ：（i）首先是图像引导手术切除肿瘤和术后评价。病变区的外科手术可视化对于准确手术是重要 的，因为肿瘤的位置可能会在术前影像与手术切除过程中改变 。此外，术后评估，确保完全去除病区是重要的。（ii）其次是传送或释放治疗物到预定的位置。 光活化释放-治疗如光动力疗法（PDT） 5能够破坏肿瘤，或吸收光子的能量转化 为热量如光热治疗（PTT）能破坏细胞结构及缩小肿瘤体积。（iii）最后是细胞 或代谢途径的破坏。引进

8、的医学试剂的化学物质能够与细胞表面的特殊受体结 合，因此扰乱细胞代谢规律达到治疗效果 。生物医学能够通过提高技术的多样 性如采用综合影像或改进治疗方案提高治疗效果。在开发新的生物医学试剂中诊 断功能与分子成像相结合起着重要的作用 o PL成像是生化和分子生物学中的 一种重要技术手段，它在医疗诊断、生物检测、 DNA测序和基因组学的变革中占主导地位，可以被用来研究大范围生物标本，从细胞到体外组织样品，并在生 物体上活体成像，涵盖范围广泛，从亚微米大小的病毒和细菌到宏观生物物 9 o因此，PL成像是一种强大的非侵入性工具，可看见亚细胞级组织形态的细节。 然而，传统的荧光显像剂光学性质和治疗功能较差

9、已经严重阻碍了他们用在生物 医学领域的应用。荧光成像通常采用外源性的试剂，其中包括有机染料 10，有机改性的二氧化硅11，荧光蛋白12，金属配合物和半导体量子点13。大多数这些传统的试剂 是利用斯托克斯位移发射，激发光在紫外线（UV）或蓝绿色可见光谱范围内。 这些传统的PL成像剂在这样的光谱范围内有一些限制：（i）低背景信号（SBR） 造成的干扰荧光和生物组织散射的强光（如毛皮、皮肤和组织）；（ ii） UV低穿透能力和可见光激发或生物组织的散发光； （iii ）由于长期暴露于短波，尤其是紫外激发而导致潜在DNA损伤和细胞死亡。此外，基于重金属的量子点的生 物成像，由于它们含有有毒元素（如镉、

10、汞、铅），导致材料本身高毒性。众所 周知，生物组织在近红外（NIR） 700-1100 nm范围具有光学透明窗9。近红外激发光使得光穿透能力更强并减少光的利用率， 而且自发荧光低，减少光散射和光毒性14。具有双光子激发或二次谐波的试剂，利用长波长的光，最近应 用于细胞和小动物成像，来克服传统试剂的缺点 15。但是，因为它们涉及低效的非线性光学过程，他们需要昂贵的超短脉冲激光器（如飞秒激光）激发。Dep Looking in l issue&BL Active TargetingEjJvu UGHToxicity Assessm 咅 ntCellular ImagingWhole-Body PL

11、 Imaging* Optical TomographyMultimodal Imaging图1.1 UCNPs高对比度成像领域应用示意图对于生物成像来说，稀土掺杂上转换纳米粒子（UCNPs）是一种有前途的新 型成像试剂16。UCNPs利用连续的多光子吸收，将寿命长和阶梯状的三价镧系离 子的嵌入到能产生高能量的反斯托克斯发光能源中 17。它将两个或两个以上的低能量激发光子（一般为近红外光），转换成短波长的发射光（如近红外，可见 光和UV）。该过程不同于有机染料和量子点的非线性多光子吸收，这涉及到虚 拟状态同时吸收的两个或更多光子的过程， 一个UC过程的效率一般比非线性多 光子吸收高几个数量级，

12、从而使 UC过程由低成本的连续波（CW）产生的脉冲 非线性多光子激发激光代替超短激光二极管。UCNPs上有多个属性，使它们适 合于成像、诊疗和治疗，其独特的变频能力通常是无法适用于现有的内源性和外 源性荧光基团，从而为医学诊断和治疗提供许多与众不同的特点。 就生物成像而言，上转换材料具有独特的优点，如提高信噪比使得自发荧光背景几乎为零， 大的反斯托克斯很容易通过激发波长来区分 PL ,发射光谱窄使得多重成像容易、 高耐漂白使其适合长期不断成像。此外，它们都不闪烁，没有散射光，并且由于 在近红外区域激发，光学透明窗内允许组织深层渗透。生物医学 UCNPs的一个新的方向就是利用分层构建纳米结构的

13、UC发光成像与其他的成像方式结合用于体外和体内诊断，如磁共振成像（MRI） 18，计算机断层扫描（CT）19、单 光子发射断层（SPECT）20、正电子发射断层扫描（PET） 21以及PTT22，PDT疗法23，基因和药物输送。实际上，使用纳米化学在近期诊断上有显着的进步， 可控纳米技术的光学性能可提高特定波长转换 14，相位转移的表面改性16和靶生物标记的配体的表面偶联化学17。荧光成像在生物医学研究中的具有重要作用， 对早期检测，筛选，和影像指导治疗危及生命的疾病非常有帮助9。然而，由于在紫外光或可见光范围激发的 传统斯托克斯偏移的荧光团（有机荧光，荧光蛋白和金属配合物）或量子点成像 是不

14、理想，限制了光的穿透能力和容易引起影像背景（强荧光和散射光） 10 0虽然活性NIR非线性材料（双光子染料、量子点、纳米金棒和二次谐波纳米颗 粒）能够克服生物成像的局限性，非线性过程的低效率和昂贵脉冲激励源的高密 度激发严重限制了其应用。近红外范围（750-1100 nm）内的生物组织光透明窗” 具有穿透能力强，荧光低和散射光少的优点，所以，近红外窗口的高效成像对比， 激发和发射是理想的生物成像。UCNPs已成为有前景的新型生物成像纳米材料。 图1.1说明了高对比度成像在各领域的应用概况。1.2体内外毒性评价UCNPs的毒性检测手段已相当成熟，包含体外细胞毒活性与体内长期毒性 检测4,9,25

15、 0 MTT （四甲基偶氮唑），MTS，和CCK-8线粒体代谢活性检测结果 用来评估多种细胞毒性，如人胰腺癌 PANC-1细胞、人鼻咽癌细胞（KB细胞）， 胶质瘤U87MG细胞和人乳腺癌细胞 MCF-7 （图1.2a-c）26。细胞在UCNPs中培 养24小时后，细胞的存活率在高剂量条件下可高达 90%，由此证明UCNPs细胞毒性低。此外，专家们还研究了纳米粒子表面电荷对细胞活力的影响， 结果可忽略不计。针对UCNPs的诊断应用，UCNPs的体内毒性就是一个重要指标。目前，小 鼠体内22,27,秀丽隐杆线虫（C.elegans，蠕虫和斑马鱼胚胎上的UCNPs的毒性已 检测完成，结果表明UCNP

16、s无明显毒性，此外，Li等人通过行为观察、测量体重、 组织学和血液学分析和血清生化检测等手段得出 PAAUCNPs涂层具有高毒性，当PAA-UCNPs涂层剂量为15 mg/kg时，样本的体重和行为表现正常（图 1.2）。 实验组小鼠的器官结构（心、肺、肝组织、脾、肾）与正常对照组几乎相同，表 明没有组织损伤，炎症和病变（图 1.2）。血涂片分析显示红细胞、血小板和白 细胞的数量和形态正常，此外，血清生化检测表明三个重要肝指标 （丙氨酸氨基转移酶、天门冬氨酸氨基转移酶、总胆红素）均正常，肾功能（肌酐和尿素两指 标）方面，实验组小鼠和正常对照组小鼠也相似（图 1.2），结果表明小鼠体内无PAA-

17、UCNPs毒性。但是，体内毒性检测仅限于小动物（如小鼠），不适用于 人体。非人灵长类动物的毒性检测为未来临床转变提供有价值的信息。图1.2（ a）人胰腺癌PANC-1细胞细胞存活率（b）人鼻咽表皮癌细胞（KB细胞）细胞存活率 （c）人脑胶质瘤U87MG细胞和人乳腺癌 MCF-7细胞在不同浓度 RGD中培养（d）小鼠腹腔 注射PAAUCNPS115天后血清生化结果（剂量为 15毫克/公斤，试验）和没有接受注射的小 鼠（对照）（e）注射PAA （剂量为15毫克/公斤，试验）的小鼠体重变化和未注射 ，这些研究结果并没有表明毒性的趋势。 小鼠注射PAA UCNPS115天后的苏木精-伊红染色组织切片（

18、F，J，N，H，L，P）和没有接受注射的小鼠（G，K，O, I，M和Q）。心脏（F，G），脾（H， I），肝（M，K），肺（L，M），肾（N，0），和血涂片（P，Q）。第2章细胞成像近年来，近红外光到可见光（蓝色，绿色，红色）范围的高对比细胞成像得 到广泛的应用。UCNPs作为荧光成像的双光子激发探针之一，2008年由证实PEI NaYF4的Zhang等人应用，掺Er3+的UCNPs和共轭叶酸可用于标记人类 HT29 癌细胞和人类卵巢癌细胞。波长为 980 nm近红外光激发且无自发荧光背景下研 究UC PL，由于其固有的高光子转换效率和无闪烁发光， UCNPs已被证实具有跟踪单分子的成像能力2

19、7。官能化的纳米粒子能够用于各种细胞系成像，如乳 腺癌细胞（SKBR-3和MCF-7）28，HeLa细胞11,29，NIH 3T3小鼠胚胎成纤维 细胞30，卵巢癌细胞31，KB细胞32，小鼠间皮瘤细胞，HepG2细胞26,32，人肝 癌细胞，MB49膀胱癌细胞系5和Pane 1细胞。重要的是，Wong等人的研究 结果表明，UCNPs表面电荷很大程度上决定了细胞的摄取效率； 在HeLa细胞内带正电荷的PEI-UCNPs涂层比带中性和负电荷的涂层有更高的的细胞摄取率。相比之下，一些研究表明具有生物识别功能的 UCNPs分子能够标定肿瘤细胞。一系列靶向分子如叶酸能够标记多种肿瘤细胞上的叶酸受体 （如

20、HeLa细胞、人结肠癌HT29癌细胞、人卵巢癌细胞、人结肠癌细胞）36，anti-eea8抗体靶向 癌胚抗原（CEA），Hela细胞33，抗体对Pane 1细胞抗原受体37，U87MG细 胞RGD肽的a VB整合素受体35。重要的是，可以发出不同颜色光的Er3+,Tm3+, 3+Ho NaYbF4 UCNPs能够用于高对比度的细胞彩色成像。使用 UCNPs能够呈现细胞器内多种大分子或单个细胞中的细胞活动，或呈现细胞分化和细胞 -细胞的相互作用。研究表明，使用特定结合的分子可以提高细胞壁和细胞器内的细胞摄 取率并增强成像。UCNPs标记癌细胞的能力为诊断体内肿瘤奠定了基础。尽管细胞成像具有对比度

21、高，光学成像分辨率低等优点，但是由于 UCNPs发光时间上升和及饱和效应导致空间限域效应。饱和效应在共聚焦显微镜成像时 发生，因为焦平面的激发密度达到106 W/em2时足以使大多数UCNPs在101-103 W/em2范围内发生饱和效应，减少UCNPs的发光时间能提高细胞成像的对比度。第3章整体发光成像3.1被动成像PL被动成像表明UCNPs的潜在能力适用于各种类型的小动物成像和研究小 鼠体内纳米粒子分布和生物兼容性行为，为生物兼容性评价及诊断应用提供便捷 的信息。目前普遍采用皮下或静脉注射 UCNPs进入小动物来实现活体UC PL成 像，此外，淋巴结成像，高分辨率成像和血管成像，复用成像，

22、 UCNPs表面实时运输已被应用。有机体的生物相容性和成像能力已被 Lim等人证明，在50-150nm范围内他 们将掺E产的丫203纳米颗粒植入活线虫线虫蠕虫。 在980 nm处激发时，肠道中 的纳米粒子的分布可以清楚地观察（图 3.1a）。更重要的是，在培养过程中蠕虫 无异常行为且纳米粒子表现出良好的生物相容性。在近期的研究中他们还准备了 能够染色生物系统超细结构的10纳米丫2O3： Yb3+/Er328，zhang等人首先利用了 近红外绿色UCNPs小动物成像的光损伤程度低、自体荧光低，检测灵敏度高及 生物组织中光穿透能力强等优点。图 3.1呈现的是UCNPs比QDs具有更加高的 成像深度

23、。生物相容性评价和 UCNPs成像的优势在其他几个研究项目中也有出 现，其中明确指出UCNPs小动物成像的重要性4,8,25o UCNPs标记的体内成肌细 胞和间充质干细胞也被研究，由此可以实时观测细胞移植和生物体之间的相互作 用25,36。这种能力对评价细胞移植的治疗效果是必不可少的， 它是一种对治疗其他疾病有吸引力的治疗方式。局部淋巴引流是肿瘤细胞转移的重要途径。 因此，识别前哨淋巴结或淋巴系统对癌症诊断和治疗是非常重要的。Kobayashi等人已证实近红外光谱及发绿光 的UCNPs可用于小鼠淋巴结无荧光双色成像37。Liu等人利用三种不同彩色发 射光（蓝色，绿色和红色）呈现三组淋巴结（图

24、 3.1c）o Li等人利用近红外NIR胺官能化的LaF3：Tm3+UCNPs提高小鼠淋巴成像的信噪比（图3.1d） 17。重要的 是，最近一项研究中他们还表明在光照条件下 NaLuF4：Tm3+UCNPs能够实现体内 淋巴显像38。值得注意的是，图3.1c也说明了 UCNPs潜在的成像能力及同时跟踪和识别不同生物排放物的能力。Tian等人证明特定镧系掺杂体与含氟化物的 UCNPs能够用于活体多色成像，掺杂有机染料或量子点 NaYF4：Yb3+/Er3+（ Tm3+LRETorFRET纳米材料具有跟踪能力16,17此外，Wang等人证明了 NaYF4：Yb3+/Er3+/La3+ 纳米棒能够作

25、为活体组织成像的探针38，输出颜色能够显示组织中纳米棒的深 度oM.Nii信息，希尔德布兰德在这方面做了一个有趣的实验：用 PEG聚合物包覆Yb3+/E产丫2O3纳米颗粒在裸鼠体内进行血管成像（图3.1e）28。聚合物涂层最大限 度地减少非特异性组织结合，延长血液中颗粒的循环半衰期，重要的是，如图 3.1e，尾静脉注射UCNPs后小鼠耳的原位血管成像明亮。由维诺格拉多夫等人 开发的新型树突状上转换纳米粒子表面工程可以完成高分辨率的皮质血管成像。3.2主动靶向肿瘤靶向成像对肿瘤的诊断和治疗是非常重要的， 其中最重要的目标特异性 识别能力是配体-受体和抗原抗体相互作用。引入特定生物识别分子进入UCNPs 的表面，生物化学在这种应用中起到至关重要的作用。 近期，体内特定结构的靶 向成像得到越来越多的关注，虽然体外靶向成像涉及的生物识别分子已被研究，