基于NMR代谢组学评估磁性纳米磁共振成像造影剂的生物安全性

摘要

磁共振成像常使用造影剂以识辨早期微小病变。目前，锰离子螯合物造影剂Mn-DPDP已经淡出市场，临床上普遍使用钆类造影剂。与钆类造影剂相比，新近合成的多种锰类纳米颗粒造影剂具有更良好的特征。然而，这些纳米颗粒的毒副作用尚不清楚，这直接影响到它们的临床应用。因此有必要对这些纳米颗粒进行系统的毒副作用研究和安全评估。 本文选用两种锰相关纳米颗粒造影剂为研究对象，一种是T1造影剂氧化锰纳米颗粒，另一种是T1-T2双模式造影剂铁锰氧化物纳米颗粒，利用核磁共振代谢组学和传统生化技术相结合的方法，系统研究了这些纳米颗粒导致的体液（血液和尿液）和组织（肝、肾、脾、肺和脑）中代谢物的变化，并对其毒性反应机理进行了探讨。 本文研究结果表明肝脏是氧化锰纳米颗粒的主要靶器官，也是主要的排泄器官。氧化锰纳米颗粒诱导血管内溶血以及锰离子干扰胆汁代谢，导致胆汁淤积，进而影响脂类代谢。代谢组学研究结果表明脑是最敏感的器官，氧化锰纳米颗粒影响了脑内氨的消除，进而影响到神经递质传递（如γ-氨基丁酸和谷氨酸）以及脑内能量代谢。此外，我们首次发现了约束性应激的系统代谢特征以及MnO纳米颗粒对此应激过程的影响，说明了锰对中枢神经系统的毒性效应和机体的精神状态紧密相关。 铁锰氧化物纳米颗粒的毒性分析结果表明铁锰氧化物纳米颗粒引起了组织形态的改变，包括肝实质小灶性炎症和脾白髓轻度扩张，但是铁锰氧化物纳米颗粒在体内的分布没有组织特异性。铁锰氧化物纳米颗粒增加了靶组织的能量消耗，在脾脏中铁锰氧化物纳米颗粒的影响在给药后48小时内呈现时间累积效应。此外，共轭反应底物（如甘氨酸、牛磺酸、谷氨酰胺、谷胱甘肽以及甲基供体）参与了铁锰氧化物纳米颗粒的脱毒反应。同时，我们还发现机体脱毒所需的营养物质（如支链氨基酸）和纳米颗粒的组织分布具有相关性，这些代谢物可以作为铁锰氧化物纳米颗粒的生物标记物。 总体而言，本文通过核磁共振代谢组学分析，依据代谢物变化的特点将代谢物分为四类:药物剂量依赖性、时间依赖性、组别特异性以及复杂模式。通过分析代谢物含量变化的机理，阐述了锰纳米颗粒对机体的毒性效应。本文研究的结果显示核磁共振代谢组学是分析纳米颗粒诱导的复杂毒性效应的一种有效工具。核磁共振代谢组学所获得的信息将为造影剂的选择和优化提供可鉴别的基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 磁共振成像技术与磁共振成像造影剂的研究

1．1．1 磁共振成像技术的发展历程

1．1．2 磁共振成像技术的基本原理

1．1．3 磁共振成像造影剂的研究

1．1．4 纳米造影剂在临床磁共振成像应用中的问题

1．2 生物安全性评价中涉及的代谢组学

1．2．1 代谢组学概述

1．2．2 基于1H NMR的代谢组学

1．2．3 代谢组数据分析方法

1．2．4 代谢组学在毒理研究方面的应用

1．3 论文结构

参考文献

第二章 氧化锰纳米颗粒的生物安全性评估

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 主要材料与试剂

2．2．2 主要仪器

2．2．3 实验与方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 氧化锰纳米颗粒对大鼠组织形态的影响

2．3．2 氧化锰纳米颗粒对大鼠组织中Mn分布的影响

2．3．3 氧化锰纳米颗粒对大鼠脏体比的影响

2．3．4 氧化锰纳米颗粒对血生化参数的影响

2．3．5 大鼠体液和组织提取液一维1H NMR谱图特征及分析

2．3．6 氧化锰纳米颗粒对血浆代谢物的影响

2．3．7 氧化锰纳米颗粒对尿液代谢物的影响

2．3．8 氧化锰纳米颗粒对脑代谢物的影响

2．3．9 氧化锰纳米颗粒对肝代谢物的影响

2．3．10 氧化锰纳米颗粒对肾代谢物的影响

2．3．11 氧化锰纳米颗粒对肺代谢物的影响

2．3．12 氧化锰纳米颗粒对脾代谢物的影响

2．4 本章小结

参考文献

第三章 铁锰氧化物纳米颗粒的生物安全性评估

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 主要材料与试剂

3．2．2 主要仪器

3．2．3 实验与方法

3．3 结果

3．3．1 铁锰氧化物纳米颗粒对大鼠组织形态和脏体比的影响

3．3．2 铁锰氧化物纳米颗粒对大鼠组织Fe和Mn分布的影响

3．3．3 铁锰氧化物纳米颗粒对血生化参数的影响

3．3．4 铁锰化合物纳米颗粒对大鼠体液和组织液代谢物的影响

3．4 讨论

3．5 本章小结

参考文献

第四章 总结

附录一：纳米颗粒的形貌和尺寸

附录二：体液(血浆和尿液)和组织（脑、肾、肝、肺和脾）中代谢物的1H NMR化学位移及其谱峰归属

论文发表情况

致谢