功能性杂化纳米凝胶的设计及其肿瘤磁共振诊断

摘要

磁共振（MR）成像是常用的分子影像学诊断技术之一，具有非侵入性，对人体无害，无电离辐射，较高的分辨率及空间断层成像能力。临床常用的MR成像造影剂多为小分子造影剂，具有较短的血液循环时间，会很快被机体代谢清除，且对肾功能不全者有明显的肾脏毒性。近年来，随着纳米技术的发展，科研工作者将造影元素与不同的纳米载体平台相结合，构建了多种纳米成像造影剂，以改善临床造影剂的性能。然而目前广泛发展的纳米成像造影剂仍然存在着一些问题和挑战，比如较低的弛豫率，在肿瘤部位的富集量较低。依然需要寻求一种更为安全高效的纳米载体，以解决以上问题。 在诸多纳米载体中，纳米凝胶（NGs）具有良好的稳定性、高负载能力、生物相容性、尺寸可控及易于被肿瘤细胞吞噬等优点，已广泛应用于药物输送和组织工程等领域。利用NGs的高负载能力及易于被肿瘤细胞吞噬的特性，以其作为MR成像造影剂的载体，构建新型的纳米成像造影剂，有望提高弛豫性能并增强肿瘤细胞的吞噬量，达到更好的造影效果。本论文选择生物相容性良好的海藻酸钠纳米凝胶（AG NGs）和聚N-乙烯基己内酰胺纳米凝胶（PVCL NGs）作为载体平台结合不同的MR成像造影元素，制备一系列功能性杂化NGs，研究其肿瘤MR成像诊断性能。本论文的主要内容如下： （1）氧化铁杂化海藻酸钠纳米凝胶的合成及其MR成像性能研究。首先通过水热法合成聚乙烯亚胺稳定的四氧化三铁纳米颗粒（PEI-Fe3O4NPs），之后以海藻酸钠为主体材料、PEI-Fe3O4NPs为交联剂，采用乳化交联法合成得到氧化铁杂化海藻酸钠纳米凝胶（AG/PEI-Fe3O4NGs）。通过一系列测试技术对其理化性质进行表征。AG/PEI-Fe3O4NGs粒径分布均匀，具有良好的胶体稳定性、细胞相容性及血液相容性。T2弛豫性能测试结果显示AG/PEI-Fe3O4NGs的T2弛豫率（r2）为170.87mM-1s-1，高于交联前PEI-Fe3O4NPs的r2值（137.1mM-1s-1）。普鲁士蓝染色及电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）定量分析结果表明，相较于对照材料羧基化后Fe3O4-PEI.SAH NPs，AG/PEI-Fe3O4NGs更易被肿瘤细胞吞噬，从而可以提高其在肿瘤部位的富集量。体内试验表明AG/PEI-Fe3O4NGs在裸鼠肝脏及肿瘤部位具有良好的T2MR成像效果，且能从裸鼠体内正常的代谢清除。 （2）氧化锰杂化海藻酸钠纳米凝胶的合成及其MR成像性能研究。将海藻酸钠的表面羧酸基进行活化，之后以聚乙烯亚胺稳定的四氧化三锰纳米颗粒（PEI-Mn3O4NPs）作为交联剂，通过乳化交联的方式合成得到氧化锰杂化海藻酸钠纳米凝胶（AG/PEI-Mn3O4NGs）。通过不同的测试手段，对其形貌、尺寸、组成、结构、胶体稳定性及细胞相容性进行了表征与评价。AG/PEI-Mn3O4NGs形貌为球形或类球形，尺寸分布均匀，平均尺寸大小约为141.6nm，具有良好的胶体稳定性及细胞相容性。T1弛豫性能研究表明，AG/PEI-Mn3O4NGs具有较高的T1弛豫率（r1）（26.12mM-1s-1），约是PEI-Mn3O4NPs的19.5倍。在体外肿瘤细胞及裸鼠肿瘤模型中均呈现出增强的MR成像性能。药代动力学、体内组织分布及伊红苏木精（H&E）染色研究表明，AG/PEI-Mn3O4NGs具有较长的血液循环时间，能够从动物体内正常代谢清除，同时对动物机体无明显生物毒性。 （3）负载金钆双造影元素的杂化海藻酸钠纳米凝胶的合成及其MR/CT（计算机断层扫描）双模态成像性能研究。由于单一的成像模式很难获得完整准确的诊断信息，在前两章工作的基础上，我们采用乳化交联法，以AG为基体材料，金钆复合纳米颗粒（PEI-Au-Gd NPs）为交联剂，得到杂化AG/PEI-Au-Gd NGs，用于MR/CT双模态成像研究。制备的AG/PEI-Au-Gd NGs平均尺寸约为83.3nm，具有良好的胶体稳定性，易于被肿瘤细胞吞噬，同时具有良好的生物安全性。T1MR弛豫性能和X射线衰减分析结果表明，AG/PEI-Au-Gd NGs具有较高的r1值及良好的X射线衰减性能。体内肿瘤成像试验表明，与PEI.Ac-Au-Gd NPs和临床用造影剂（Magnevist(R)或Omnipaque）相比，AG/PEI-Au-Gd NGs具有更好的肿瘤MR/CT双模态成像效果。体内组织分布及器官相容性研究表明，AG/PEI-Au-Gd NGs可以从小鼠体内代谢清除，对小鼠的主要器官无明显损伤，具有良好的生物安全性，有望成为一种良好的MR/CT双模态成像造影剂。 （4）表面螯合钆离子的杂化聚N-乙烯基己内酰胺纳米凝胶的合成及其MR成像性能研究。在上述研究工作中，均采用乳化交联的方法合成NGs，在合成过程中使用了有机溶剂，且操作方法不够简洁。第五章以生物相容性良好的聚N-乙烯基己内酰胺（PVCL）为基体材料在水溶液中通过沉淀聚合法合成PVCL NGs，之后在其表面偶联Gd螯合物，通过调控PVCL NGs与Gd螯合物的比例，得到一系列不同Gd含量的杂化PVCL-Gd NGs，用于肿瘤模型的T1MR成像性能研究。PVCL-Gd NGs的尺寸分布均匀，平均尺寸约为180nm，均具有良好的分散性和稳定性。T1MR弛豫性能研究表明，PVCL-Gd NGs的r1值在6.38-7.10mM-1s-1之间，均高于同样测量条件下的临床用Mag-nevist(R)。结合细胞相容性及T1弛豫性能结果，我们选定较低Gd百分比的PVCL-Gd NGs-0.1%用于肿瘤MR成像性能研究。体内裸鼠肿瘤模型MR成像研究结果表明，与Magnevist(R)相比，PVCL-Gd NGs-0.1%可以明显增强肿瘤组织的MR成像信号。体内组织分布及H&E染色研究表明，PVCL-Gd NGs-0.1%能够从动物体内正常的代谢清除，同时对动物机体无明显生物毒性，具有良好的生物安全性。 总之，本论文利用NGs的高负载能力及易于被肿瘤细胞吞噬等特性，以AG NGs和PVCL NGs作为载体平台，结合不同的MR成像造影元素，制备一系列功能性杂化NGs，研究其肿瘤MR成像诊断性能，为开发新型的MR成像造影剂提供新的思路和方向。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 磁共振成像技术

1.2.1 磁共振成像的原理

1.2.2 磁共振成像造影剂

1.3 纳米凝胶

1.3.1 纳米凝胶的合成方法

1.3.2 纳米凝胶在生物医学领域的应用

1.3.3 合成纳米凝胶的常用聚合物

1.4 本论文的研究内容及创新点

1.4.1 本论文的研究内容

1.4.2 本论文的创新点

参考文献

第2章 氧化铁杂化海藻酸钠纳米凝胶的制备及其MR成像性能研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验试剂、材料与仪器

2.2.2 材料的合成

2.2.3 材料的表征

2.3 结果与讨论

2.3.1 AG/PEI-Fe3O4 NGs的合成与表征

2.3.2 T2弛豫性能

2.3.3 细胞相容性及血液相容性评价

2.3.4 细胞吞噬性能评价

2.3.5 体外细胞MR成像性能研究

2.3.6 体内肝脏MR成像性能研究

2.3.7 体内肿瘤MR成像性能研究

2.3.8 体内组织分布评估

2.4 本章小结

参考文献

第3章 氧化锰杂化海藻酸钠纳米凝胶的制备及其MR成像性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验试剂、材料与仪器

3.2.2 材料的合成

3.2.3 材料表征

3.2.4 材料的细胞相容性评价

3.2.5 细胞MR成像性能表征

3.2.6 肿瘤鼠MR成像性能表征

3.2.7 药代动力学分析

3.2.8 体内组织分布及生物安全性研究

3.2.9 统计学分析

3.3 结果与讨论

3.3.1 AG/PEI-Mn3O4 NGs的合成与表征

3.3.2 T1弛豫性能

3.3.3 细胞相容性评价

3.3.4 体外细胞MR成像性能研究

3.3.5 体内肿瘤MR成像性能研究

3.3.6 药代动力学研究

3.3.7 体内组织分布及生物安全性评价

3.4 本章小结

参考文献

第4章 负载双造影元素的杂化海藻酸钠纳米凝胶的制备及其MR/CT双模态成像性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 实验试剂、材料与仪器

4.2.2 材料的合成

4.2.3 材料的表征

4.2.4 T1弛豫性能表征

4.2.5 X射线衰减系数分析

4.2.6 材料的细胞相容性评价

4.2.7 材料的细胞吞噬性能表征

4.2.8 材料的细胞MR/CT成像性能表征

4.2.9 材料的裸鼠肿瘤MR/CT双模态成像性能表征

4.2.10 材料的体内组织分布和器官相容性研究

4.2.11 统计学分析

4.3 结果与讨论

4.3.1 AG/PEI-Au-Gd NGs的合成与表征

4.3.2 T1弛豫性能测试

4.3.3 X射线衰减系数分析

4.3.4 细胞相容性评价

4.3.5 AG/PEI-Au-Gd NGs的细胞吞噬性能评价

4.3.6 体外细胞MR/CT双模态成像性能研究

4.3.7 体内肿瘤MR/CT双模态成像性能研究

4.3.8 体内组织分布及器官相容性评估

4.4 本章小结

参考文献

第5章 表面螯合钆离子的杂化聚N-乙烯基己内酰胺纳米凝胶的制备及其MR成像性能研究

5.1 引言

5.2 实验部分

5.2.1 实验试剂、材料与仪器

5.2.2 材料的合成

5.2.3 材料表征

5.2.4 T1弛豫性能表征

5.2.5 材料的细胞相容性评价

5.2.6 细胞MR成像性能表征

5.2.7 肿瘤鼠MR成像性能表征

5.2.8 体内组织分布及生物安全性研究

5.2.9 统计学分析

5.3 结果与讨论

5.3.1 PVCL-Gd NGs的合成与表征

5.3.2 T1弛豫性能

5.3.3 细胞相容性评价

5.3.4 体外细胞MR成像性能研究

5.3.5 体内肿瘤MR成像性能研究

5.3.6 体内组织分布及生物安全性评价

5.4 本章小结

参考文献

第6章 结论与展望

6.1 本论文的主要结论

6.2 展望

攻读学位期间的研究成果与获奖情况

致谢