新型MRI造影剂的研制及基于磁性弛豫开关技术的分子诊断新方法研究

摘要

磁共振成像(MRI)是核磁共振技术在生物医学上的一个重要应用，其无辐射性损伤，高分辨率以及较快的成像速度等优点，可有效检测组织坏死、局部缺血和各种恶性病变（如肿瘤）。人体约70％由水组成，各种组织含有大量的水和碳氢化合物，氢核的核磁共振灵敏度高、信号强，因此MRI对人体成像的信号来源通常是氢原子核(H)。利用人体组织中H核的核磁共振现象，将所得射频信号经过计算机处理，可重建出人体某一层面的图像。磁共振成像技术的发展时间不长，但已经成为现今医学成像技术中最不可或缺的技术之一，并且极大地推动了医学、神经生理学和认知神经科学的迅速发展。
　　在临床实施MRI扫描时，由于正常组织和病变组织仅表现出很小的信号差异，大约有35％的临床MRI扫描需要采用磁共振造影剂（MRI contrast agents）增强图像的对比度。临床应用较广泛的是T1型造影剂，然而目前应用的小分子型造影剂存在较多问题，如弛豫度低，用量大，在血液中循环时间短等，造影效果并不明显。随着造影剂增强MRI成像技术的发展与普及，其成像优势得到越来越多的肯定，加之在分子成像领域的应用潜力，对造影剂性能的改善及功能化修饰的研究工作也受到越来越多的关注。
　　此外，近年来MRI技术在定量检测方面也取得了长足发展，基于超顺磁性纳米颗粒的生物传感器的出现为MRI在定量分析方面的应用开拓了新方向，这种技术被称为磁性弛豫开关技术(Magnetic Relaxation Switches，MRSw)。此技术已被应用于对多类目标物进行定量分析，一系列相关研究陆续展开。
　　本论文第一章将简单介绍核磁共振成像技术的原理、历史以及应用，重点对磁共振成像造影剂的造影原理、分类、特点以及医学应用作介绍，总结归纳磁共振成像造影剂的研究进展和研究方向。此外还会介绍超顺磁性纳米颗粒在生物探针及传感器方面的应用。
　　在论文第二章，我们合成了一种新型的顺磁性碱性碳酸钆（GHC-1）纳米颗粒，并作为核磁共振造影剂用于小鼠的造影成像。我们把材料通过尾静脉注射到小鼠体内，并观察小鼠在较长时间（半个月）内的生存情况，结果显示材料对小鼠没有明显的毒性。最后，我们测试GHC-1在小鼠体内的实际造影能力，并对各脏器中的造影剂存留量作分析，研究了材料在动物体内的分布及代谢情况。
　　在论文第三章，我们利用可结合Gd3+的环肽作为模板，合成表面负载多个Gd3+的金量子点，使之同时具有核磁共振造影及荧光成像双功能，可作为核磁共振/荧光成像双功能造影剂应用于生物成像和医学领域。初步的成像及代谢实验显示，该材料能有效提高血液循环系统的成像对比度，并且可以通过肾脏过滤排泄。
　　在第四章，我们发现高温热分解法合成的磁球经过Lemieux-von Rudloff氧化剂氧化后虽然能在水中分散，但在弱酸性溶液中会发生团聚行为，团聚后当我们加入单链DNA或者核酸后，磁球能重新分散。我们通过DNA分散磁球，并利用Hg2+能与DNA发生T-Hg2+-T结合，使单链DNA构型发生改变的性质，对水中的Hg2+进行定量检测，检测范围为1.5 nM至225.7 nM，检测限为0.3 nM，并且结合磁共振成像和微芯片阵列，我们实现了对实际样品（自来水，饮用水和河流水）的Hg2+进行快速高通量的检测。
　　之后在第五章我们进一步以ATP代替单链DNA用于分散磁球，并利用碱性磷酸酶催化ATP脱磷酸的反应，把上述新型磁共振体外检测原理应用于对碱性磷酸酶的浓度及活性的测定，检测限优于文献报道的用金胶作为探针的方法
　　第六章，我们对全文进行了总结和归纳，客观地评价了工作中所取得的研究成果，同时指出研究中存在的一些不足，最后提出改进建议和后续工作的目标和研究思路。

目录

摘要

第一章 绪论

1．引言

2．磁共振成像技术

3．磁共振成像造影剂

3．1．造影剂概述

3．2．磁共振成像造影剂的原理与分类

3．3．T2造影剂的研究进展

3．4．磁性弛豫开关

3．5．T1型造影剂的研究进展

4．本论文研究思路与创新点

参考文献

第二章 基于超微小碱性碳酸钆纳米颗粒的T1造影剂

1．引言

2．实验部分

2．1．GHC-1的合成

2．2．表征

2．3．弛豫时间的测定及体外成像

2．4．稳定性测试

2．5．细胞培养及毒性测试

2．6．小动物MRI

2．7．ICP-AES分析

3．实验结果和讨论

3．1．GHC-1的合成和表征

3．2．弛豫度测定

3．3．稳定性和生物相容性测定

3．4．动物体内增强MRI应用以及代谢分析

4．小结

参考文献

第三章 结合T1造影和荧光成像的双功能探针

1．引言

2．实验部分

2．1．试剂和仪器

2．2．Gd-AuNC的合成

2．3．7．8 nm的AuNP负载Gd3+的合成

2．4．Gd3+-Cp配位化合物

2．5．量子产率

2．6．Gd-AuNC的电泳分析

2．7．弛豫时间测定和样品管内的MRI成像

2．8．细胞培养和毒性分析

2．9．共聚焦荧光成像

2．10．动物体内MRI成像

2．11．脏器中的Gd含量分析

2．12．尿液代谢研究

3．结果与讨论

3．1．Gd-AuNC的合成与表征

3．2．光学性质和造影能力

3．3．稳定性和生物相容性

3．4．细胞标记

3．5．对动物体的MRI成像以及Gd-AuNC在各脏器中的分布

4．小结

参考文献

第四章 DNA分散的磁性纳米颗粒在检测Hg2+中的应用

1．引言

2．实验部分

2．1．材料和仪器

2．2．CAMNPs的合成

2．3．荧光测定

2．4．T2时间的测定

2．5．Hg2+测定

2．6．实际样品中的Hg2+测定

3．结果与讨论

3．1．CAMNPs的合成及表征

3．2．ssDNA在CAMNPs上的吸附

3．3．检测Hg2+

4．小结

参考文献

第五章 核苷酸分散的磁性纳米颗粒对碱性磷酸酶的检测

1．引言

2．实验部分

2．1 实验试剂和仪器

2．2．合成油酸包裹的纳米颗粒

2．3．水相转换

2．4．紫外-可见吸收测定

2．5．T2弛豫时间的测定

3．结果与讨论

3．1．CAMNPs的合成和表征

3．2．核酸在纳米颗粒上的吸附

3．3．检测CIAP

4．小结

参考文献

第六章 论文总结与工作展望

1．论文总结

2．工作展望

参考文献

攻博期间科研成果

致谢

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