纳米技术在医疗诊断、成像方面的应用课件

1、纳米技术在医疗诊断、成像方面的应用 主要内容前言纳米技术的优势 纳米技术在医疗成像中的应用纳米技术在医疗诊断中的应用纳米技术在医疗方面的发展趋势前言长度仅为 1 100 nm 的纳米装置能够自由进出人体细胞, 与以往的诊断和治疗手段相比具有体积小, 生物相容性好和器官靶向能力强等优势, 为生物医学研究提供了新的多功能平台。如纳米载体则能够大大提高靶向释药的剂量和精确度以及降低毒副反应,从而在人体无创的状态下更有效地治疗肿瘤。.大小生物相容性靶向定位能力纳米技术的优势 大小 纳米技术最显而易见的优点就是它的大小。纳米级的装置或者其主要部分与生物体的大小基本相当（如图1所示）。纳米粒子直径 20

2、nm, 可以自由进入血管壁,例如磁性纳米粒子,可以用来对扩散到淋巴结的病症进行成像。此外, 纳米粒子小到能够避免脾脏和肝脏吞噬, 用它来输药能大大延长药物的代谢周期。另一方面,尽管纳米粒子非常微小,但是它们已经足够容下几万个原子和小分子, 例如核磁共振造影剂钆( gadolinium, 原子序64, Gd) ,从而为观察早期肿瘤的发生及一些其他疾病提供了更高的敏感度。生物相容性 对纳米粒子表层进行化学修饰可增强其溶解能力和生物相容性。在纳米粒子表面附着亲水多聚物, 如聚乙二醇( polyethylene glycol, PEG) , 可以大大改善纳米粒子的亲水性能(即溶解能力)和在体内的相容性

3、,同时还可保护附着的蛋白免受体内酶的降解。没有任何表面修饰的纳米粒子当被注射到血管内时,会很快被血管中的网状内皮组织系统清除,而表面带有亲水基团的纳米粒子更不易被调理和被巨噬细胞清除,因此具有更长的半衰期。纳米粒子的表面电荷也能影响它的生物相容性和穿越生物体内屏障的能力。纳米粒子的生物相容性优势将大大推进药物的发明与制造。美国食品与药物管理局( FDA)现已批准使用和投入市场的就有若干种类的分子实体, 其中有目前应用最为普及的为脂质体。 脂质体（Liposome)是一种定时定向药物载体，属于靶向给药系统的一种新剂型。靶向定位能力 在过去的二十多年中,基础肿瘤生物学取得了卓越的进展,然而这些进步

4、却很少能转化成临床应用。究其根源,缺乏有效的治疗手段, 无法做到在有选择性地治愈肿瘤的同时对身体其他部分造成少量甚至零的损伤是主要原因。通常来说,增加药物功效的途径有2个:一是增加药物对靶标的选择度; 二是改造药物成分,使之能克服生物体内的屏障,从而更快更有效地到达靶标。纳米粒子表面具有高度的可修饰性,使用纳米粒子靶向输药将大大改进对肿瘤及其他疾病的治疗手段。通过修饰纳米粒子的表面化学特性,研究人员现在能够将成像、 靶向和治疗成分附着在同一个纳米粒子表面,同时还能显著增强信噪比,并且不需要再用同位素来标记药物。纳米技术在医疗成像中的应用 金纳米颗粒具有突出的表面等离子共振性质。这种特殊的性质来

5、源于入射光与金纳米粒子的自由电子相互作用:当入射光的波长与自由电子的振动频率发生共振耦合时,就会产生表面等离子体共振(SPR),在紫外-可见光谱上显示强的吸收峰。SPR峰的位置主要取决于以下几个因素:纳米粒子的大小、形状、表面电荷、环境介质条件等。与球形的纳米金颗粒相比,棒状的金纳米颗粒具有更为特殊的SPR性质。球形的纳米金颗粒表现为单一的SPR峰,而棒状金纳米颗粒则具有横向和纵向两个SPR峰。其中纵向SPR(LSPR)峰的位置取决于金纳米棒颗粒的长短轴比,因此通过制备不同长短轴比的金纳米棒颗粒,可以实现其人为调控（从可见光区到近红外区，见图2）。纳米技术在医疗成像中的应用图2 不同长短轴比率

6、的金纳米棒的SPR图,LSPR峰随金纳米棒的长短轴比率增加而红移金纳米棒在医疗成像中的应用实例一 2005年美国Purdue大学的研究人员Wang等将金纳米棒颗粒注入实验鼠体内,在其流经血管时,利用双光子成像技术(TPL)透过皮肤得到了血管结构的原位图像(见图3)。记录的图像比传统荧光染料法明亮得多,单个金纳米棒颗粒比单个罗丹明6G分子（一种荧光染料，邻苯二酚类）发出的双光子荧光要亮58倍。金纳米棒在医疗成像中的应用实例二 Yakar等应用抗体与抗原之间的特异性识别作用,使用聚苯乙烯磺酸钠(PSS)和抗体(anti-EGFR antibody)来修饰CTAB（十六烷基三甲基溴化铵，不仅是支持电

7、解质,而且还是AuNRs的稳定剂和保护剂 ）稳定的金纳米棒制备生物探针（见图4）。随后用抗体修饰的金纳米棒颗粒与EGFR过度表达的癌细胞发生特异性识别而标记癌细胞,利用金纳米棒的光学特性进行了癌细胞的双光子发光成像研究工作,结果表明利用金纳米棒的双光子发光成像可以深入生物组织75m。在同等情况下,与双光子自荧光成像相比,成像亮度高3倍(见图5)。图4 金纳米棒生物分子探针示意图11-巯基十一酸抗体分子稳定剂目标分子纳米技术在医疗成像中的应用正电子发射计算机断层显像( PET) 技术已被用于医疗成像。但目前大部分 PET探针是小分子化合物,经常遇到代谢过快、 无法在靶部位有效浓集等问题。利用纳米

8、材料携带 PET探针, 能够改善这些存在问题, 从而获得更好的成像效果。核磁共振成像技术(MRI)是一种对活性组织的解剖结构进行成像的强大工具。纳米粒子核磁共振大大提高了成像技术的精密性。交联氧化铁纳米粒子是一种用于示踪体内单个细胞的纳米粒子。纳米技术在医疗诊断中的应用纳米诊断技术 使用纳米诊断技术只需通过血液中的DNA或蛋白质检测，便能诊断出很多早期疾病；如应用分子雷达光学相干层析术(optical coherence tomography，OCT)这种先进的纳米诊断技术，每秒钟能完成生物体内活细胞的动态成像2000次，以此来观察活细胞的动态。在发现单个细胞病变的同时不伤及正常细胞，其分辨率

9、可达1微米级。运用超顺磁性氧化铁纳米粒子脂质体，则可以诊断直径3毫米以下的肝肿瘤。纳米技术在医疗诊断中的应用金纳米棒在医疗诊断中的应用 纳米金由于体积小，可以被多种基团修饰和其光学特性，成为疾病诊断新的研究对象。纳米金可以被多种物质修饰获得对肿瘤细胞的靶向性。其诊断原理如下：不同直径的纳米金具有特定的吸收光谱，可以对特定长度的红外线产生吸收的峰值。由于EGFR抗体修饰的纳米金可以选择性的聚集于肿瘤细胞中，从而使肿瘤细胞中高浓度的纳米金之间互相作用产生等离子共振（plasmon resonance）现象，导致其吸光谱发生红移，而正常细胞中由于不存在纳米金或者纳米金浓度过低难以产生等离子共振现象，

10、因此应用光声和超声波谱诊断法可以明显的区别肿瘤细胞与正常细胞，使肿瘤细胞清晰地被诊断出。金纳米棒在医疗诊断中的应用实例一 Yu等将3种不同的抗体分子偶联到3种不同长度的金纳米棒上，通过检测免疫识别作用诱导的金纳米棒LSPR吸收峰红移(图6)，实现对3种靶分子的同时检测，提高了检测效率。图6 金纳米棒用于三靶标检测：对照 ：三靶标检测金纳米棒在医疗诊断中的应用实例二 Oyelere等用金纳米棒偶联核定位缩氨酸后与正常细胞和癌细胞孵化。暗场光散射成像表明金纳米棒可以定位于细胞质和细胞核中。单细胞的微拉曼光谱显示，在细胞质和细胞核中的缩氨酸拉曼光谱增强，能够分辨出良性细胞和恶性细胞 。图7 细胞分别与GNRs和GNRs/缩氨酸孵育的暗场成像（a、c）正常细胞分别与GNRs和GNRs/缩氨酸孵育（b、d）癌细胞分别与GNRs和GNRs/缩氨酸孵育纳米技术在医疗诊断中的应用纳米粒子基础上超声成像诊断技术 包含气体分子纳米颗粒基础上的超声成像与治疗一体化技术正在快速发展,其能够对癌组织的功能、 结构、分子特征进行综合评估。微气泡(mi crobubbl