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新型金属纳米材料在肿瘤细胞及肿瘤组织中靶向荧光成像的研究

叶静  
【摘要】:近年来,生物成像技术取得了突破性的进展,在生物医学、临床诊断等领域中的应用更加广泛和深入,为理论研究和实际应用提供了有力的支撑。荧光生物成像技术作为光学生物成像中应用最为广泛的技术,可以实现对肿瘤实时、动态、精确、非侵入性监测,在细胞和活体层面提供生物样本动力学变化信息,备受研究人员和医疗工作者的青睐。目前,越来越多的荧光探针应用到生物成像技术中,主要包括:量子点、上转换材料、碳基材料等。然而,不少荧光探针在细胞毒性、稳定性、抗光漂白等方面具有不同程度的缺陷。如量子点大多含有镉、铅等重金属成分,虽然经过表面修饰或形成壳层结构可降低一定的毒性,仍容易引起细胞的免疫应答等等,这些不足制约了它们在生物医学中的应用。金属纳米材料可有效避免上述缺陷,为实际应用提供了新的选择和思路。迄今为止,制备金属纳米材料较为成熟且已规模化的方法有化学和物理方法,包括水热合成法、微波辅助合成法、超声合成法等。这些方法虽然各具优点,但也存在环境污染大,成本较高,可控性差,产物易团聚,合成过程复杂等难以克服的缺点,极大地限制了其进一步大规模生产及在生物医学领域中的应用。由此,生物合成纳米技术作为一种绿色、新颖的合成方法逐渐发展起来,该方法能够利用生物体自身的代谢物、提取物等活性分子,借用机体内的生理路径来合成纳米材料,因而受到了越来越广泛的关注。与此同时,从生物分子学的角度探索有关荧光探针与细胞相互作用,以及如何产生荧光信号的相关分子机制的报道却很少。因此,本论文旨在设计一种基于原位生物合成新型功能化金属纳米材料作为荧光成像探针的新方法,并将其用于肿瘤细胞及活体成像中。为了进一步探讨该荧光探针的形成原理及其与肿瘤细胞相互作用的分子机制,采用基因组学和蛋白组学等高通量的研究手段进行详细分析。具体研究工作如下:首先,利用肿瘤细胞独特的生理生化微环境,创新性地绿色合成了具有荧光特性的铕纳米复合物。通过荧光光谱、粒径形貌、元素价态等技术对该复合物进行了结构、形貌、性质表征,利用共聚焦荧光显微成像考察了其在肿瘤细胞中的分布。在探究细胞内合成荧光纳米复合物的基础上,进一步拓展了该铕纳米复合物在肿瘤活体成像中的应用。通过探究其在活体中的肿瘤靶向性能、生物分布和生理生化作用等方面的性能,证明该复合物具有良好的靶向性和活体成像效果。从各重要器官的组织切片和血液分析的结果可以看出,该铕纳米复合物没有引起组织器官病变,也未造成肝肾功能的损伤,具有优良的生物相容性。本方案设计简单,高效,稳定性和重复性均优良,在有效提高水相中稀土纳米材料荧光强度的同时增强其生物相容性,为稀土纳米材料合成方法的改进提供了新的思路。结合细胞成像等技术,在医疗及工业中具有广泛的应用前景。其次,为了深入揭示原位生物合成过程的分子机制,利用cDNA微阵列研究了该过程全基因组表达谱。通过提取HeLa细胞的RNA,利用基因芯片进行高通量的检测,共检测到837个差异表达基因。同时采用定量RT-PCR方法对四个重要基因的表达进行验证,并与微阵列实验数据相比对,实验结果证实两者的数据是一致的,说明用全基因组表达谱研究的准确性。此外,对差异表达的基因进行基因本体(GO)分析,包括细胞成分,分子功能和细胞生物过程三个方面。同时,对差异表达的基因进行了 KEGG通路分析,发现在原位生物合成荧光铕纳米复合物的过程中,一些重要的生物学途径参与其中,包括粘着斑路径(Focal adhesion pathway)和PI3K(磷脂酰肌醇3'-激酶)-Akt信号通路(PI3K-Akt signaling pathway),可影响糖酵解代谢和NAD(P)H氧化酶代谢途径。第三,在基因组学研究的基础上,进一步利用蛋白质组学对硝酸铕溶液与肿瘤细胞相互作用,及荧光铕复合物在原位合成过程中相关差异表达蛋白进行了分子机制的研究。将细胞样品处理后,进行等重同位素多标签相对定量蛋白质组学(iTRAQ)分析。iTRAQ分析了蛋白质表达的差异,利用GO和KEGG生物路径分析证明,荧光铕纳米复合物的形成是由于肿瘤细胞内部特殊的微环境,Eu(III)离子与肿瘤细胞内高含量的GSH相互作用,在NADPH的特殊还原力下,形成荧光铕纳米复合物。该研究从微观水平对肿瘤细胞的荧光成像机制进行阐述,为进一步深入揭示肿瘤内原位合成生物荧光探针的分子机制提供了一个具有重大意义的理论基础。最后,基于以上对肿瘤细胞内生物合成荧光探针的合成条件及分子机制的深入认识,本论文设计并制备了一种发射近红外光且稳定的铜纳米簇。利用荧光光谱、紫外吸收光谱、X射线光电子能谱、形貌表征、元素分析等技术对该铜纳米簇进行表征。通过优化合成条件,该铜纳米簇的荧光发射峰在610nm,具备良好的稳定性及生物相容性,有效的降低了体外合成铜纳米簇的毒性。更重要的是,该铜纳米簇在实现肿瘤原位生物成像的同时,还具有对温度(在生理温度范围内)较强的敏感性,以此成功构建了荧光成像与温度传感双功能探针。该方法操作简单,绿色可控,重复性高,生物安全性好,为荧光实时成像及肿瘤的诊断治疗提供了新的选择,也为其在生物医学领域的进一步应用提供了一种思路。


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