基于FRET纳米体系的双光子成像和光动力治疗效应研究

发布时间：2020-05-17 03:21

【摘要】：研究目的:癌症,是人类面临的一个重要的公共卫生问题,其发病率和死亡率一直不断上升。目前,癌症治疗的主要手段为手术治疗、化疗、放疗。此外,基因治疗、免疫治疗和光动力治疗等手段也逐渐出现并用于临床治疗。其中,光动力疗法(Photodynamic Therapy,PDT)是近年来颇受重视的一种癌症新疗法。这种疗法将选择性聚集在肿瘤组织的光敏药物利用特定波长的激光照射,与周围的氧气反应,生成对细胞具有破坏作用的单线态氧,从而引发光化学反应,导致肿瘤细胞和组织的破坏及功能失常,干扰肿瘤细胞的生长并导致死亡。与传统肿瘤治疗相比之下,光动力治疗更容易控制,并且可以选择性地消灭恶性肿瘤细胞,同时能够保留正常的组织。目前,光动力治疗的局限性在于生物组织对可见光的吸收和散射造成光的衰减,导致光在组织中的穿透深度有限,对组织深处的实体肿瘤的治疗效果较差,仅能对皮肤表浅区域的病变进行治疗。针对光动力治疗的问题,本研究改进的办法是引入双光子激光,与临床使用的单光子激光相比,双光子激光可以增加光的穿透深度,并且减少光损伤。但是,目前临床使用的光敏药物几乎没有双光子吸收。因此,需要研发新的光敏药物体系以解决光动力治疗存在的问题。本研究利用双光子激光,设计合成能够发生荧光共振能量转移效应(FRET)的纳米新体系并用于双光子成像和光动力治疗效应研究。研究方法:选择两种具有较强双光子吸收截面的荧光染料作为FRET效应的供体,选择暗细胞毒性小的光敏药物作为FRET效应的受体,设计新型双光子响应光动力治疗给药体系。具体内容如下:1.选择将经典光敏药物孟加拉红(Rose Bengal,RB)与具有超高双光子吸收截面的纳米材料氮掺杂的石墨烯量子点(N-GQD)偶联配对,合成了一种稳定的氮掺杂石墨烯量子点-孟加拉红纳米体系(N-GQD-RB)用于双光子光动力治疗和成像。通过透射电子显微镜、红外光谱仪、激光共聚焦扫描电子显微镜等仪器对纳米粒子进行表征,通过激光猝灭法、荧光寿命法、直接激发法对纳米粒子内部FRET效应进行验证,利用单线态氧捕获剂检测纳米粒子产生单线态氧的能力,对纳米粒子在单双光子激发下的细胞毒性进行研究。利用NIH小鼠为动物模型,通过尾静脉注射给药,研究体系双光子成像与光动力治疗效果。2.以聚丙烯胺盐酸盐(PAH)为正聚电解质囊壁,与光敏剂孟加拉红(Rose Bengal,RB)进行偶联反应作为壳,通过静电作用力组装在双芘分子Bis(Pyrene)(BP)形成的核上,得到一种内部能发生FRET效应的双芘-孟加拉红纳米体系(BP-RB),利用透射电镜、纳米粒度仪、荧光光谱仪、激光共聚焦扫描电子显微镜等仪器对该纳米体系进行表征,通过激光猝灭法、荧光寿命法、直接激发法对纳米体系内部FRET效应进行验证,利用共聚焦显微镜对该纳米材料的穿透深度进行检测。研究该纳米材料光照后产生单线态氧的能力以及单双光子照射下的细胞毒性。研究结果:1.合成N-GQD-RB纳米体系粒径为5 nm,BP-RB纳米体系粒径为60 nm。这两个体系组成、形貌和尺度明确。2.N-GQD-RB分子内部和BP-RB纳米体系内部均能够发生FRET效应。3.N-GQD-RB纳米体系和BP-RB纳米体系经过光照后都能够产生单线态活性氧,经过双光子光照,细胞光毒性效果显著。4.N-GQD-RB在双光子激光照射中的血管成像清晰明显,信噪比要明显高于单光子成像,并且低剂量的N-GQD-RB经双光子激光照射可以导致血管闭合。5.BP-RB纳米体系经双光子激光照射后在2000μm处仍可被检测到。研究结论:1.成功设计合成了两种纳米体系,即N-GQD-RB体系和BP-RB体系,并对其进行表征,两种体系结构明确,分散良好。2.两种纳米体系都存在荧光共振能量转移效应,能够吸收双光子能量并传递给光敏药物生成单线态氧。3.两种纳米体系的单光子及双光子激发后细胞光毒性效果显著。4.两种纳米体系都可以用于深层生物组织成像和肿瘤的光动力治疗。
【图文】：

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图 1.1 肿瘤的生物学特征和对应的解决手段[7, 8]。Fig. 1.1 Therapeutic Targeting of the Hallmarks of Cancer.对上述癌症生物学性质特征，目前出现了多种的癌症治疗方法。目前常外科手术治疗、化疗、放疗外，基因治疗、免疫治疗、光动力治疗等手出现。其中，光动力治疗的肿瘤靶向性好，，且该疗法属于微创治疗，通正常组织，已逐步成为多种肿瘤治疗方法之一。对有关光动力治疗理论一步的研究可以为癌症患者提供更大的生存几率[9]。光动力治疗概述光动力治疗的发展用光治疗源于 1900 年，Rabb 在实验中发现化学物质吖啶橙被光照射后物体的现象[10]。使用光治疗癌症的想法始于 1903 年，Tappeiner 和 Jesion红染料和阳光来治疗皮肤癌患者，证实了伊红可以作为光敏剂用于人体[11]

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到高能级的过程，其吸收与光强呈线性关系。而双光收激光器发出的两个低能光子使前线轨道的电子跃年 Kaiser W.等人首次从红宝石脉冲激光器中观察到了象[34]，即在脉冲激光的激发下，具有大 π 键共轭体机分子同时吸收两个光子从基态跃迁到了高能级，由能量产生荧光即为双光子荧光。吸收相比，双光子的优点在于：（1）双光子吸收的射，所用的激发光的波长是单光子吸收激发光波长的发波长更长，位于红外或近红外区域，光穿透能力强对长波长的光吸收较小，而且具有较好光化学稳定性更深的穿透深度。（2）在双光子激发下，样品被激其他位置难以发生双光子吸收，便于更清晰的观测，
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R73-3

【参考文献】