基于正交反应的近红外荧光纳米探针在乳腺癌高灵敏成像及手术导航中的应用研究

发布时间：2020-07-26 11:22

【摘要】：恶性肿瘤是致死率极高的疾病,严重威胁着人类健康。针对实体瘤,目前临床上主要采用的方法是以手术切除为主并结合放化疗。手术效果及患者预后很大程度上取决于肿瘤的切除范围。肿瘤切除程度越高,患者的总体生存期越长。然而,目前的手术治疗主要是依靠医生经验来进行,很难将肿瘤彻底切除,从而造成微小灶残留,这也是导致肿瘤复发的根源。而如果过分扩大手术范围极有可能使患者的生活质量受到严重影响。因此如何实现在术前和术中对肿瘤及其微小病灶进行准确定位和精细成像,在尽量保护正常组织的前提下最大程度地切除肿瘤,是其临床手术和综合治疗方案成败的关键所在。随着分子影像学的迅速发展,基于影像引导的手术导航为解决上述难题带来了希望。在各种成像方式中,近红外荧光成像以其信噪比高、灵敏度高和仪器设备方便操作等优点有望在手术导航领域大展拳脚。而开发性能优良的近红外荧光探针是实现近红外荧光在体成像的核心。然而目前常用的近红外荧光探针多为有机小分子染料,代谢快、稳定性差,在肿瘤部位富集量有限导致无法进行长时间跟踪成像,手术切缘界定不够理想。而将小分子染料与纳米载体相结合得到的纳米荧光探针能够显著改善这一状况。凭借纳米载体在肿瘤部位特有的增强渗透和保留效应(EPR效应),纳米材料能够将有机小分子染料尽可能多地递送到肿瘤部位并延长染料在肿瘤部位的滞留时间,不仅能够提高成像信噪比,而且有利于在手术过程中进行长时间的跟踪和观察,从而指导手术进行。此外,纳米材料比表面积大,表面修饰位点多,能够提高荧光分子的负载量,达到富集荧光分子的作用。基于此,本研究结合了近红外荧光成像的优点以及纳米材料在生物递送方面的优势,设计合成了一种近红外纳米探针SiO_2-Cy5,并成功将其运用于乳腺癌的在体成像和手术导航中。本研究得到结果如下:1、合成了尺寸均一的纳米二氧化硅载体,通过表面修饰,依次将氨基、聚乙二醇及正交反应基团TCO引入SiO_2表面,获得粒径均匀稳定性好的正交反应模块SiO_2-TCO。将近红外染料小分子Cy5通过正交反应与TCO相连,修饰在纳米SiO_2表面,正交反应可以在体外发生也可以在体内进行,得到的近红外荧光探针SiO_2-Cy5尺寸均一、在PBS中稳定性好、发光稳定、生物相容性好。2、将SiO_2-TCO用于在体正交反应实现肿瘤两步法成像,相比普通小分子染料成像信噪比提高不大,该成像策略的成像结果不理想,但是确定纳米材料富集最大时间实验时发现SiO_2-Cy5成像灵敏度和信噪比高,成像效果良好,后续用该探针用于肿瘤的成像和术中指导手术切除的研究。3、将合成得到的近红外荧光纳米探针SiO_2-Cy5用于乳腺癌肿瘤在体成像,实验结果表明,与单纯的Cy5染料相比,SiO_2-Cy5探针在肿瘤部位的信号强度明显增强,信噪比大大提高,达到6.8,成像效果良好。而且荧光信号在肿瘤部位的保留时间显著延长,能够将肿瘤的边界清晰地显示出来。这一性能较好地满足了手术过程中需要对肿瘤进行较长时间跟踪观察的需要,为其在手术导航方面的应用打下了良好基础。4、将合成得到的近红外荧光纳米探针SiO_2-Cy5用于乳腺癌肿瘤的手术导航研究,结果发现和没有成像引导,仅凭经验对肿瘤进行切除的结果相比,SiO_2-Cy5探针成像能够清晰地指导医生沿着肿瘤边界进行手术,从而减少了对正常组织的过多切除,而且能缩小手术创面。最重要的是,当医生仅凭经验切除时,难免有一些肉眼发现不了的肿瘤微小残余组织,而运用探针进行术中成像可以清楚地发现这些残余并将其切除干净,使手术切除更彻底,避免多次手术,达到更好的治疗效果。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R737.9;O657.3
【图文】：

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子吸收另外的光子并将能量传递给第一个离子，然后通过光辐射衰减回到基态 G，实现上转换发光（图 1.1 B 中 ETU 过程）。图1.1 荧光产生机理示意图[20]1.2.2 近红外荧光成像光学成像仪器设备灵敏度高、便宜而且操作简便，因此其在生物医学研究中应用非常广泛，从各种各样的显微镜到活体荧光成像仪，能够实现生物分子、细胞、组织、活体多维实时可视化的跟踪检测，是现在生物医学领域中不可或缺的研究手段。在活体成像应用时，光学成像受到一定的限制：①由于生物体内的活性组分（如血红蛋白、黑色素等）对可见波段的光吸收与散射较高（如图 1.2），降低了可见光的组织穿透深度；②生物体内富含各类发光大分子（通常位于可见光区域），这些分子在可见光的激发下会产生非特异性的荧光发射，产生假阳性信号，对成像结果产生干扰[21]。经研究表明

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18学透明窗口，这一波段的成像也称近红外荧光成像。图1.2 生物活性物质对不同波段光的吸收图[20]近红外荧光活体成像三大步骤是开发近红外荧光探针、用探针标记成像目标和对目标进行成像，随着现在近红外荧光检测设备的成熟，现在关键的是一种能靶向目标区域的高信噪比的近红外探针的开发，下面将对现有的近红外荧光探针和开发进行简要介绍。1.3 常用的近红外荧光探针随着近红外荧光成像的发展，越来越多近红外荧光成像探针被开发出来，目前报道的探针分为有机小分子荧光染料和发光纳米材料两大类，有机小分子荧光染料被广泛应用于生物荧光标记和生物成像等方面，随着纳米技术的发展，越来越多的纳米材料也在肿瘤的成像治疗等方面发挥作用。最新研究开发运用于肿瘤成像的有机小分子荧光染料主要有花菁类染料、BODIPY 染料、罗丹明类染料、方酸类染料和酞菁卟啉衍生物等[23]，其中花菁类染料是目前应用最普遍的；发光纳米材料主要有量子点、稀土荧光纳米材料和以纳米材料为载体的荧光探针等，其中近红外荧光纳米探针兼具纳米材料和近红外荧光分子的特点

共振结构式,花菁染料

量子产率有限，光稳定性差易发生光漂白，而且随着甲川链长度的增加易于聚集发生猝灭等。图1.3 花菁染料的共振结构式[26]花菁染料Cy5、Cy5.5、Cy7及其衍生物是最常见的NIR荧光染料（结构见图1.4），其具有高摩尔吸光系数和荧光量子产率[27]。Cy5 染料的最大吸收波长为 650nm，荧光发射波长为 670nm，是近红外区菁染料中稳定性最好的，而且在染料的氮杂环上修饰磺酸基能大大提高染料的水溶性，可用于生物活体成像，是细胞研究和在体研究中常用的一种近红外染料，本论文合成的近红外探针就是通过纳米载体负载该染料得到的。Cy5.5 染料的最大吸收波长 678nm，荧光发射波长 694nm，由于共轭苯环的增加相比Cy5 染料吸收和发射红移

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