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含钆纳米造影剂的磁共振影像分析及生物学评价

2021-01-06 来源:化拓教育网
中山大学硕士学位论文

新型含钆纳米造影剂的磁共振影像分析及生物学评价

姓名:张永裕申请学位级别:硕士专业:影像医学与核医学

指导教师:李立20100603

中山大学硕士学位论文新型含钆纳米造影剂的磁共振影像分析及生物学评价专业:影像医学与核医学研究生:张永裕指导教师:李立教授中文摘要目的研制一种新型顺磁性高的含钆纳米材料介孔二氧化硅钆掺合纳米颗粒(Gd-MCM.41),观察其对小鼠的急性毒性作用、小鼠体内分布特点及进行磁共振影像分析,为进一步研究其长期毒性及评估其应用于影像学诊断的可行性提供依据。材料与方法采用新型纳米制各技术,将金属Gd掺合到介孔二氧化硅(MCM.41),制备含钆纳米材料Gd.MCM.41,透射电镜观察该纳米材料表征;x.射线能谱仪测量复合材料内的钆含量;X射线衍射仪测试颗粒的介孔结构和物相结构;O.5T核磁共振分析仪测定该材料的纵向弛豫率rl、横向弛豫率r2;1.5T磁共振成像系统观察其体外成像效果及其在Balb/c裸鼠和鼻咽癌CNE.2裸鼠移植瘤体内的成像特征。以昆明种小鼠为实验动物,通过单次尾静脉注射含钆纳米材料悬浮液(58.7l~99.43mg/kg)进行急性毒性实验以评价其安全性,给药后饲养14d,观察饲养期间小鼠的一般情况,记录动物死亡情况,将死亡动物解剖,对动物主要脏器进行病理组织学检查,观察其病理学改变。利用免疫组织化学SP法对给药组与对照组小鼠肝脏库否细胞进行染色观察。电镜观察纳米颗粒在小鼠器官与肿瘤组织中的分布。中山大学硕士学位论文结果制备的含钆纳米颗粒呈圆球形,粒径约80~150nm,平均粒径120nm。X射线能谱仪测量该复合材料内的钆含量约111.99/kg。X射线衍射仪检测Gd.MCM.41呈六方有序孔道结构。核磁共振分析仪测定的加入分散剂Tween分散后的Gd.MCM.41在O.5T的纵向弛豫率rl、横向弛豫率1"2分别为7.45mM。1s~、10.97mM’1s一,显著高于常规造影剂Gd.DTPA(rl,4.27mM‘1s~;r2,4.99mM‘1S‘1)。含钆纳米造影剂静脉注射后,血管和肝脏观察到较明显强化,并且鼻咽癌CNE.2裸鼠移植瘤在MR图像上呈较明显强化。小鼠含钆纳米材料LD50及95%可信限为72.7(68.9---76.7)mg/kg,由组织学检查推测实验动物的死亡原因是由纳米颗粒在体内团聚,引起急性血管栓塞所致。肝脏库否细胞染色结果,给药组与对照组CD68阳性表达的细胞数目及形态未见明显变化。组织电镜观察纳米颗粒主要分布在肝、脾、肺、肿瘤组织。结论本研究成功地制备了介孔二氧化硅钆掺杂纳米材料,该材料具有较高的弛豫率和较佳的生物相容性,为进一步研究和应用于影像诊断奠定了基础。由组织学检查结果推测小鼠的死亡原因是由血管栓塞所致,其长期毒性有待进一步观察。关键词:磁共振成像;造影剂;钆;纳米;急性毒性n中山大学硕士学位论文TheBiologicalAssessmentofGadolinium—dopedMCM-41nanopartie!esasPotentialMRIContrastAgentsMajor:MedicineImagingandNuclearMedicineName:ZHANGYong-yuSupervisor:Prof.LILiABSTRACTobjectiveThisstudyaimtosynthesizeanewgadolinium-containingMCM一41mesoporousmaterial(Gd-MCM-41)andmice,andevaluatetheassessitsacutetoxicityandbiologicaldistributioninofeffectivenessGd·MCM·41asanewnanoparticleMIUcontrastagent.MaterialsandMethodsMCM-41mesoporousAnewgadolinium-containingmaterial(Gd—MCM-41)hadbeensuccessfullysynthesizedviaone-stepsynthesis.GadoliniumWasincorporatedintomesoporoussilicananoparticles(MCM-41)toprepareGd·MCM一41.Thesuperficialsyndrome,GdloadingandmagneticsusceptibilityoftheGd—incorporatednanoparticlesweredetectedbyhigh-resolutiontransmissionelectronrnicrographs,energydispersiveX-rayspectrometer,X-raydiffractionandO.5TNMRanalyzer,respectively.TheimagecontrastenhancementofthesenanosizedparticlesinBalb/cnudemiceandnasopharyngealanalyzedusingacarcinoma(NPC)xenografiedMRscanner.TodetermineCNE一2tumorswereinvivoa1.5Tclinicalthetoxicity,theGd·-MCM--41nanoparticleswereintravenouslyadministeredindosedependent(58.7lorgansto99.43mg/l(g)mannerandthehistopathologyofnanoparticles-treatedvitalwereexamination.TheimmunohistochemistrywasusedtodetectortheKupffercellsinliver.TheorganswereinvestigatedatthenanometersubcellularlevelusingIII中山大学硕士学位论文transmissionelectronmicroscopy.ResultsTheglobular-shapedGd--MCM··41meanof120patternsanmesoporousnanoparticlesawereapproximately80—150111.99/kg.X-raynnl(annl)indiameter,withallGd—loadingofstructurediffractionhadshowedorderedrlporeofandGd.MCM.41.Theparticlestransverselongitudinalrelaxivityof7.45mM-1s-1relaxivity1"2of10.97raM-1s-1at0.5Trespectively,whichweresignificantlyhigherthanthoseofthecontrastagent4.99Gd.DTPA(rl,4.27mM-1s-1:r2,administration,thesignificantmM-卜S‘).Aftertailveinintravenousenhancementwasobservedinbloodvessels,liverandNPCCNE-2xenograffedtumors.Inacutetoxicityexperimentwithmice,themedianlethaldose(LDso)ofGd—MCM-41Thewas72.7mg/kg.andthe95%confidencelimitWaS68.9~76.7mg/kg.histologicalexaminationofnanoparticles·treatedvitalorgansimpliedthatofdeathofmicebeduetoacutevascularthrombosisbynothecausetheaggregationofandshapeofnanoparticlesinvivo.ThereweresignificantdifferenceinthenumberKupffercellsbetweentreatmentandcontrolgroups.TheandtumorGd-loadingsilicaparticlestissues.wereobservedtobemainlyinliver,spleen,lungConclusionAnewgadolinium-containingnanoparticleshadandagoodbiologicaldistributioncompatibility,andmightdiagnosisofbecomeanoveltargetedanalysisM砒contrastoftheagentfortheandimagingdisease.Microscopiclungtissuecardiovasculartissueofthemiceindicatedthatdeathmaybeduetothrombosis.Keywords:MagneticNanoparticles;resonanceimaging;Contrastagent;Gadolinium;Acutetoxicity原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名:掭日鼽ID年r月岁b日学位论文使用授权声明本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定,即:。学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版,有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅,有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索,可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。中山大学硕士学位论文第一章前言自从1973年Lauterburcll在纽约州立大学研制成功第一台磁共振成像仪,首次实现磁共振成像(magneticresonanceimaging,MRI)以来,这一技术在生物学、医学和材料学等领域得到了迅速发展和广泛应用。医学磁共振成像利用人体中的氢质子(Proton)在强磁场内受到射频脉冲的激发,产生核磁共振现象,经过空间编码技术,将以电磁形式放出的核磁共振信号接收转换,通过计算机最后形成图像【21。与CT、超声、核医学等医学影像检查技术相比,MRJ具有许多突出优点,如:①无电离辐射和放射性;②可实现多序列、多参数成像;③不需改变体位便可施行任意方位层面的扫描;④较高的空间和组织分辨率和对比度,且无骨质伪影:⑤能反映被检测组织水质子周围环境并获取有关生理生化信息,可提高对心脏、大血管形态和功能的诊断。所以这一成像技术已成为当今临床诊断中最为有力的检测手段之一,广泛应用于临床【31。尽管M刚具有众多优点,但在实际工作中发现某些病变与正常组织的Tl甚至T2弛豫时间无明显差别,有些病变虽有明显的异常信号,但诊断与鉴别诊断仍较困难,还有些病变较小不易显示。因此,在临床M刚检查中,我们常常需要用磁共振造影剂(contrastagent)改变体内局部组织中水质子弛豫率以提高正常结构与病变组织的成像对比度,发现病变的特性和反映病变的组织学特征、血供水平及其生物学特性,或显示体内器官的功能状斛31。氢核的M鼬信号是多种组织的M刚信号源,M刚的组织信号强度主要取决于组织的质子密度、弛豫时间(T1或T2)、磁场强度以及扫描序列。软组织中氢质子密度变化很小,因此在诊断中使用T1加权成像、T2JJn权成像。MⅪ造影剂本身并不产生信号,它的作用在于改变组织内部氢核系统的弛豫时间,通过影响质子的弛豫时间Tl或T2达到增强或降低其信号强度的目的,使其产生可以令MRI检测到的信号141。造影剂的功能依赖于它在组织中的浓度及组织中质子密度及运动情况。目前国内医学界一般把MRI造影剂分为以下3类:顺磁性、铁磁性、超顺磁性。又因磁共振造影剂改变组织MR特征性参数,主要是缩短T1和(或)T2弛豫中山大学硕士学位论文时间,可分为T1弛豫造影剂和T2弛豫造影剂。临床应用最广泛的是顺磁性磁共振造影剂二乙三胺五乙酸钆(Gd.DTPA),是一种T1弛豫造影剂,它可以增强组织之间的信号差异,显示微小病灶以及与正常结构相仿的病灶,有效地提高了磁共振成像的诊断水平151。随着磁共振血管成像(MagneticResonanceAngiography,MRA)的应用与发展,Gd-DTPA已成为增强MI洫管成像的主要造影剂。然而,随着临床应用的增加,发现Gd.DTPA有一些不足,如:体内消除太快(入血后可迅速通过细胞间隙,并经肾脏排泄);体内分布没有特异性【6,71,使MR图象对比不能明显改善;而且Gd.DTPA是一种结构非常稳定的化合物,难以与生物大分子螯合,不能作为靶向显像的载体【8一i。另一方面,典型的T2弛豫造影剂——纳米超顺磁性氧化铁(superparamagnetieironoxide,sPIO)001,是由网状内皮系统清除的造影剂,颗粒直径约30"--500nm,从血液中清除主要由肝脾的网状内皮系统进行,因此可以作为以网状内皮系统为靶器官的造影剂应用于肝,脾和淋巴结成像111-13】。氧化铁纳米颗粒具有超顺磁性特征,磁敏感性高,而其纳米尺寸使其具有与众不同的生物分布,从而具有与常规磁共振造影剂不同的新的成像能力【l41。到目前为止,氧化铁纳米颗粒一直是唯一临床使用的纳米磁共振成像造影剂,许多研究都集中在开发更高效率的T2纳米颗粒磁共振造影剂f12,”·”】。SPIO磁化速度比顺磁性物质快,在外加磁场不存在时,其磁性消失,在外加磁场存在时,表现出强烈的磁化作用,造成微磁场的不均匀,而质子通过这种不均匀的微磁场时,改变了其横向磁化相位,加速了去相位过程,明显地缩短TT2(T2*),且IIT2(T2*)弛豫增强,因此,SPIO增强的T2WI及T2掌M上,有SPIO分布的组织其信号强度明显降低。而SPIO的高磁化率使其能以极低的检测限在细胞的标记及定向方面高度灵敏的示踪【M1。然而,这些基于超顺磁性纳米粒子的T2造影剂也存在一些缺点,限制其临床的广泛应用。本质上,它们是属于使MR图像信号降低的负性造影剂,由此产生的低信号,使得图像对比度比T1造影剂的要低,并且会与其他原因(如出血,钙化,金属沉积等)所致的低信号混淆,从而误导临床诊断。此外,高磁敏感性的超顺磁性造影剂对邻近正常组织的磁场也会产生干扰,导致图像模糊或病灶周围背景的破坏,这种局部失真称为磁敏感伪影或模糊效应,往往成为准确诊断病变状态的主要障碍【14I。特别是,由于磁性颗粒的聚集等所致额外的T2*缩短,因为粒子标记组织与T2*力N权图像2中山大学硕士学位论文的信号损失之间的关系并非线性关系,超顺磁造影剂所致的信号变化难以量化。因此,迫切需要研制一种磁敏感性高,易于表而修饰连接特异性配体,且生物相容性良好的新型纳米造影齐fJ,应用于磁共振分子影像研究【",18】。随着纳米技术的迅速发展及其与生物医学结合的同益深入,磁性纳米粒子在生物标记与分离【19J、核磁共振成像m1、组织修复【2i1、药物载体[22l以及疾病诊断与治疗【231等方面显示出广阔的应用前景。介孔材料的问世为材料科学领域注入了新鲜的血液,一经诞生,即得到物理学、化学与材料学界的高度重视,并得到迅速发展。它具有优良的物理、化学性能,在化学、光电子学、电磁学、材料学、环境等诸多领域有巨大的潜在应用前景,因而成为交叉学科的研究热点之一。根据国际纯粹与应用化学协会0UPAC)的定义【241,孔道尺寸小于2nm的多孔材料为微孔材料,大于50nm的多孔材料为大孔材料,介于2nm.50rim的多孔材料为介孔材料。微孔材料在有机反应中,可作为酸催化剂、碱催化剂和氧化还原催化剂,但由于这类微孔材料孔径尺寸小于2nm,直径大的分子不能进入其孔腔发生反应或在孔腔内产生的大分子不能快速逸出,从而大大地限制了其对有机大分子的催化与吸附作用等的应用范围。对于大孔材料,尽管孔径尺大于50rim,但同时存在着孔道形状不规则、尺寸分布过宽等缺点。而介孔材料与原有的微孔沸石介孔材料和大孔材料相比,不仅孔径适中,长程结构有序,具有较大的比表面积和壁厚,并且具有较高的热稳定性和水热稳定性。介孔材料的结构和性能介于无定形无机多孔材料(如无定形硅铝酸盐)和具有晶体结构的无机多孔材料(如沸石分子筛)之间,其主要特征为:(1)具有规则的孔道结构;(2);fL径分布窄,且在1.5.20nm之间可以调节;(3)经过优化合成条件或后处理,可具有很好的热稳定性和一定的水热稳定性;(4)颗粒具有规则外形,且可在微米尺度内保持高度的孔道有序性。1992年,美国Mobil公司的KresgeCT等【251、.BeckJS等【261首次报道以烷基季按盐阳离子表面活性剂的聚集体为模板合成了孔道直径范围为1.5.20nm介孔材料,是沸石分子筛合成史上的重大突破。他们成功开发出一类有序介孔材料M41S(MCM.41、MCM.48、MCM.50)。M41S材料具有规整的中孔结构。孔径根据合成条件的不同可以在1.5.20hm2_问调节,按有序孔道的形状可分为六方有序孔道中山太学硕士学位论文排列的MCM-41、立方有序孔道排列的MCM-48和层状排列的MCM一50。其结构如下图I.1㈣。移鳓渝MO-1-41(∞卉方.空闻群p自肿)bMOd-48泣方.空间群Idd)cNOd-50侣状.空问群p2J图l一1M41S系列中孔结构图:a)MCM一41;b)MCM.48:c)MCM一50从图1—1看出,MCM.41具有六方对称性排列的直孔道,MCM-48具有三维螺旋交叉fL道,MCM一50具有层状结构。MCM.48的台成条件比较苛刻,文献报道相对较少。MCM-50由于具有不稳定的层状结构而应用前景较小。MCM_4I是M41S家族中最具有代表性的一员,它具有狭窄的孔径分布,短程无序而长程有序.比表面积大于700m2/g,吸附量高于07cm3/g,并且具有较高的热稳定性和怠好的水热稳定性,从产物的结构来看,它具有中介相的长程有序、纳米晶胞、维数可调等特点,在很多方面都符合当今热门的功能材料的要求,这些性质引起了广大学者的普遍重视和强烈兴趣,是研究最为广泛,非常有应用前景的介孔材料。含杂原子的MCM.41舟孔材料的研究始于1995年,CormaA等㈣阻MCM-41介孔材料负载Nio和M003,并将其应用于催化领域。BlaseoT等畔埘Ti-MCM_4I的合成、表征及其催化活性进行了研究。2004年,AdhyaPakPv等9“以模板法在MCM_4I介孔材料孔道内制各了银纳米线,井对其光学性能进行了研究。2005年,BoreMT等㈨在孔径22nm-65ran的介孔材料孔道内制各了高度分散的金粒子。生物氧化硅纳米材料无毒性,易与各种生物大分子结合;而且约100ran太小的颗粒,易于渗透过肿瘤性不完整的毛细血管网进入肿瘤组织间隙,而难以通过正常组织的血管内皮细胞间隙,从而在肿瘤组织中有特定浓聚阢”1。TaylorKid等…I将Gd组装至介孔硅纳米中.利用该材料多孔性结构特征,使位于纳米孔道中山大学硕士学位论文表面的钆离子与通道内流动的水质子紧密接触,快速交换,从而显著增强了组织弛豫率。同时Carniato[351、Kimt361、Hsiaot”1、BaeKH【38l矛llRieterl391等也制备出有望成为磁共振造影剂的含钆纳米材料。有序介孔硅因其能荷载大量易于与水分子接触的Gd,被认为是磁共振增强杂化材料的理想载药平台。目前,合成介孔材米stMCM.41的方法有水热合成法、室温合成法、微波合成法、湿胶焙烧法、相转变法以及在非水体系中合成等等。其中,最常用的方法是水热合成法,这种方法合成的样品在孑L道结构、热性能等方面的性能最为优异,自从KresgeCT等,BeckJS等【261首次合成出新型介孔材料M41S材料以来,这种方法一直被广泛采用。综上所述,在临床M砌检查中,我们常常需要使用磁共振造影剂提高正常结构与病变组织的成像对比度,而临床常用的造影齐tJGd.DTPA及SPIO各有明显的不足,因此,迫切需要研制一种磁敏感性高,易于表面修饰连接特异性配体,且生物相容性良好的新型造影剂,应用于磁共振分子影像研究【17,181。本研究在前期工作的基础上【401,采用新型的高分子模板,改进制备工艺,制备一种中等粒径的含钆纳米材料——介孔二氧化硅钆掺合纳米颗粒(gadolinium-containingMCM一41mesoporousnanoparticles,Gd-MCM-41),检测其表征,并初步分析该纳米材料在活体内与移植瘤的磁共振成像情况,观察其在昆明小鼠的急性毒性及体内分布情况,为进一步评估其应用于活体磁共振分子成像的可行性提供依据。中山大学硕士学位论文第二章材料和方法2.1实验材料2.1.1实验动物SPF级Balb/c裸鼠14只,雌性,4.6周龄。购自广州中医药大学实验动物中心。昆明种小白鼠(清洁级)73只,雌性38只,雄性35只,由中山大学实验动物中一Ii,提供,4-6周龄,体重为18"---22g。本研究对动物的处理符合中山大学动物实验伦理学规范。2.1.2主要试剂阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化胺(cetyltrimethylammoniumbromide,C16TAB)、正硅酸乙酯(tetraethoxysilane,TEOS)和GdCly6H20(美国SigmaChemical公司),六水合氯化钆(GdCl3·6H20)(Alfa公司),兔抗鼠抗体CD68(英国AbDSerotec公司)。2.1.3主要仪器I电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP—AESl(SPECTROCIROSVISION,德国斯派克分析仪器公司)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)(JEM.2010HR,日本电子株式会社)、X射线能谱仪(EDS)(ISIS.300,英国Oxford公司)、X射线衍射仪(pocsD8ADVANCE,德国布鲁克AXSX射线分析仪器公司)、0.5T核磁共振分析仪(NMl20.Analyst,上海纽迈电子科技有限公司)、1.5T超导型磁共振成像系统(GE,Signa,HDx1.5T,美国GE公司)。2.2实验方法12.2.1含钆纳米材料Gd.MCM.41的制备与表征参照我们以前纳米制备技术与文献资料f4叫钔,将4mL250geL的浓氨水溶于80mL去离子水中,然后加入0.5mmol十六烷基三甲基溴化铵(C】6TAB,分析纯)和lmL100g/L的聚乙二醇(PEG),于室温下搅拌溶解,再加入lOmmol正硅酸乙酯(TEOS),室温下搅拌2h后得到反应产物,将产物干燥后得到介孔二氧化硅MCM-41原粉,在500"C焙烧5h后脱出模板剂,即可得纳米级MCM.41粉1本文材料制备及表征、弛豫率rl、r2的测定实验由合作者中山大学化学系李幸、物理系刘桓共同完成,方法及结果双方共享。6体。然后将MCM.41粉体溶于一定量的去离子水中,混合均匀后加入0.5mmolGdCl3.6H20搅拌2h后,用1mol/L的NaOH溶液(或者1m01/L的氨水溶液)调节PH值为8-9,继续搅拌反应2h后,离心,洗涤,干燥即可得Gd—MCM.41。将含钆纳米颗粒溶『fJ7}于磷钨酸溶液中,超声波振荡后,滴到覆盖了无定形碳膜的铜网上,烘干后,放入高分辨透射电子显微镜进行观察,加速电压为200kV,观察钆纳米颗粒的形状、大小、表面特性。X射线能谱仪测量纳米材料内的钆含量,脉冲处理时间5,束斑直径5,加速电压18kV,活时间75s。X射线衍射仪(Cu靶妣射线,辐射波长护O.154056nm)作用电压35kv,工作电流35mA,扫描角度1.20~8.Oo和50-一600,测试颗粒的介孔结构和物相结构。2.2.2弛豫率rI、r2的测定0.50.25T核磁共振分析仪测定样品的r1、r2。分别将不同浓度(0.01、0.05、0.1、mmol/L)的Gd.MCM.41,加入分散剂Tween研磨分散的Gd.MCM一41,Gd.DTPA水溶液以及去离子水装入核磁管,密封,然后置入磁共振分析仪的磁体内,进行扫描分析并测量T1、T2。根据公式(1/Ti)。b。a=(1/Ti)a+Ri[C](i--1,2)‘451,O/T0。bsd为不同浓度时样品的质子弛豫速率,(1/Ti)d为无顺磁性物质存在时水的质子弛豫速率,[C】为对应于弛豫率的样品浓度,计算出Gd.MCM.41、Tween研磨分散的Gd.MCM.41、Gd.DTPA在O.5T的质子弛豫率rl、I"2(mMJs以)。2.2.3体外MⅪ扫描按照Gd.MCM.41中n(Si):n(Gd)=20:1,其中Si的存在形式为Si02,Gd的存在形式为Gd203,以每tool的Gd为单位,该Gd.MCM.41的分子量为1381.259/tool。将含钆纳米颗粒悬浮于4g/L的羧甲基纤维素溶液,配制浓度分别为1、O.5、O.25、0.1、0.05、O.025mmol/L的悬浮液,置于1.5mLEP管内,进行MRI扫描,并与相同浓度常规M对造影剂Gd。DTPA进行对比观察。采用3英寸表面线圈,自旋回波(SpinEcho)序列,TR=500ms,TE=15rns,Matrix=256×204,FOV=13cmxl3cm,层厚=2.0toni,无间隔,NEX=2。2.2.4体内M砒扫描实验选取Balb/c裸鼠6只,4.6周龄,雌性,饲养于SPF环境,随机分成2组,分别为实验组(注射钆纳米造影剂Gd.MCM.41),对照组(注射常规造影剂Gd.DTPA)。将Od—MCM-41悬浮于4g/L的羧甲基纤维素溶液,配成混悬液,质量浓度为2.2096mg/mL,高温高压消毒。使用前经超声振荡仪600W振荡5rain,中山大学硕士学位论文使其完全分散均匀。采用2%戊巴比妥纳2mL/kg对裸鼠行腹腔注射麻醉,按0.1ml/109的给药量,从鼠尾静脉注射给药,剂量为22.096mg&g(相当于O.016mmolGd/kg),对照组注射相同剂量的常规造影剂Gd.DTPA。采用磁共振(GE,Signa,HDx1.5T,美国GE公司)扫描,3英寸表面线圈,轴位T1M,SE序列,TR=400ms,TE=13ms,Matrix=256x160,FOV=8cmx8cm,层厚_2.0n'Lrn,无间隔,NEX=2。先行平扫,然后分别于注射后1min、5min、15min、30min、60min、90min、120min、150min行裸鼠磁共振扫描,对比观察实验组及对照组的成像和肝肾动态分布情况。2.2.5移植瘤MR增强扫描成像选取Balb/c裸鼠6只,雌性,4.6周龄,裸鼠腋背部接种鼻咽癌CNE.2细胞株4周后,肿瘤直径约1.2-1.5cm,建立鼻咽癌CNE.2裸鼠移植瘤模型。随机分成2组,实验组从鼠尾静脉注射22.096mg&g(0.016mmolGd/kg)的Gd.MCM-41悬浮液(样品准备同2.2.4),对照组注射相同剂量的常规造影剂Gd.DTPA。扫描参数同2.2.4,行鼻咽癌CNE.2裸鼠移植瘤MR扫描,观察CNE.2移植瘤的强化情况,测量肿瘤组织增强值。2.2.6Gd.MCM.41的稳定性检测将Gd.MCM.41溶解于磷酸盐缓冲液(PBS)中,配制浓度为0.1mmol/L的悬浮液,模拟人体温度置于37℃水浴环境中,48h后离心(100005r/min,r=8.5cm)rain后收集上清液,电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP.AES)测试游离钆离子含量。昆明种小白鼠3只,雌性,含钆纳米颗粒悬浮液(58.71mg/kg)尾静脉给药后分别于1、4、24h取血,离心去除细胞及大分子物质,取上清ICP.AES测试游离钆离子含量,观察钆是否从纳米材料中析解出来。2.2.7急性毒性实验取昆明种小白鼠(清洁级)70只,雌雄各半,体重为18"--22g,随机分为7个组,每组lO只,雌雄各半。每5只同组同性别小鼠群饲,环境温度为21:t:20C,相对湿度为55士10%,观察各组小鼠生理状态,给药前及处死前称各鼠体重,并计算体重增加值。根据预实验所获得的0致死量和100%致死量的给药剂量范围,分为6个剂量组,相邻剂量组的剂量之间比例为1:0.9,每个剂量组给药的剂量分别为99.43、89.49、80.54、72.49、65.24、58.71mg/l(g,阴性对照组小鼠尾静脉注射0.9%生理盐水0.2mL。将Gd.MCM.41悬浮于4g/L的羧甲基纤维素溶液,配成中山大学硕士学位论文混悬液,质量浓度分别为9.943、8.949、8.054、7.249、6.524、5.871mg/mL,高温高压消毒。使用l狮经超声振荡仪600W振荡5min,使其完全分散均匀。根据体重计算各小鼠尾静脉注射Gd.MCM.41悬浮液的量,按0.1ml/109的给药量,单次尾静脉注射给药,注射速度约为0.5mL/min。各组小鼠连续观察14d,计算各组小鼠死亡总数,将小鼠死亡数输入计算机,采用BSAS软件根据Bliss法计算出Gd.MCM。41悬浮液的半数致死量(LDso)及其95%可信限。2.2.8小鼠主要脏器的病理学观察将给药后死亡的小鼠及时解剖和存活小鼠连续观察14d后解剖,取主要脏器(心、肺、肝、脾、肾、脑),大体标本观察脏器颜色、形态,然后用10%福尔马林液固定过夜,经脱水、透明、浸蜡、包埋制成石蜡块,经切片后行苏木精.伊红染色(HE染色),进行病理组织学观察。给药后第14天对给药组(89.49mg/kg)及对照组(注射0.9%生理盐水)小鼠肝脏库否细胞采用免疫组织化学SP法进行染色观察,肝脏标本取下后立即用10%福尔马林液固定4.8h,脱水,石腊包埋后切片,应用常规免疫组织化学(SP法)检测CD68的表达,比较给药组及对照组小鼠肝脏库否细胞数量与形态有无差异。2.2.9纳米颗粒荷瘤小鼠体内分布选取Balb/c裸鼠2只,雌性,4-6周龄,裸鼠腋背部接种鼻咽癌CNE.2细胞株4周后,肿瘤直径约1.2~1.5cm,建立鼻咽癌CNE.2裸鼠移植瘤模型。从鼠尾静脉注射2.2096mg/mL的Gd.MCM.41悬浮液0.2mL,分别于给药后1、4h解剖,取主要脏器(心、肺、肝、脾、肾、脑、肿瘤组织),采用戊二醛一锇酸双重固定法固定,经脱水、组织块染色、浸透和包埋、超薄切片、切片染色,进行透射电镜观察。2.2.10统计学处理采用SPSSl3.0统计软件进行分析,组间比较采用f检验,双侧尸I<0.05表示差异有统计学意义。9中山大学硕士学位论文第三章结果3.1含钆纳米材料Gd.MCM.41的制备及表征采用新的纳米制备技术,以阳离子表面活性剂(C16TAB)为模板,以正硅酸乙酯(TEOS)为氧化硅纳米材料来源,采用GdCh·6H20为原料通过在碱性溶液中生成Gd(OH)3的方法将Gd组装到MCM.41中,成功制备含钆纳米材料——介孔二氧化硅钆掺合纳米颗粒(Gd.MCM.41)。制备的纳米材料呈圆球形(x106倍),单个分散,大小均一,纳米颗粒粒径约80nm-150nIn,平均粒径120nm(图3.1)。加入分散剂Tween分散后,其分散性良好,颗粒直径无明显变化(图3.2)。X射线能谱仪(EDS)分析结果显示一定强度的金属钆峰位,说明金属钆已经成功掺杂至多孔纳米材料内(图3.3),能谱强度测定得到该复合材料内钆含量约111.99/kg,各元素的原子百分比约为O:Si:Gd=4:2:0.1。(表3.1)。表3.1Gd.MCM.41中各元素含量X射线衍射仪测得纯MCM.41的XRD小角衍射谱图(图3.4)及Gd.MCM.41的XRD小角衍射谱图(图3.5、图3.6),从图3-4可看出,在小角区出现三个hkl衍射峰:在2.50左右有一强衍射峰,归属于(100)晶面;在4-60之间分别有两个小峰,各自归属于(110)、(200)晶面,这些峰的位置与六方晶格hkl衍射峰的位置相吻合1461,MCM.41为六方有序介孔结构。在2.30之间的最强衍射峰为2.6180,利用布拉格公式dloo=L/2sin0可算出d100为3.37nm。从图3.5可看出,在小角区和无Gd的MCM.41一样均出现三个hkl衍射峰:在2.50左右有一强衍射峰,归属于(100)晶面;在4-60之间分别有两个小峰,各自归属于(110)、(200)晶面。这IO中山大学硕士学位论文些峰的位置与六方晶格hkl衍射峰的位置相吻合【461,MCM.41仍为六方有序介孔结构,Gd的组装未破坏其六方有序结构。在2.30之间的最强衍射峰为2.480,利用布拉格公式d100---k/2sin0可算出d100为3.56nm。由(图3-6)分析可知,掺杂了Gd的MCM.41的峰强度和纯的MCM.41相比大大的减弱了,表明掺了Gd后,Gd203对MCM.41的六方有序结构产生一定影响。X射线衍射仪测得纯MCM.41的XRD广角衍射谱图(图3.7)及Gd.MCM.41的XRD广角衍射谱图(图3.8)进一步证实纯的MCM.41和掺杂了Gd203的Gd.MCM.41都是非晶的无定形二氧化硅结构。3.2Gd.MCM。41的弛豫率r1、r2对弛豫率rl、r2的检测表明(表3.2),未加入Tween研磨分散的时候,Gd.MCM.41的rl,r2值均小于Gd.DTPA,加入Tween研磨分散后的rl,r2值后得到很大的改善,rl,r2值均明显大于Gd.DTPA。其弛豫效率曲线见(图3.9)。表3-2Gd.MCM.41、Tween分散的Gd.MCM.41、Gd.DTPA的弛豫率rl、r2(mM’1S’1)3.3体外M砒成像Gd.MCM一41纳米颗粒悬浮液与Gd.DTPA造影剂的T1显影效果见(图3.10)及(表3—3),由图3一10和表3-3可见,Gd—MCM.41和Gd.DTPA的T1是随着浓度的降低而信号减弱,即磁共振T1加权像正增强,Gd.MCM.41的T1信号强度略高于相应浓度的Gd.DTPA的T1信号强度。表3-3各浓度GdoMCM.41和Gd.DTPA的Tl信号强度中山大学硕士学位论文3.4体内MRI成像实验组尾静脉注射22.096mg/kg(O.016mmolGd/kg)的Gd.MCM.41悬浮液,lmin后腹主动脉信号强度明显增高,约30min后信号强度渐降,150min信号强度仍高于平扫(图3.11),大部分纳米颗粒在血液中滞留时间超过1h。正常裸鼠肝脏平扫信号强度为1030+85(图3.12A),注射Gd.MCM.41悬浮液5min后,肝脏组织开始强化,30min后,肝脏组织在T1M上信号较明显升高,其信号强度为16894-193(平扫)(图3.12B);肾脏信号强度为1400a:120(平扫为10124-115),肝脏组织在150min仍有明显强化,而肾脏强化已不明显。提示该新型造影剂在体内可能主要在肝脏分布,由肝脏代谢。而对照组尾静脉注射0.016mmolGd/kg的Gd.DTPA后小鼠动脉、肝肾均未见明显强化,肝脏平扫信号强度为1025+90(图3.12C),给药5min后肝脏的信号强度为1150+193(图3.12D),肾脏的信号强度为1160-a:120(平扫为1010+105)。3.4移植瘤MR增强扫描成像实验组尾静脉注射22.096mg/kg(0.016mmolGd/kg)的Gd.MCM.41悬浮液,鼻咽癌CNE.2裸鼠移植瘤平扫信号强度为870士63(图3.13A),注射样品15min后,移植瘤较明显强化(图3.13B),信号强度为10644-70,而对照组尾静脉注射0.016mmolGd/kg的Gd-DTPA,鼻咽癌CNE.2裸鼠移植瘤平扫信号强度为876+65(图3-13C),注射样品后未见明显强化,5min后,其信号强度为915士75(图3.13D)。实验组MⅪ显示裸鼠移植瘤部位出现较明显强化,说明该钆纳米材料可在肿瘤组织内局部聚集。对照组Mm移植瘤未见明显强化,移植瘤强化程度低于实验组。3.5含钆纳米材料的稳定性电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP.AES)测试结果显示,体外纳米材料处理液以及小鼠体内血液处理液中均未检出钆元素(即在检测限0.05mg/L以下)(图3.14)。由此推断,钆纳米造影剂Gd.MCM.41在模拟体温环境与体内均不会析出游离钆离子,说明含钆纳米造影剂Gd.MCM.41稳定性良好。3.6小鼠急性毒性给药前,各组小鼠生理状态良好,尾静脉给药后,99.43、89.49、80.54、72.49、65.24、58.71mg/kg齐U量组各有10、9、8、6、2、oR小鼠死亡,所有死12,J,鼠均中山大学硕士学位论文出现烦躁、抽搐、步态不稳,于Imin~30minN死亡。89.49、80.54、72.49、65.24mg/kg剂量组存活小鼠出现不同程度的烦躁、呼吸急促、步态不稳、厌食等,均于当天恢复正常。58.71mg/kg齐IJ量组及对照组小鼠未见异常表现。含钆纳米材料LDso为72.7mg/kg,95%可信限为68.9,---,76.7mg/kg,各组动物死亡情况见表3—4。各剂量组间存活小鼠体重增加值差别无统计学意义。表3.4尾静脉注射Gd-MCM-41纳米颗粒小鼠急性毒性结果(n=10)对小鼠的主要脏器组织进行了病理检查,发现所有死亡小鼠肺脏(图3.15)、肝脏(图3.16)311肾脏(图3.17)出现不同程度水肿、淤血等病变;肺动脉、小动脉及毛细血管内可见血栓形成或栓子栓塞(图3.18):部分死亡小鼠心腔淤血并可见大血凝块,冠状动脉内可见血栓形成(图3.19);但其脾脏(图3.20)及脑组织(图3-21)未见形态学异常。存活小鼠肺动脉、冠状动脉内未见血栓,肺脏(图3.22)、肝脏(图3-23)、肾脏(图3—24)、心脏(图3-25)、脾脏(图3.26)及脑组织(图3.27)未见明显形态学改变。肝脏库否细胞染色结果显示,CD68表达于肝脏巨噬细胞,主要包括库否细胞,给药组及对照组CD681jN性表达的细胞数目和形态未见明显变化(图3.28、图3.29)。3.7纳米颗粒体内分布对小鼠的主要脏器及肿瘤组织进行了电镜检查,发现给药后1、4h纳米颗粒均主要分布在肝、脾、肺及肿瘤组织(图3.30)。透射电镜实验不仅能观察到器官或组织内单个的含钆硅纳米粒子,而且能显示其存在状态和亚细胞定位。纳米颗粒主要分布在肝、脾、肺、肿瘤组织。首先,纳米颗粒在肝脏、脾脏主要见于巨噬细胞,很少存在于肝细胞,而且,纳米颗粒又主要存在于巨噬细胞的溶酶体。中山大学硕士学位论文更重要的是,我们观察到含钆硅纳米颗粒在各器官仍然有较好的分散性,未见明显的聚集现象。纳米颗粒在肺组织中主要分布在上皮细胞胞质内。在肿瘤组织,纳米颗粒在肿瘤实质及间质内均有分布。而在心脏标本、肾脏标本及脑组织标本均未观察到纳米颗粒的存在。14中山大学硕士学位论文第四章讨论自1983年以来临床常用的MR造影剂一直选用Gd.DTPA等钆类螯合物【31,但Gd.DTPA磁敏感性低,结构非常稳定,难以修饰,难以与生物大分子螯合,不能作为分子显像的载体【8,91。随着纳米技术的迅速发展及其与生物医学结合的日益深入,纳米磁性生物材料的问世,MR造影剂的选用有了新的方向。本研究在前期工作的基础上【401,改进制备工艺,采用新的模板,调整合成物的比例,调整溶液的酸度和合成温度[43,441,成功制备一种新型、顺磁性高的含钆纳米材料Gd.MCM。41,该纳米材料呈圆球形颗粒,直径约80nm-150nm,平均粒径120nln。与以前制备的短棒状纳米颗粒【40】相比,球形颗粒成形较好,分散性改善,在体内分布更好,更符合临床应用要求。4.1含钆纳米材料的分散性及弛豫性能我们研究表明:该含钆纳米材料的弛豫率rl、r2与其分散情况密切相关(表3.2),未加入Tween研磨分散的时候,Gd.MCM.41的rl,r2值均小于Gd.DTPA,加入Tween研磨分散后的rl,r2值均显著大于Gd.DTPA,可能与下列因素有关:①加入Tween研磨,增大Gd.MCM.41的分散性,使原来软团聚的颗粒得以分散在溶液中;②Tween的表面有一些活性基团可能会与Gd螯合,增强Gd的结合位点;③Tween作为一种表面活性剂,在低浓度时可以降低水的表面张力,使水分子更容易进入到介孔中。可见磁性纳米颗粒在悬浮液中的分散性对其磁学性质有着重要的影响,分散性越高其弛豫率越高,颗粒团聚会降低其弛豫性能,降低成像增强效果,并且可能聚集于毛细血管,造成血管栓塞的潜在危险。目前我们所称的纳米粒大多为固态。固体表面原子所处的环境有别于内部原子,内部原子被其他原子所包围,而表面原子只有部分与内部原子产生键合,另一部分则以“悬键”形式存在,这意味着表面原子与内部原子相比处于高能量状态,这一额外能量就是表面能,所以表面原子的集合会呈现出与内部原子集合不同的性质。由于通常块体的表面原子的数目远小于内部原子数目,因此块体的表面效应常常难于显现;但是,当物体处于纳米尺度后,由于处于表面的原子数目在体系中所占的比例增大,表面效应十分突出【471。纳米颗粒的表面效应主要从如中山大学硕士学位论文下方面对物质性质产生影响:①表面能增加;②提供数目众多的表面反应活性中心【481。由于纳米颗粒具有极大的比表面积和较高的表面能,在制备和使用过程中极易发生粒子团聚,形成二次粒子,使粒径变大,从而大大影响纳米颗粒发挥优势,失去纳米颗粒所具备的功能【491,因此改善纳米颗粒在液相介质中的分散和稳定性一直是研究者追求的目标。颗粒分散是指粉体颗粒在液相中分散开并在液相中均匀分布的过程,主要包括颗粒的润湿、大颗粒或颗粒团聚体的解聚及分散颗粒的稳定化三个阶段1501。悬浮液中固体颗粒的分散应遵循两个基本原则:①润湿原则(极性相似原则):润湿通常指颗粒与颗粒之间的界面被颗粒与溶剂、分散剂等界面所取代的过程。颗粒必须被液体介质润湿,才能很好地浸没在液体介质中。②表面力原则:颗粒间的总表面力必须是一个较大的正值,才能使颗粒间有足够的相互排斥作用,以防其相互直接接触并粘着【50】。分散技术根据分散方法的不同,可分为物理分散和化学分散。物理分散方法主要有机械搅拌分散、超声分散和高能处理法分散等。化学分散法常用的分散剂主要有表面活性剂、小相对分子质量无机电解质或无机聚合物、聚合物类、偶联剂类等。尽管物理方法可较好实现纳米颗粒在液相介质中的分散,但一旦外界作用力停止,粒子间由于分子间力作用,又会趋向于相互聚集。而化学分散法是通过改变颗粒表面性质使颗粒与液相介质、颗粒与颗粒间的相互作用发生变化,增强颗粒间的排斥力,将产生持久抑制絮凝团聚的作用。因此,实际过程中,应将物理分散和化学分散相结合用物理手段解团聚,用化学方法保持分散稳定以达到较好分散效果。牛永效掣5l】研究表明加入适量的聚丙烯酰胺能使纳米Si02颗粒在水溶液中保持良好的分散稳定性,九水合硅酸钠和聚丙烯酰胺结合起来使用可以发挥协同效应,从而显著改善纳米Si02颗粒在水溶液中的分散稳定性。我们在制备纳米材料的时候加入了表面活性剂聚乙二醇(PEG),在准备样品的时候加入了表面活性剂Tween、羧甲基纤维素并且研磨,超声分散等,保持了纳米颗粒悬浮液的稳定性。磁共振造影剂本身并不产生信号,其作用在于改变组织内部氢核系统的弛豫率,通过影响质子的弛豫时间T1或T2达到增强或降低其信号强度的目的,使其产生可以令M砌检测到的信掣41。而T1的缩短过程要求水分子的氢核要尽可能地接近磁性微粒的磁性部分,达到弛豫增强的目的。如用脂质体包裹的造影剂,提高了其被动靶向性和/或主动靶向性,前者指静脉注射后在体内某些组织或器16中山大学硕士学位论文官内自然聚集(主要被富含网状内皮细胞的肝脾摄取);后者是通过在脂质体表面装配特异性归巢装置,使其靶向到特异性组织,或是通过改变脂质双层的磷脂组成,使脂质体在某些物理条件下不稳定,从而在特定的靶器官释放出造影剂【521。但是脂质体包裹的Gd.DTPA,由于脂质体限制了外部水分子同Gd.DTPA的接近,其增强效果弱于相同浓度的Gd.DTPAt5引。而阴性(如SPIO)MR造影荆,T2缩短过程是一种远程效应,通过T2造影剂增强局部磁环境的不均匀性发挥作用,因此将T2类造影剂包入脂质体,因为脂质体的聚集产生了更大的局部磁环境的变化,其T2弛豫增强【541。多孔硅材料结构非常稳定,钆离子掺入后,钆在氧化硅中呈氧化态,与氧原子以共价键结合,可大大减低钆的生物毒性;同时钆离子移动受到限制【551,旋转速度减慢,有利于增强其弛豫能力。在临床0.15T~l’5T的场强中,氢核Larmor频率通常在6~60MHz(或107~10卜s1)范围内,而小分子Gd类络合物的旋转速率较快,为1010Sq左右,(高于Larmor频率),导致弛豫性能的下降两】,而氧化态的Gd掺杂在MCM-41介孔孔道中,旋转速度下降,可能较接近于Larmor频率,同时4nm左右的介孔孔道允许水分子的自由进出,增加了Gd与质子接触和交换率,因此弛豫性能有所提高。Huang等【571研制出中空Gd203纳米颗粒及介孔Gd。0。纳米颗粒,并测得中空Gd:0。纳米颗粒的r1、r2分别为17.7mM。S~、26.6nNlS~,介孔Gd。0。纳米颗粒的rl、r2分别为16.8mM-1S~、31.4m91S~。Huang等认为中空及介孔Gd:0。纳米颗粒高弛豫率是由于其与质子的密切接触和水分子的自由快速交换。4.2含钆纳米材料的毒性含钆纳米颗粒溶解于磷酸盐缓冲液(PBS)中,48h后,ICP.AES检测未检出游离钆元素,同时,昆明小鼠静脉注射后1、4、24h,体内血液中也未检出游离钆元素(即在检测限0.05mg/L以下),说明该纳米孔道内钆不易析解出来。前面提到多孔硅材料结构非常稳定,钆离子掺入后,钆在氧化硅中是氧化态,与氧原子共价键结合,而无游离的Gd”,钆离子移动受到限制【551,可大大减低钆的生物毒性。Huang掣571考察了Gdz03纳米颗粒的生物相容性。通过ICP检测发现含5.5m/vlGd3+的1mg/mL中空及介孔Od203纳米颗粒浸出液游离钆仅分别为17.29M和32.49M。进而在使用Mn法和水溶性四氮N(WSr-O法检测不同剂量(0—200中山大学硕士学位论文pegmL)纳米颗粒共培养的Vero细胞(猴肾)的存活率的影响时,发现中空及介孔Gd203纳米颗粒均具有较好的生物相容性。我们进一步对Gd.MCM.41的急性毒性进行观察,从较高剂量组小鼠的快速死亡和病理组织学检查推测肺栓塞和冠状动脉栓塞死是小鼠死亡的原因,具体机制还不十分清楚。栓子的形成可能是由于血液的流动破坏了Gd.MCM.41纳米颗粒悬浮液的稳定性,致使颗粒之间相互聚集,并引发血管内凝血堵塞血管有关。Bridot几等【5引、Barb6C等1591、BorchardtG等160]均观察到未修饰的硅纳米颗粒在小鼠及大鼠肺组织中有明显的沉积,并认为是由于纳米颗粒相互聚集所致。MargolisJ等【611发现胶体硅可以诱发血栓形成,GovernaM等f621发现无定形硅可以激活补体。很多研究表明纳米颗粒进入体内后,能够迅速被肝脏、脾脏等网状内皮系统(Reticuloendothelialsystem,RES)中的巨噬细胞所吞噬1631。透射电镜检查,发现纳米颗粒分布于肝、脾、肺及肿瘤组织,然而由于电镜检查取材较少,纳米颗粒在不同组织的动态分布及含量有待ICP进一步检测。肝脏库否细胞染色结果显示,给药组与对照组CD68阳性表达的细胞数和形态未见明显变化,CD68表达于肝脏巨噬细胞,主要包括库否细胞,免疫组化结果表明该纳米颗粒及纳米中的Gd不会对该细胞产生直接的毒性。随着纳米材料的广泛应用,使得研究者、生产者和消费者将有更多的机会接触纳米材料164]。然而由于纳米粒子具有巨大的比表面使得物质的表面能极高,极不稳定,易与其他原子相结合,前面提到的纳米颗粒团聚就是一个例证。纳米材料的这种超高反应活性使其在进入生命体后,它们的化学特性和生物活性与化学成分相同的常规物质有很大不同【65】。国内外初步的动物实验及细胞学实验结果表明,普通无毒或低毒的材料,一旦细分成纳米级的超细颗粒后,就会产生潜在毒性,且颗粒愈小,表面活性愈大,生物反应活性也愈大;纳米材料进入细胞和机体,通过血脑、血睾和肺血屏障的几率与常规物质相比大大增加【66I。因此对纳米材料生物安全性的研究就显得尤为迫切。目前很多学者对纳米材料在体内及体外的吸收、分布和转运,纳米材料的毒理学效应及其机制和纳米材料毒性的消除或减轻等进行了深入的研究。I研究表明纳米颗粒进入体内后,对各生理系统(如呼吸系统、心血管系统、神经系统、免疫系统)和各组织脏器(如肺、肝、肾、脾、皮肤)等均能产生毒中山大学硕士学位论文性效应。ChalupaDC等[67’研究表明长期暴露于低水平的大气颗粒物可导致哮喘、肺功能下降、肺部炎症反应及其他呼吸系统疾病。Oberd6rster等【68】用粒径为20nto矛N250nm的Ti02颗粒做了大鼠慢性吸入实验,发现20nm组的肺部炎症反应强于250nm组。超细颗粒可导致人体凝血功能和血液粘皮上升,构成了心血管疾病发病的危险因素f69】。Oberd6rster等【70】让大鼠在含有粒径为20hm的聚四氟乙烯颗粒的空气中生活15分钟,大多数实验大鼠在随后4h内死亡:而另一组生活在含120nm聚四氟乙烯颗粒的空气中的大鼠,没有表现出任何不适症状。不过,Oberd6rster等并不认为这种结果可以简单地用尺寸来解释,但是可以断定,颗粒尺寸越小,越难以被巨噬细胞清除。SuzukiK等【7¨、UrataC等【72】的研究表明过小的颗粒很容易团聚。NemmarA等【731研究静脉注射或支气管滴注不同剂量(5、50、100、500、5000p.g/kg体重)未经修饰或经羧基化和氨基化修饰的聚乙烯颗粒(60hm)对小鼠血栓形成的影响,发现静脉注射羧基化修饰的聚乙烯颗粒(100、500rtg/kg)显著抑制小鼠血栓的形成,而氨基化修饰的聚乙烯颗粒(100、500“眺g)显著增强小鼠血栓的形成。这表明纳米颗粒诱导心血管系统的疾病与纳米颗粒的表面化学活性密切相关。虽然颗粒物所导致的心血管系统疾病的确切机制还不清楚,但已有的研究表明肺部炎症、血液粘度升高、血浆纤维蛋白原或C.反应蛋白的升高、血小板激活或纳米颗粒转运至血液循环直接作用于心血管系统等,这些因素均可能是纳米颗粒导致心血管系统疾病的原因【691。KhandogaA等【741研究表明经动脉注射的超细碳颗粒,可在小鼠肝组织富集,产生促凝血效应,从而导致肝组织微血管血小板聚集,促进血栓形成。Tin-Tin.Will.Shwe等【75】研究了鼻腔滴注的超细颗粒对小鼠脑的影响,发现鼻腔滴注的14nm超细碳颗粒诱导了嗅球细胞因子(IL.1D和TNF.c【)和化学趋化因子mRNA表达,而95nm的超细碳颗粒并没引起相似的效应。ChenZ掣76】在纳米金属Cu颗粒的急性口服毒性研究中,发现23.5nm的Cu颗粒诱导了小鼠肝细胞脂肪变性,引起小鼠脾小体萎缩、淋巴细胞减少及脾小体间质纤维化,导致了严重肾小球炎症和近端肾小管上皮细胞损伤,并且均具有明显的剂量.效应关系。而17rtm的Cu颗粒未引起小鼠明显的组织病理损伤。纳米材料能通过多种方式通过细胞质膜,进入细胞内部,在活细胞中,质膜对物质的通透性有高度的选择性,物质通过质膜主要有3种途径:被动转运、主动转运、内吞与J,I-丰IIE作用。一些小分子能够以被动和/或主动转运的方式进入细胞,而一些大分子和颗粒性物质则主要通过内吞作用进入细胞【771。相对于粗颗粒19中山大学硕士学位论文而言,纳米颗粒更容易逃避吞噬细胞的吞噬作用,增强与上皮细胞、内皮细胞、神经细胞的接触【7引。纳米颗粒不但可以进入细胞胞质中,还可以进入细胞核。ChenM等【791用激光共聚焦扫描显微镜和干涉相差显微镜研究荧光标记的Si02颗粒在上皮细胞的分布,发现40~70nm的Si02颗粒能够进入细胞核的染色质中P而0.2~5“m的Si02颗粒仅出现在细胞质中,不能进入细胞核。LovricJ等l∞1比较了绿色和红色CdTe量子点的亚细胞分布,发现绿色阳离子量子点(2.2nm)主要位于大鼠小胶质细胞的细胞核中,而红色阳离子量子点(5.2nm)分布于细胞胞质中,同时发现2.2nm的CdTelZH离子量子点经胎牛血清白蛋白修饰后,也不能进入小胶质细胞的细胞核内。这些研究表明纳米颗粒的尺寸愈小,愈容易转运进入细胞核,纳米颗粒的表面修饰也会影响其进入细胞核的能力。由于纳米颗粒能够进入细胞乃至细胞核,而其较高的生物反应活性可能会导致其与细胞或亚细胞器发生相互作用,产生毒性作用。很多学者就纳米材料对细胞的影响及对亚细胞器如线粒体和细胞核的损伤进行了研究。Oberd6rster等【68l比较了大鼠肺泡巨噬细胞(AM)对相同质量不同尺寸的Ti02(20nm和250hm)粉末的清除机制,发现AM清除20ntoTi02的半衰期为541d,清除250nmTi02的半衰期为177d。这表明,颗粒尺寸越小,越难以被巨噬细胞清除,巨噬细胞清除外来毒物的能力降低,其吞噬能力也会降低。LongTC等【81l研究Ti02(50—120ppm,30nto)纳米颗粒对小胶质细胞的神经毒性,发现Ti02纳米颗粒以团簇的形式存在于小胶质细胞胞质中,引起线粒体的肿胀。通过荧光和化学发光探针检测活性氧物质(reactiveoxygenspecies,ROS)的发生,发现Ti02纳米颗粒通过干扰线粒体的电子呼吸链产生氧化爆发,从而导致线粒体的损伤。ChenM等179】的研究表明未经修饰的Si02颗粒(40"-70hm)能够进入细胞核,诱导核基质中DNA拓扑异构酶异常聚集和蛋白聚集物如泛素、蛋白酶体、多聚谷氨酰胺等的形成。关于纳米材料产生毒性效应的机制,目前体内和体外的研究普遍认为是活性氧物质(ROS)的产生和氧化应激反应[92-S4I。在正常生理状态下,细胞代谢可产生少量ROS,容易被体内的抗氧化防御系统如还原型谷胱甘肽(GSH)和一些抗氧化酶(SOD、GSH.Px)清除,生物体内活性氧自由基的产生和清除处于相对动态平衡中,但在机体遭受各种有害刺激时,体内活性氧自由基产生的速度超出了机体清除自由基的能力,就会引起氧化损伤。NelA等【舵1认为大多数纳米材料表现出毒性是由于其表面的活性位点能与氧分子发生作用,形成超氧阴离子,并中山大学硕士学位论文通过歧化反应产生过量的ROS,导致组织和细胞氧化损伤。KourieJI等[85】研究表明ROS的产生和氧化应激反应能够氧化质膜和内质网膜上Ca.ATP酶的一些巯基基团或影响细胞膜的钙离子通道和钙结合蛋白,调控细胞内Ca信号,导致细胞内核转录因子的激活和机体的炎症反应。LiN等【84】比较了不同尺寸的大气颗粒物诱导肺泡巨噬细胞和上皮细胞ROS的产生及氧化应激反应的能力,发现与细颗粒相比,超细颗粒(<O.1rtm)导致更明显的细胞内血红素氧合酶的升高和谷胱甘肽的消耗。纳米颗粒的亲水/疏水性、表面电荷和粒径、纳米颗粒表面修饰等,都会改变纳米颗粒与生物体的相互作用,不仅影响纳米颗粒在体内及细胞内的分布,而且对其生物毒性也有很大影响,改变这些因素就可以调控纳米材料的生物毒理学行为。降低含钆纳米材料生物毒性的方法包括:先对钆离子修饰后再制备成纳米颗粒,或者,对纳米颗粒进行包裹,制备成核/壳(Core.shell)结构的纳米材料【86,871及通过优化合成条件【s81调节纳米颗粒至合适的大小或对纳米颗粒表面进行适当的修饰等。DerfusAM等【89]ff口HeX等【901指出纳米微粒的表面经过适当修饰其毒性可以得到降低。到目前为止,SPIO纳米颗粒一直是唯一的临床使用的纳米磁共振成像造影剂,菲立磁是最早进入临床应用的SPIO类造影剂,其使用剂量为15p,molFe/kg,用50%葡萄糖100mE稀释,30min内静脉滴注完毕,有效强化时间达4~6ht叭】。我们制备的含钆纳米颗粒参照该给药方式,稀释后缓慢静脉滴注给药,可望解决高浓度纳米颗粒团注,纳米颗粒聚集所致的血栓形成、栓塞血管的潜在危险的问题。4.3含钆纳米材料的磁共振成像效果及其应用前景初步动物成像实验表明,该含钆纳米造影剂静脉注射后,在血管内滞留较长时间,其在血液中滞留时间显著长于常规造影剂Gd.DTPA,后者时间约为5分钟,随后很快被肾脏清除6,71。因此,利用该新型钆纳米造影剂较长滞留时间的特征,适合于作为一种新型的血池造影剂应用于磁共振血管成像。同时,我们观察到,给药量为O.016mmolGd/kg左右已获得满意的血管MR成像效果,远低于Gd.DTPA的临床用量O.1—0.2rnrnolGd/kg。Gd.MCM.41成像效果较好,我们推测有2方面原因:①较高的弛豫率,②在血管内滞留时间较长。大部分纳米颗粒静脉注射后,能够迅速被肝脏、脾脏等网状内皮系统(RES)中山大学硕士学位论文中的巨噬细胞所吞噬1631。纳米载药系统在体内的分布主要依赖于两个参数:粒子表面性质和粒子大,j,t-J。纳米颗粒表面性质,如亲水性/亲脂性,是微粒在体液中吸附调理蛋白的决定因素,一般来说,表面亲脂性越大,对调理蛋白(调理素)的结合力越强,这些调理素在纳米粒表面上的吸附过程称为调理作用,它是纳米粒和吞噬细胞发生作用的桥梁,结果吞噬细胞对其吞噬作用也越强。AllemannE等【93】在人血浆和血清里培养聚乳酸纳米粒时,发现被吸附在纳米粒表面上的主要蛋白是抗体IgG以及白蛋白、脱辅基脂蛋白.E。其他研究者在研究蛋白质在聚苯乙烯纳米粒上的吸附动力学时,证实在高度稀释的血浆(0.08%~0.8%)里白蛋白和纤维蛋白原被吸附在纳米粒表面上。蛋白和纳米粒之间的相互作用与纳米粒的制备方法也有关。例如,与w/o/w乳化技术制备的粒子相比,脱辅基脂蛋白在喷雾干燥的PLGA和PLA纳米粒的吸附量高得多。在聚合物中,亲水性聚氧乙烯链的存在同单纯的聚酯相比大大减少了蛋白的吸附。研究还证实了蛋白吸附量与纳米粒在体内循环之间存在相关性,以PEG的二嵌段和多嵌段共聚物为模型,随着蛋白吸附的减少,纳米粒表现出长循环的特性,说明纳米粒被肝脏摄取的量降低了,而这又与PEG的相对分子质量和表面密度有关【94】。调理过程可能和纳米颗粒的表面曲率有很大关系,颗粒较小者吸附蛋白或调理素较少,从而减少吞噬细胞的摄取【95】。增加微粒表面结构的亲水性或减小粒径可以减少调理吸附,而延长纳米载药系统在血液中的半衰期,调整药物在体内的分布。微粒应尽可能小,以避免静脉注射后被毛细血管过滤,但并不是纳米粒的粒径愈小,其体内循环时间愈长,在粒径小于70nm时,胶体微粒在肝脏的聚集现象已十分明显,这可能与粒径较小渗透性增强有关。在构建体内长循环纳米粒时较好的粒径范围为70nm,---,200nmi96I。具有长循环特性的纳米粒的表面改性主要采用以下2种方法:①用亲水性聚合物或表面活性剂修饰其表面;②直接应用具有亲水性链段的可生物降解共聚物。目前应用比较广泛的一些表面修饰材料有:聚乙二醇、聚氧乙烯(PEO)、聚氧乙烯醚、聚氧乙烯酯、泊洛沙玛等。聚乙二醇(PEG)和聚氧乙烯修饰的纳米粒。由PEG修饰的纳米粒引起了人们的广泛关注。其中一步法制备PEG修饰的纳米粒,所用原料是两亲性PEG.聚酯二嵌段共聚物。这种修饰层避免了纳米粒被吞噬细胞内吞。其保护作用取决中山大学硕士学位论文于PEG的密度和相对分子质量大小。PEG在某些载体上,如脂质体、纳米粒、胶束上的保护作用,有一种假设机理:接枝在聚合物表面上的柔顺的、亲水链段形成了浓密的“构象云”,阻止了聚合物之间的相互作用。Govender等c971用纳米沉淀技术制备了水溶性药物吉羟酸普鲁卡因的PLA/PEG纳米粒,这些纳米粒对人纤维原细胞的体外细胞毒性并不十分明显。在纳米粒表面上,PEG的含量(即PEG链之间的距离)对位阻斥力是很重要的。另外,PEG链之间的距离可以影响血浆蛋白的吸附,例如,PEG链之间的距离从6.2nlTl减少到5.1am,可使脱辅基脂蛋白的吸附降低90%。这进一步证实纳米粒表面上亲水段的浓度在调理作用中的重要性。然而,当PEG链段之间的距离进一步减少时,并没有显示出对血浆蛋白的吸附有重要的影响。这说明PEG链之间的距离对于避免血浆蛋白的吸附有一个临界值。图4.1是PEG表面浓度对调理作用的影响示意刚981。近年来,人们对聚氧乙烯表面改性体系更加关注,与PEG改性体系相类似,由PLA和PLA.PEO共聚物共混制备的纳米粒,通过调节PEO链长和表面浓度也可以避免单核吞噬细胞系统(Mononuclearphagocytesystem,MPS)的摄取。在用二嵌段PLA/PEO共聚物研究粒子表面PEO密度对粒子摄取的影响时,发现随着纳米粒表面上PEO的浓度增大,被摄取的粒子减少,这主要归因于蛋白质对粒子表面的位阻斥力增大【94】。如前所述,顺磁性造影剂的T1缩短效应要求水分子的氢核要尽可能地接近磁性微粒的磁性部分,对于含钆纳米颗粒即Gd3+,以达到弛豫增强的目的。所以在应用表面修饰材料(如PEG)对含钆纳米颗粒进行表面修饰时,必须选择合适分子量大小的PEG以及合适的用量,使PEG链之间的距离不致太大,能够提供有效的位阻斥力以提高其分散性,以及减少血浆蛋白的吸附,又不致太小以致屏蔽了纳米颗粒的介孔通道,而影响水分子的自由通过(水分子直径约0.4nm)。我们的研究发现用PEG.4000效果较好。静脉注射含钆纳米颗粒22.096mg/kg(O.016mmolGd/kg)后1h,在T1加权像上鼻咽癌CNE.2裸鼠移植瘤仍呈现高信号,说明我们制备粒径在100nm左右的钆纳米Gd.MCM.41,可以透过肿瘤组织不完整的血管内皮间隙,在肿瘤组织内局部聚集。该假设被随后的肿瘤组织电镜观察结果所证实,肿瘤组织电镜观察到,钆纳米颗粒不仅在肿瘤间质分布,同时在肿瘤细胞内观察到较多纳米颗粒,上述结果,为该新型纳米造影剂作为肿瘤靶向诊断探针的载体提供了坚实的实验中山大学硕士学位论文证据。肿瘤组织主要由三部分组成:血管、间隙和细胞。由于肿瘤血管的生成呈持续、失控性的过程,肿瘤新生血管出现迅速,生长快,并呈持续性,是一种失去正常控制的无序状态,与正常血管相比,肿瘤新生血管的结构缺乏完整性,管壁薄弱,缺乏平滑肌及完整的基底膜结构。内皮细胞之间存在较大缝隙,通透性强,用不同大小空间稳定脂质体和乳胶小珠测得不同肿瘤微血管的最大孔隙为380"700nm。肿瘤血管网结构紊乱,有大量的血管盲端、动静脉间短路及血管的局部膨出等,导致渗出增加。肿瘤间隙主要由胶原蛋白和弹性纤维网格组成,其中分布的主要是间隙液和大分子成分,它们形成一种亲水性介质。纳米颗粒通过扩散或流动,可由高通透性的肿瘤血管外渗到肿瘤间隙,由于间隙的胶原蛋白和弹性纤维网格结构,相对于小分子,纳米颗粒被保留在间隙中,即增强通透性和保留效应,导致在肿瘤组织中积聚19们,从而达到纳米颗粒在肿瘤组织的被动靶向。和被动靶向载药系统相比,主动靶向可以将载药系统输运到其修饰前难以到达的部位。这要解决两个关系问题:①对于载药系统的制备,要求制备出亲水性强的表面结构、大小合适,延长在血液中的半衰期;②在微粒载药系统表面连接靶向配体,使载药粒子可以靶向特定的细胞。对于主动靶向载药系统微粒,亲水性表面的功能性基团的选择对于哪种配体可以结合是必要的。MacAdamAB等【100】研发了一种白蛋白微球的制备方法,使微球表面带有羧基或氨基基团,从而可以和配体反应连接。为了使药物靶向到病灶部位,除了粒子表面可阻止调理化的亲水空间屏蔽层外,纳米微粒系统需要装备药物靶向配体,对于纳米系统,大多数的药物靶向配体是抗体【101—031。SantraS等将白血病细胞识别的抗体固定到荧光基团掺杂纳米硅材料,然后利用光学显微成像技术对白血病细胞进行鉴别,发现使用这些抗体涂层纳米粒子鉴别白血病细胞十分容易、清楚、高效。而本研究中相同剂量(O.016mmolGd/kg)的常规造影剂Gd.DTPA静脉注射后裸鼠肝肾及裸鼠移植瘤未见明显强化,可能与使用造影剂浓度过低(远低于临床用量0.1~0.2mmolGd/kg),以及因其水溶性在体内中迅速为肾脏清除有关。我们制备的含钆纳米颗粒在血液中滞留时间长(超过lh)、清除率低,增加了其在肿瘤组织局部聚集的几率。因此,该纳米造影剂经过表面修饰引入活性基团(如中山大学硕士学位论文.NH2),标记靶向分子,如肿瘤血管内皮靶向分子Q、,D3整合素的配体【861,利用其较长的血管滞留时I'R】,可望进一步提高其在肿瘤局部的富集率,从而为新型高敏感性的肿瘤分子诊断探针的研发提供了基础。中山大学硕士学位论文第五章结论5.1本研究成功制备一种新型、高弛豫率含钆纳米材料Gd.MCM.41。5.2该纳米材料主要分布于肝、脾、肺、肿瘤组织,肾、心、脑组织未见分布。5.3该纳米材料生物毒性是因团注时,瞬时浓度过高,颗粒之间相互聚集,并引发血管内凝血堵塞血管所致,并非游离Gd”毒性。5.4该纳米材料悬浮液磁共振成像显示给药后1h血管仍有强化,表明纳米材料可望作为一种新型的血池造影剂。同时,该纳米材料经表面修饰、多种配体标记,可望研发一类全新的分子靶向显像探针,在分子影像诊断及分子治疗中发挥作用。中山大学硕士学位论文参考文献【1】LauterburPC.Imageformationbyinducedlocalinteractions.Examplesemployingnuclearmagneticresonance.Nature.1973,242(5394):190—191.[2】黄其流.临床磁共振成像.2版.北京:人民卫生出版社,1991.55—58.[3]CaravanP’E11isonJJ,McMurryTJ,eta1.Gadolinium(111)ChelatesasM融ContrastAgents:Structure,Dynamics,andApplications.ChemRev.1999,99(9):2293—2352.【4】OkuhataY.DeliveryDrugDelivofdiagnosticagentsformagneticresonanceimaging.AdvRev.1999,37(1-3):121-137.J,NiendorfHP,Krestin[5】HausteinGeta1.Renaltoleranceofgadolinium-DTPA/dimeglumineinpatientswithchronicrenalfailure.InvestRadi01.1992.27(2):153-156.【6】StrichGHaganresonancePL,GerberKH,eta1.Tissuedistributionandmagneticspinlatticerelaxationeffectsofgadolinium-DTPA.Radiology.1985,154(3):723—726.[7】HarpurES,WorahD,HalsPA,eta1.Preclinicalsafetyassessmentandpharmacokineticsofgadodiamideinjection,anewmagneticresonanceimagingcontrastagent.InvestRadi01.1993.28Suppl1:S28—43.【8】MatsuoM,KanematsuM,Itohketa1.Detectionofmalignanthepatictmnors:comparisonofgadolinium-andferumoxide—enhancedMRimaging.AJRAmJRoentgen01.2001,177(3):637—643.【9】9AdzamliIK,GrbsH,JohnsonD,eta1.DevelopmentofphosphonatederivativesofgadoliniumchelatesforNMRimagingofcalcifiedsofttissues.JMedChem.1989,32(1):139-144.【10]JungCW,JacobsP.PhysicaloxideMRcontrastandchemicalpropertiesofsuperparamagneticironagents:ferumoxides,ferumoxtran,ferumoxsil.MagnResonImaging.1995,13(5):661-674.【11】GrazioliL,BondioniMP,RomaniniL,et555a1.Superparamagneticironoxide·enhancedliverM砌withSHU27A(RESOVIST):Newprotocol中山大学硕士学位论文infusiontoimprovearterialphaseevaluation~aprospectivestudy.JMagnResonImaging.2009,29(3):607·616.【12]HarisinghaniMGoccultBarentszJ,HahnPF,eta1.Noninvasivedetectionofclinicallylymph-nodemetastasesinprostatecancer.NEnglJMed.2003,348(25):2491-2499.[13】LaurentS,ForgeD,PortM,eta1.Magneticironoxidenanoparticles:synthesis,biologicalstabilization,vectorization,physicochemicalcharacterizations,andapplications.ChemRev.2008,108(6):2064-2110.[14】BulteJw,KrakchmancellularDL.IronoxideMRcontrastagentsformolecularandimaging.NMRBiomed.2004,17(7):484—499.Seo【15】JunYWJw,CheonJ.Nanoscalinglawsofmagneticnanoparticlesandtheirapplicabilitiesinbiomedicalsciences.AceChemRes.2008,41(2):179.189.[16】LuCW,HungYHsiao吣eta1.BifunctionalU.Molecularmagneticsilicananoparticlesforhighlyefficienthumanstemcelllabeling.NanoLett.2007,7(1):149.154.imaging.Radiology.2001,[17】WeisslederIt,Mahmood219(2):316.333.[18】JailerFA,WeisslederR.Molecular293(7):855-862.[1imagingintheclinicalarena.2005,9]勋ngK,ChoiJ,NamJH,eta1.Preparationandcharacterizationofchemicallyasafunctionalizedsilica-coatedmagneticnanoparticlesChemB.2009,1DNAseparator.JPhys13(2):536-543.【20】ChoiJS,ParkJC,NahH,eta1.Ahybridnanoparticleprobefordual-modalitypositronemissiontomographyandmagneticresonanceimaging.AngewChemIntEdEn91.2008,47(33):6259.6262.【21】YunHS,KimSE,HyunVY,eta1.Hierarchicallymesopor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作者:

学位授予单位:

张永裕中山大学

1. 李铁福.邓英杰.杨本强.金志雄.宋小平 MRI肝靶向纳米造影剂的研究[会议论文]-20032. 黄卓亮 含芳酰胺寡聚配合物作为MRI造影剂的研究[学位论文]2009

本文链接:http://d.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y1690474.aspx

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