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分子显像是在人体或其他生物体内,在细胞或分子水平上对细胞或分子生物学过程进行无创和重复的显像。磁共振显像(magnetic resonance imaging,MRI)相对于其它的无创伤显像技术,如:核医学显像、光学显像、超声显像等,具有高空间分辨力、软组织对比度好等优点,非常适合应用于分子显像学的研究。因此,本论文以磁共振为手段,从高灵敏探针设计和合成入手分别对肺癌的早期分子显像和干细胞的活体示踪进行了研究。
研究一:新颖小分子多肽MR分子显像探针的制备及其对肺癌早期诊断的探索
超顺磁性氧化铁纳米颗粒(superparamagnetic iron oxide nanoparticles,SPIO)由于其灵敏度比传统的钆剂高得多,成为MR显像主要造影剂,但传统的水相法(共沉淀法)制备的SPIO粒径分布范围宽、纯度较低、化学计量及磁性质较差等,使其磁共振灵敏性未达到最佳值。目前已经能够规模化生产的疏水SPIO晶格完整、纯度高、MRI灵敏度高、近单分散、粒径及表面包覆疏水层的化学计量可控。但由于疏水性和没有合适的功能基团进行生物连接,所以不能直接进行生物应用。
因此,本研究目的:建立一种直接利用高性能疏水SPIO构建磁共振分子显像探针的通用方法,并利用临床用磁共振仪,检验其对肺癌早期诊断的可行性。
方法：采用半胱氨酸、RGD-Cys或RGD-PEG-Cys与SPIO表面油酸配基交换,合成Cys-SPIO、RGD-Cys-SPIO和RGD-PEG-Cys-SPIO。并且对探针RGD-Cys-SPIO和RGD-PEG-Cys-SPIO进行体内外特异性研究。
结果：配基取代后,疏水SPIO亲水化,多肽的特异性不受影响。在体外,RGD-Cys-SPIO比RGD-PEG-Cys-SPIO显示出更高的特异性,而在体内,RGD-PEG-Cys-SPIO对肿瘤的靶向性却明显比RGD-Cys-SPIO更好,两者都不仅能靶向肿瘤新生血管而且也能靶向肿瘤细胞。
结论：通过小肽末端半胱氨酸与磁性纳米微粒表面油酸分子的配基交换,建立了一种将疏水SPIO亲水化和构建磁共振分子显像探针的全新方法。该法为实现肿瘤的早期诊断奠定了基础。
研究二:超灵敏、超顺磁性氧化铁纳米球的制备及其在细胞显像中的应用研究
干细胞疗法可能是治疗退行性疾病的有效方法。干细胞治疗所面临的核心问题之一是如何对植入体内的干细胞进行活体实时、无创、长期示踪,以便了解其在体内的分布、迁移、归巢及分化情况。磁共振细胞显像是干细胞活体示踪的有效方法,但其主要问题是细胞检测灵敏度低。提高细胞标记造影剂的灵敏度是增强细胞显像灵敏度的方法之一。由单一磁性纳米微粒构成的纳米球,由于总的磁矩增加,使其磁共振灵敏度能够大大增加。
因此,本研究目的:构建能够用于细胞磁共振显像的超灵敏、超顺磁性纳米球(superparamagnetic magnetite nanocrystal clusters,SMNC)细胞标记平台,并进行细胞标记研究。
方法：合成了分别用silica包覆或citric acid和PEI修饰的、约200nm的三种超顺磁性氧化铁纳米球(silica-SMNC、citric acid-SMNC和PEI-SMNC),标记RAW264.7细胞,并对标记细胞进行MRI灵敏度检测。
结果：三种SMNC都具有高T2驰豫率,且是生物相容的。细胞标记时,SMNC的细胞摄取量依赖于其浓度和作用时间。而且,silica-SMNC标记的细胞具有高MRI灵敏度。
结论：表明SMNC是一种超灵敏的、非常有潜力的MR细胞显像剂。
研究三:双功能、超灵敏荧光磁性纳米球(FMNC)探针的构建及其干细胞活体示踪研究
缺血性脑血管病具有发病率高、致残率高和死亡率高等特点,严重威胁着人类健康。近年来,国内外进行的干细胞移植实验,对这类疾病及其他中枢神经系统疾病具有潜在的治疗前景。
为此,本研究目的:研制更高性能、多功能细胞标记探针,在干细胞治疗脑缺血时,对植入的干细胞进行活体示踪研究,为能在干细胞移植治疗中准确监测干细胞移植到体内后迁徙、分布、归巢、存活、分化等奠定了基础。
方法：合成了80 nm左右的、单分散、粒径精确可控的、核-壳双功能(荧光/磁性)的、超灵敏荧光磁性纳米球细胞标记探针(FMNC)。分离和培养小鼠骨髓间充质干细胞(mouse mesenchymal stem cells,mMSC),用FMNC标记mMSC,在正常小鼠和MCAO模型小鼠大脑中进行细胞示踪研究。
结果：该FMNC探针显示出比200 nm磁性纳米微球更高的T2驰豫率,能够高效标记间充质干细胞,且不影响细胞的活性和分化能力。标记的mMSC在正常小鼠大脑内可监测一个月以上。即使少量标记细胞从注射部位迁移到脑缺血区也可用3 TMR扫描仪示踪。一些标记mMSC移植后能够在宿主脑内存活、迁移并分化表达神经细胞表型。
结论：制备的粒径为80 nm左右的铁氧化物纳米球具有迄今未有报道的高灵敏度。以此为基础构建的双功能FMNC能够实现高效率标记干细胞。利用临床磁共振仪(3 T)能够在活体内监测标记干细胞的迁徙和归巢。FMNC是一种可用于干细胞标记和示踪的高效细胞显像剂。