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磁性纳米生物材料在乳腺癌成像诊断与治疗中的应用研究

【摘要】:乳腺癌是全世界范围内女性最致命性的恶性肿瘤。传统的治疗方法如放射性治疗、化疗及外科手术等存在许多不足之处,例如会对健康细胞与组织造成损伤。光动力治疗和光热治疗等光学治疗肿瘤的方法有望克服传统治疗方法的不足,为治愈恶性肿瘤带来希望。真正地,集成成像诊断与治疗于一体的复合型纳米材料,将更具发展潜力。磁性纳米材料在这方面具有优异的性能,已广泛应用于生物医学领域。本学位论文中,申请人基于自身发展构建出的多种新型磁性纳米生物探针材料,研究了其在乳腺癌(MCF-7细胞相关体系)的成像诊断、光学治疗等方面的应用,取得了如下研究结果:1)通过发展聚乙烯醇包覆的四氧化三铁纳米花(Fe-NFs)(粒径控制在70-250nm),并研究了其生物医学应用。体内外的实验研究表明,Fe_3O_4纳米花的光热治疗性能比单独的Fe_3O_4球形纳米粒子(Fe-NPs)要好,与纳米黑二氧化钛(b-TiO_2)治疗性能相当。在808nm激光0.7瓦/平方厘米的能量密度下照射5分钟,肿瘤被照射部位的温度上升至52摄氏度。此外,Fe_3O_4纳米花显示出粒度依赖性的超顺磁性饱和磁化强度(74-82 emu/g)。实验表明,粒度为70nm的Fe_3O_4纳米花弛豫比率(r_2/r_1)是66.9,说明其为优异的T_2增强磁共振对比剂,有望用于监测乳腺癌等的治疗行为。2)通过设计并发展灵便的诊断治疗复合纳米体系,即Fe_3O_4-黑TiO_2复合纳米体系(Fe-b-Ti NCs,粒径30-85 nm)。该复合纳米体系具有宽光谱吸收带(550-850nm),结合其氧化铁组分具有的磁性;可用做肿瘤光学治疗试剂和磁共振对比增强剂。实验研究表明,该复合纳米体系的光热治疗能力优于单一的氧化铁或黑二氧化钛体系,在50μg mL~(-1)的浓度下,其在肿瘤部位的上升温度为34-36°C。实验研究发现,该复合纳米体系在671 nm的激光处,即使采用更低的激发能量密度(1瓦/平方厘米),对肿瘤部位的升温能力优于808nm(激发能量密度为1.3瓦/平方厘米),说明该复合纳米体系对肿瘤具有双波长激发的光热治疗性能。细胞和动物活体水平的实验均发现,低浓度的该复合纳米体系在低光学能量密度激发时,具有光动力和光热治疗的协同作用。进一步的动物实验研究发现,采用Fe-b-Ti NCs治疗的肿瘤可完全被消融与采用单一氧化铁或黑二氧化钛纳米粒子治疗的肿瘤不能完全消融相比,且单一组分治疗后的肿瘤会更易复发。此外,实验表明Fe_3O_4纳米花具有很好的弛豫T_2增强性能,饱和磁化率为48 emug~(-1),r_2值是38.2 mM~(-1) s~(-1),可望用于乳腺癌治疗行为的T_2增强的磁共振成像监测方面。3)以黑氧化钛纳米粒子为基础,通过设计并发展掺杂磁性纳米组分,形成具有光学治疗作用的复合磁共振T_1增强对比剂。学位申请人通过实验,系统研究了Mn_(1-x)-x Fe_xO、Mn_(1-x)-x Fe_xO-b-TiO_2及Zn_(1-x)-x Mn_xO-b-TiO_2)等体系的掺杂性能,发现上述复合体系具备优异的T_1加权磁共振成像对比增强能力。初步的生物学实验表明,该类复合磁共振T_1增强对比剂在用于乳腺癌治疗行为的T_1增强的磁共振成像监测方面,具有很大的应用潜力。

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