纳米颗粒与肿瘤诊治

生物医学纳米技术,张宇zhangyu生物科学与医学工程学院,第四讲：纳米颗粒与肿瘤诊治,生物医学纳米技术,物质尺度,用特殊尺度空间的物质来改变人们的认识！,1纳米（nm）=10-9米（m）1纳米（nm）=10埃（A）,纳米效应,纳米生物医学,纳米生物学医学：一方面，是利用纳米技术（包括纳米材料）研究生命体的特征，发现新的生命现象和规律，为人类健康和疾病诊断与治疗提供新的理论和方法；另一方面，模拟生命体精细的调节机制，通过仿生研究制备新型纳米材料和建立新的纳米技术。,纳米技术与生物医学的交叉与融合。同时，纳米生物学、纳米医学又是纳米科学与技术的重要研究领域。,纳米物理学纳米化学纳米材料学纳米加工学纳米测量学纳米机械学纳米电子学纳米生物学纳米医学,纳米科学技术,生物医学,纳米技术,纳米生物医学,肿瘤：诊断与治疗，能否象慢性病一样控制？,NCI2004,PreventionandControlofCancerDevelopingnanoscaledevicesthatcandelivercancerpreventionagentsDesigningmulticomponentanticancervaccinesusingnanoscaledeliveryvehiclesEarlyDetectionandProteomicsCreatingimplantable,biofouling-indifferentmolecularsensorsthatcandetectcancer-associatedbiomarkersthatcanbecollectedforexvivoanalysisoranalyzedinsitu,withtheresultsbeingtransmittedviawirelesstechnologytothephysicianDeveloping“smart”collectionplatformsforsimultaneousmassspectroscopicanalysisofmultiplecancer-associatedmarkers,CancerNanotechNCI2004,ImagingDiagnosticsDesigning“smart”injectable,targetedcontrastagentsthatimprovetheresolutionofcancertothesinglecelllevelEngineeringnanoscaledevicescapableofaddressingthebiologicalandevolutionarydiversityofthemultiplecancercellsthatmakeupatumorwithinanindividualMultifunctionalTherapeuticsDevelopingnanoscaledevicesthatintegratediagnosticandtherapeuticfunctionsCreating“smart”therapeuticdevicesthatcancontrolthespatialandtemporalreleaseoftherapeuticagentswhilemonitoringtheeffectivenessoftheseagents,Nano-Clinics,CancerNanotechNCI2004,QualityofLifeEnhancementinCancerCareDesigningnanoscaledevicesthatcanoptimallydelivermedicationsfortreatingconditionsthatmayariseovertimewithchronicanticancertherapy,includingpain,nausea,lossofappetite,depression,anddifficultybreathingInterdisciplinaryTrainingCoordinatingeffortstoprovidecross-traininginmolecularandsystemsbiologytonanotechnologyengineersandinnanotechnologytocancerresearchersCreatingnewinterdisciplinarycoursework/degreeprogramstotrainanewgenerationofresearchersskilledinbothcancerbiologyandnanotechnology,学科交叉医工结合转化医学,核壳结构磁性荧光纳米棒,Fe3O4,TiO2,Au,Au,Au,Fe3O4,Fe2O3/SiO2,Fe2O3/CdTe/Alg,CdTeQDs,Fe3O4/PLA,丰富多彩的纳米材料,Angew.Chem.Int.Ed.2007；NanoscaleResLett.2009;J.Phys.Chem.C2010；JournalofControlledRelease2008；MaterialsLetters2008；Biomaterials2009；Small,2010；JMaterChem2010;Langmuir2010;Nanotechnology2011;AdvFuncMater2011,DevelopmentofDiagnosticandTherapeuticNanoparticleAgents（纳米颗粒作为诊断和治疗制剂）,(1)半导体量子点：SemiconductorQuantumDots(Fluolable)(2)金属纳米颗粒：MetallicNanoparticles(SERS,SRP,Thermo)(3)氧化物纳米颗粒：MetalOxide(Superparamagnetic)(4)有机/聚合物纳米颗粒：Organic/PolymericNanoparticles(DrugDeliveryandTargeting)(5)多功能纳米颗粒：MultifunctionalNanoparticles(Imaging,DetectionandTreatment),尺寸：一个重要的纳米特性,Fe3O4orFe2O3,单畴,超顺磁,Neel弛豫,Brownian弛豫,磁滞效应,微米对照,100nm,氧化铁纳米粒子SAR值和矫顽力随尺寸的变化关系,不同尺寸区间具有不同的磁学特性，导致不同的生物医学应用原理。10nm，20nm，50nm，100nm,1m,J.Magn.Magn.Mater.2004，268:33(cited65),D=12.51.1nm,D=22.52.2nm,Magneticnanoparticles(MNPs),D=17.31.6nm,表面修饰,XiaohuGao,etal,R.Weissleder,Nat.Biotechnol.,2000,18,410-414,W.J.Parak,NanoLett.,2004,4,703707,Angew.Chem.Int.Ed.2004,43,60426108,表面：Nano-BioBridge-Targeting/SensingFunction,纳米粒子与细胞相互作用,MNPs/pHprobe/FA,Freemolecules,pH=6,pH=5,pH=7,细胞胞吞作用的类型,？,Nano,250nm,150nm,50-80nm,40-50nm,巨噬细胞嗜中性粒细胞树枝状细胞,多数细胞,多数细胞,脂肪细胞内皮细胞肌肉细胞,淋巴细胞神经细胞分泌细胞,MRI细胞模型矽肺,吸附与内化动力学过程,隐形-超小-长循环-靶向,TargetingtowardsCancer,NanoDrugDeliverySystem(DDS),紫杉醇白蛋白纳米粒阿霉素脂质体,上市药物,ParticulateDrug,纳米药物载体+药物,药物本身纳米化：纳米中药、维甲酸纳米颗粒,纳米颗粒本身成为药物：肿瘤热疗用磁性纳米颗粒、金纳米颗粒、富勒烯纳米颗粒,医学影像与分子影像,1999年美国哈佛大学Weissleder等人提出分子影像学的概念,即应用影像学方法,对活体状态下体内分子的生物化学过程进行定性和定量研究。,美国分子影像学会(TheSocietyforMolecularImaging)：分子影像是利用影像学的手段来无创伤地研究活体条件下生物细胞内的正常或病理状态下的分子过程.。,分子影像学,第194次香山科学会议“分子影像学”研讨会于2002年10月30日至11月1日在杭州召开。分子影像学是医学影像技术和分子生物学相互交叉渗透而产生的新学科。分子影像技术是利用现有的医学影像技术(主要是PET、MRI和光学CT)对人体内部特定的分子进行无损伤的实时成像。目前,分子影像常用的探测方法有核探测方法、核磁共振方法和光学方法等。要实现分子成像技术最关键的是分子探针、信号放大和灵敏度探测仪器。分子影像技术是向人体输入一种分子(分子探针)与细胞内分子(靶分子)进行标记成像。由于分子探针的浓度只有纳克或皮克量级,因而体内成像信号放大和高灵敏度成像仪器的研制是分子影像技术发展的关键。,分子影像学技术基础,磁共振（MRI、MRS）核医学（PET、SPECT）光学成像计算机断层成像（CT）,分子影像学关键技术,分子探针有效的组织和细胞内靶向技术有效的放大技术具有高空间分辨率和高敏感性成像系统,纳米技术解决方案纳米探针设计,磁共振分子影像技术,利用磁共振成像的方法来无创地研究生物细胞内的分子过程的技术。核磁共振波谱（NMR）技术-核磁共振化学位移成像磁共振成像（MRI）技术特点：活体成像、无损、实时动态、空间分辨率高、组织对比度好、功能强,分子探针(molecularprobe),磁共振分子影像技术主要可分为两类：以非水分子为成像对象的分子影像技术：主要是指化学位移成像.可选择核磁共振可见的生物体内固有的或外源性的、与体内某一特定分子过程有关的化合物或代谢物作为分子探针,直接通过化学位移成像的方法来测定其在体内的分布。以水分子为成像对象的分子影像技术：主要指MRI，是用常规的以水分子中质子为成像对象的成像方法来间接地表征体内某一特定的分子过程。一般需要一种生物体内固有的或外源性的分子探针。分子探针双重作用第一,它要作为一种分子探针,与生物体内某一特定的分子过程相联系;第二,它要能作为一种核磁共振成像的造影剂,通过某种机理改变水分子像的对比度(contrast),并且由分子探针造成的水分子像对比度的改变要与其相关联的生物体内的分子过程有关.,分子探针/纳米探针,水分子MRI信号,生物体内分子过程,分子探针（造影剂）,特异性,灵敏度,分子/纳米探针设计思路,生物相容性到达生物体内目标器官的途径：血脑屏障、细胞膜在体内的代谢过程：活性、半衰期对特定生物过程的特异性检测灵敏度本底信号,纳米颗粒与医学影像,WeiboCai,XiaoyuanChen.Small,2007,3(11):18401854,纳米探针=纳米粒子+分子探针Nanoprobes=Nanoparticles(contrastophore)+Biovectors(parmacophore),医学/分子影像领域已经发展到从设备竞争到探针竞争的阶段，2000年以后，研究领域不断升温，各大公司纷纷成立分子影像探针研发部门。,磁性纳米粒子与MRI医学影像,肝被动靶向MRI成像(1.5TSIEMENS),尺寸控制,高的弛豫率,合适的尺寸,增强影像效果降低给药剂量,RES吞噬和肝被动靶向,稳定性控制,DMSA修饰和冻干粉剂型化,Functionalgroupforbioconjugation,Functionalgroupforbioconjugationandstabilization,Stablebindingtosurfacebychemicalbond,-Fe2O3,MRI造影剂：SPIO与USPIO,肝脾和肿瘤被动靶向,T2*-weightedimages(TR/TEof408ms/3.5ms)atpre-injectionand4hpost-injectionof4mg/kgofSPION-PEG(a),SPION-PAA(b)andResovist(c)intheregionsofthetumorontheproximalthigh,liverandspleenofthemice.,肿瘤靶向,市售造影剂,肝靶向,柳东方等，Adv.Func.Mater.2010,多模式、多靶点纳米探针,肿瘤,磁性微气泡,碘油量子点,分子影像技术研究平台,多模态纳米探针与分子影像,磁性超声微气泡与联合影像学研究,杨芳，顾宁等，Biomaterials30(2009)38823890杨芳，顾宁等，Small,2010，6(12):1300-1305,基于磁性超声微气泡的双模态造影,MRI,US,+E,水动力尺寸(80.7nm)h和TEM照片,全内反射荧光图像EX:491nm,EM:600/37nm,体外CT造影（血管造影模式：40mAs,110kV）,CT像,CT/荧光双模态纳米探针及功能影像研究,不同扫描时间点扫描到的血管和斑块的位置和CT值,注射前,注射30s后,注射1.5h后,斑块处CT值增加了20HU左右,注射纳米乳造影剂前后斑块的CT影像增强,注射纳米乳造影剂前后斑块处不同扫描时点的CT值,磁性液体肿瘤热疗,磁性液体热疗是一个发展中的肿瘤治疗方法，它借助分布到肿瘤组织中的磁性纳米材料在外加交变磁场中的升温效应（交流磁热效应）来达到治疗目的，是肿瘤热疗的一种。一般要求磁性材料能转化外加交变磁场的能量使肿瘤组织升温到41-46，从而杀死肿瘤细胞。由于纳米磁性颗粒易于分散和给药，并且比亚微米或更大尺寸微球吸收更多磁场能量，可以降低对外加交变磁场输出功率的要求，或者降低给药量，因而得到了广泛研究。磁性液体升温效果与分散稳定性的权衡。,I,II,III,IV,SMMC7721cellline,Cellsnumbers,I:controlII:inACfield20min(80kHz,10kA/m)III:Fe2O3-Glu0.25g/lIV:Fe2O3-Glu0.25g/l,inACfield20min(80kHz,10kA/m),磁性液体热疗细胞实验,结论：对Fe2O3/Glu水基磁性液体进行了体外的细胞实验研究。当磁性纳米粒子与肝癌细胞SMMC-7721作用24h后，SMMC-7721对磁性纳米纳米粒子的摄入量达到最大，为每个细胞1.17ng铁。在细胞的热疗实验中，对摄入了磁性粒子的肝癌细胞采用80kHz、10kA/m的磁场作用30min后，肝癌细胞的死亡率达到85.9%，产生了显著的细胞内热疗的效果，而对照组细胞状况基本良好。,Aftertreatments,1min,24hrs,72hrs,144hrs,Control,Low-dosage,High-dosage,Resectedtumors,30days,磁性液体热疗动物实验,JournalofNanoscienceandN