金納米棒標記的細胞的雙光子成像課件

納米技術在醫(yī)療診斷、成像方面的應用

納米技術在醫(yī)療診斷、主要內容前言納米技術的優(yōu)勢納米技術在醫(yī)療成像中的應用納米技術在醫(yī)療診斷中的應用納米技術在醫(yī)療方面的發(fā)展趨勢主要內容前言納米技術的優(yōu)勢納米技術在醫(yī)療成像中的應用納前言長度僅為1~100nm的納米裝置能夠自由進出人體細胞,與以往的診斷和治療手段相比具有體積小,生物相容性好和器官靶向能力強等優(yōu)勢,為生物醫(yī)學研究提供了新的多功能平臺。如納米載體則能夠大大提高靶向釋藥的劑量和精確度以及降低毒副反應,從而在人體無創(chuàng)的狀態(tài)下更有效地治療腫瘤。前言長度僅為1~100nm的納米裝置能夠自由進出人體.大小生物相容性靶向定位能力納米技術的優(yōu)勢.大小生物相容性靶向定位能力納米技術的優(yōu)勢

大小

納米技術最顯而易見的優(yōu)點就是它的大小。納米級的裝置或者其主要部分與生物體的大小基本相當（如圖1所示）。納米粒子直徑<20nm,可以自由進入血管壁,例如磁性納米粒子,可以用來對擴散到淋巴結的病癥進行成像。此外,納米粒子小到能夠避免脾臟和肝臟吞噬,用它來輸藥能大大延長藥物的代謝周期。另一方面,盡管納米粒子非常微小,但是它們已經足夠容下幾萬個原子和小分子,例如核磁共振造影劑釓(gadolinium,原子序64,Gd),從而為觀察早期腫瘤的發(fā)生及一些其他疾病提供了更高的敏感度。大小圖1納米粒子的相對大小圖1納米粒子的相對大小生物相容性

對納米粒子表層進行化學修飾可增強其溶解能力和生物相容性。在納米粒子表面附著親水多聚物,如聚乙二醇(polyethyleneglycol,PEG),可以大大改善納米粒子的親水性能(即溶解能力)和在體內的相容性,同時還可保護附著的蛋白免受體內酶的降解。沒有任何表面修飾的納米粒子當被注射到血管內時,會很快被血管中的網狀內皮組織系統(tǒng)清除,而表面帶有親水基團的納米粒子更不易被調理和被巨噬細胞清除,因此具有更長的半衰期。納米粒子的表面電荷也能影響它的生物相容性和穿越生物體內屏障的能力。納米粒子的生物相容性優(yōu)勢將大大推進藥物的發(fā)明與制造。美國食品與藥物管理局(FDA)現已批準使用和投入市場的就有若干種類的分子實體,其中有目前應用最為普及的為脂質體。

脂質體（Liposome)是一種定時定向藥物載體，屬于靶向給藥系統(tǒng)的一種新劑型。生物相容性靶向定位能力

在過去的二十多年中,基礎腫瘤生物學取得了卓越的進展,然而這些進步卻很少能轉化成臨床應用。究其根源,缺乏有效的治療手段,無法做到在有選擇性地治愈腫瘤的同時對身體其他部分造成少量甚至零的損傷是主要原因。通常來說,增加藥物功效的途徑有2個:一是增加藥物對靶標的選擇度;二是改造藥物成分,使之能克服生物體內的屏障,從而更快更有效地到達靶標。納米粒子表面具有高度的可修飾性,使用納米粒子靶向輸藥將大大改進對腫瘤及其他疾病的治療手段。通過修飾納米粒子的表面化學特性,研究人員現在能夠將成像、靶向和治療成分附著在同一個納米粒子表面,同時還能顯著增強信噪比,并且不需要再用同位素來標記藥物。靶向定位能力納米技術在醫(yī)療成像中的應用金納米棒在醫(yī)療成像中的應用金納米棒(goldnanorods，GNRs)是一種膠囊狀的金納米顆粒，比球形金納米粒子具有更為奇特的光電性質，有可調的表面等離子共振特性(SPR)以及合成方法簡單、化學性質穩(wěn)定、產率高等優(yōu)點。

金納米棒作為一種新型的近紅外熒光探針，具有以下優(yōu)點：

a．用近紅外光激發(fā)對活細胞的損傷很小，適于活體觀察，光漂白作用??；b．在組織中近紅外光比可見光的透過率高，可達幾個厘米，不受自身背景熒光及光在體內組織上散射等因素干擾，因而可實現深層組織的生物成像，能夠進行體外或體內的非破壞、非介入性分析。

金納米棒在細胞中成像原理：金納米棒的強光學散射和吸收特性，特別是其具有的縱向可調諧的SPR峰使其更適合作為光學探針，用于生物細胞成像的研究。納米技術在醫(yī)療成像中的應用金納米棒在醫(yī)療成像中的應用納米技術在醫(yī)療成像中的應用

金納米顆粒具有突出的表面等離子共振性質。這種特殊的性質來源于入射光與金納米粒子的自由電子相互作用:當入射光的波長與自由電子的振動頻率發(fā)生共振耦合時,就會產生表面等離子體共振(SPR),在紫外-可見光譜上顯示強的吸收峰。SPR峰的位置主要取決于以下幾個因素:納米粒子的大小、形狀、表面電荷、環(huán)境介質條件等。與球形的納米金顆粒相比,棒狀的金納米顆粒具有更為特殊的SPR性質。球形的納米金顆粒表現為單一的SPR峰,而棒狀金納米顆粒則具有橫向和縱向兩個SPR峰。其中縱向SPR(LSPR)峰的位置取決于金納米棒顆粒的長短軸比,因此通過制備不同長短軸比的金納米棒顆粒,可以實現其人為調控（從可見光區(qū)到近紅外區(qū)，見圖2）。納米技術在醫(yī)療成像中的應用金納米顆粒具有突出的表納米技術在醫(yī)療成像中的應用圖2不同長短軸比率的金納米棒的SPR圖,LSPR峰隨金納米棒的長短軸比率增加而紅移納米技術在醫(yī)療成像中的應用圖2不同長短軸比率的金納米棒的S金納米棒在醫(yī)療成像中的應用實例一

2005年美國Purdue大學的研究人員Wang等將金納米棒顆粒注入實驗鼠體內,在其流經血管時,利用雙光子成像技術(TPL)透過皮膚得到了血管結構的原位圖像(見圖3)。記錄的圖像比傳統(tǒng)熒光染料法明亮得多,單個金納米棒顆粒比單個羅丹明6G分子（一種熒光染料，鄰苯二酚類）發(fā)出的雙光子熒光要亮58倍。金納米棒在醫(yī)療成像中的應用實例一2005年美國P

圖3單個金納米棒在實驗鼠耳血管的原位成像(a)兩個血管的發(fā)射圖像(b)通過血管的金納米棒顆粒的雙光子圖像(c)發(fā)射圖和單幅的雙光子圖像的疊加圖(d)與c圖對應的雙光子強度譜圖圖3單個金納米棒在實驗鼠耳金納米棒在醫(yī)療成像中的應用實例二

Yakar等應用抗體與抗原之間的特異性識別作用,使用聚苯乙烯磺酸鈉(PSS)和抗體(anti-EGFRantibody)來修飾CTAB（十六烷基三甲基溴化銨，不僅是支持電解質,而且還是AuNRs的穩(wěn)定劑和保護劑）穩(wěn)定的金納米棒制備生物探針（見圖4）。隨后用抗體修飾的金納米棒顆粒與EGFR過度表達的癌細胞發(fā)生特異性識別而標記癌細胞,利用金納米棒的光學特性進行了癌細胞的雙光子發(fā)光成像研究工作,結果表明利用金納米棒的雙光子發(fā)光成像可以深入生物組織75μm。在同等情況下,與雙光子自熒光成像相比,成像亮度高3倍(見圖5)。金納米棒在醫(yī)療成像中的應用實例二Yakar等應用抗體與抗圖4金納米棒生物分子探針示意圖11-巰基十一酸抗體分子穩(wěn)定劑目標分子圖4金納米棒生物分子探針示意圖11-巰基十一酸抗體分子穩(wěn)圖5置于蓋玻片的癌細胞的雙光子成像:(a)未標記細胞的雙光子自熒光成像；(b)金納米棒標記的細胞的雙光子成像；(c)未標記細胞的雙光子成像。Pin-激光平均功率圖5置于蓋玻片的癌細胞的雙光子成像:Pin-激光平均功率納米技術在醫(yī)療成像中的應用正電子發(fā)射計算機斷層顯像(PET)技術已被用于醫(yī)療成像。但目前大部分PET探針是小分子化合物,經常遇到代謝過快、無法在靶部位有效濃集等問題。利用納米材料攜帶PET探針,能夠改善這些存在問題,從而獲得更好的成像效果。核磁共振成像技術(MRI)是一種對活性組織的解剖結構進行成像的強大工具。納米粒子核磁共振大大提高了成像技術的精密性。交聯(lián)氧化鐵納米粒子是一種用于示蹤體內單個細胞的納米粒子。納米技術在醫(yī)療成像中的應用正電子發(fā)射計算機斷層顯像(PET納米技術在醫(yī)療診斷中的應用納米診斷技術

使用納米診斷技術只需通過血液中的DNA或蛋白質檢測，便能診斷出很多早期疾病；如應用分子雷達光學相干層析術(opticalcoherencetomography，OCT)這種先進的納米診斷技術，每秒鐘能完成生物體內活細胞的動態(tài)成像2000次，以此來觀察活細胞的動態(tài)。在發(fā)現單個細胞病變的同時不傷及正常細胞，其分辨率可達1微米級。運用超順磁性氧化鐵納米粒子脂質體，則可以診斷直徑3毫米以下的肝腫瘤。

納米技術在醫(yī)療診斷中的應用納米診斷技術納米技術在醫(yī)療診斷中的應用金納米棒在醫(yī)療診斷中的應用

納米金由于體積小，可以被多種基團修飾和其光學特性，成為疾病診斷新的研究對象。納米金可以被多種物質修飾獲得對腫瘤細胞的靶向性。其診斷原理如下：①不同直徑的納米金具有特定的吸收光譜，可以對特定長度的紅外線產生吸收的峰值。②由于EGFR抗體修飾的納米金可以選擇性的聚集于腫瘤細胞中，從而使腫瘤細胞中高濃度的納米金之間互相作用產生等離子共振（plasmonresonance）現象，導致其吸光譜發(fā)生紅移，而正常細胞中由于不存在納米金或者納米金濃度過低難以產生等離子共振現象，因此應用光聲和超聲波譜診斷法可以明顯的區(qū)別腫瘤細胞與正常細胞，使腫瘤細胞清晰地被診斷出。納米技術在醫(yī)療診斷中的應用金納米棒在醫(yī)療診斷中的應用金納米棒在醫(yī)療診斷中的應用實例一

Yu等將3種不同的抗體分子偶聯(lián)到3種不同長度的金納米棒上，通過檢測免疫識別作用誘導的金納米棒LSPR吸收峰紅移(圖6)，實現對3種靶分子的同時檢測，提高了檢測效率。圖6金納米棒用于三靶標檢測——：對照——：三靶標檢測金納米棒在醫(yī)療診斷中的應用實例一Yu等將3種不同的抗金納米棒在醫(yī)療診斷中的應用實例二

Oyelere等用金納米棒偶聯(lián)核定位縮氨酸后與正常細胞和癌細胞孵化。暗場光散射成像表明金納米棒可以定位于細胞質和細胞核中。單細胞的微拉曼光譜顯示，在細胞質和細胞核中的縮氨酸拉曼光譜增強，能夠分辨出良性細胞和惡性細胞。金納米棒在醫(yī)療診斷中的應用實例二Oyelere等用金納圖7細胞分別與GNRs和GNRs/縮氨酸孵育的暗場成像（a、c）正常細胞分別與GNRs和GNRs/縮氨酸孵育（b、d）癌細胞分別與GNRs和GNRs/縮氨酸孵育圖7細胞分別與GNRs和GNRs/縮氨酸孵育的暗場成像納米技術在醫(yī)療診斷中的應用量子點基礎上的診斷技術熒光量子點(又稱納米晶體)是另一類有望應用于光學分子影像的納米材料,其直徑約為1到10nm。由于尺度量子效應,它們表現具有獨特的光致發(fā)光性能:發(fā)射波長范圍窄,斯托克斯(Stocks)位移大,量子產率高,熒光壽命長,化學和光學穩(wěn)定性好。由于吸收光譜重疊范圍寬,可采用單一波長的激光為激發(fā)光源,實現多色標記,特別適合于活體細胞成像和多組分同時檢測。納米技術在醫(yī)療診斷中的應用納米技術在醫(yī)療診斷中的應用納米粒子基礎上超聲成像診斷技術包含氣體分子納米顆粒基礎上的超聲成像與治療一體化技術正在快速發(fā)展,其能夠對癌組織的功能、結構、分子特征進行綜合評估。微氣泡(microbubble)與納氣泡(nanobubble)已經被用作人體癌組織與動物腫瘤模型超聲的造影劑。微氣泡與納氣泡的生物兼容性非常好,是多種模式成像、動態(tài)成像系統(tǒng)的候選造影劑。納米技術在醫(yī)療診斷中的應用納米粒子基礎上超聲成像診斷技術納米技術在醫(yī)療方面的發(fā)展趨勢惡性腫瘤心血管疾病糖尿病A

GroupCGroupB

Group科學界與醫(yī)學界正合力研究應用納米技術診治人類三大重癥：并已初見成效。納米技術在醫(yī)療方面的發(fā)展趨勢惡性腫瘤心血管疾病糖尿病ACThankYou!ThankYou納米技術在醫(yī)療診斷、成像方面的應用

納米技術在醫(yī)療診斷、主要內容前言納米技術的優(yōu)勢納米技術在醫(yī)療成像中的應用納米技術在醫(yī)療診斷中的應用納米技術在醫(yī)療方面的發(fā)展趨勢主要內容前言納米技術的優(yōu)勢納米技術在醫(yī)療成像中的應用納前言長度僅為1~100nm的納米裝置能夠自由進出人體細胞,與以往的診斷和治療手段相比具有體積小,生物相容性好和器官靶向能力強等優(yōu)勢,為生物醫(yī)學研究提供了新的多功能平臺。如納米載體則能夠大大提高靶向釋藥的劑量和精確度以及降低毒副反應,從而在人體無創(chuàng)的狀態(tài)下更有效地治療腫瘤。前言長度僅為1~100nm的納米裝置能夠自由進出人體.大小生物相容性靶向定位能力納米技術的優(yōu)勢.大小生物相容性靶向定位能力納米技術的優(yōu)勢

大小

納米技術最顯而易見的優(yōu)點就是它的大小。納米級的裝置或者其主要部分與生物體的大小基本相當（如圖1所示）。納米粒子直徑<20nm,可以自由進入血管壁,例如磁性納米粒子,可以用來對擴散到淋巴結的病癥進行成像。此外,納米粒子小到能夠避免脾臟和肝臟吞噬,用它來輸藥能大大延長藥物的代謝周期。另一方面,盡管納米粒子非常微小,但是它們已經足夠容下幾萬個原子和小分子,例如核磁共振造影劑釓(gadolinium,原子序64,Gd),從而為觀察早期腫瘤的發(fā)生及一些其他疾病提供了更高的敏感度。大小圖1納米粒子的相對大小圖1納米粒子的相對大小生物相容性

對納米粒子表層進行化學修飾可增強其溶解能力和生物相容性。在納米粒子表面附著親水多聚物,如聚乙二醇(polyethyleneglycol,PEG),可以大大改善納米粒子的親水性能(即溶解能力)和在體內的相容性,同時還可保護附著的蛋白免受體內酶的降解。沒有任何表面修飾的納米粒子當被注射到血管內時,會很快被血管中的網狀內皮組織系統(tǒng)清除,而表面帶有親水基團的納米粒子更不易被調理和被巨噬細胞清除,因此具有更長的半衰期。納米粒子的表面電荷也能影響它的生物相容性和穿越生物體內屏障的能力。納米粒子的生物相容性優(yōu)勢將大大推進藥物的發(fā)明與制造。美國食品與藥物管理局(FDA)現已批準使用和投入市場的就有若干種類的分子實體,其中有目前應用最為普及的為脂質體。

脂質體（Liposome)是一種定時定向藥物載體，屬于靶向給藥系統(tǒng)的一種新劑型。生物相容性靶向定位能力

在過去的二十多年中,基礎腫瘤生物學取得了卓越的進展,然而這些進步卻很少能轉化成臨床應用。究其根源,缺乏有效的治療手段,無法做到在有選擇性地治愈腫瘤的同時對身體其他部分造成少量甚至零的損傷是主要原因。通常來說,增加藥物功效的途徑有2個:一是增加藥物對靶標的選擇度;二是改造藥物成分,使之能克服生物體內的屏障,從而更快更有效地到達靶標。納米粒子表面具有高度的可修飾性,使用納米粒子靶向輸藥將大大改進對腫瘤及其他疾病的治療手段。通過修飾納米粒子的表面化學特性,研究人員現在能夠將成像、靶向和治療成分附著在同一個納米粒子表面,同時還能顯著增強信噪比,并且不需要再用同位素來標記藥物。靶向定位能力納米技術在醫(yī)療成像中的應用金納米棒在醫(yī)療成像中的應用金納米棒(goldnanorods，GNRs)是一種膠囊狀的金納米顆粒，比球形金納米粒子具有更為奇特的光電性質，有可調的表面等離子共振特性(SPR)以及合成方法簡單、化學性質穩(wěn)定、產率高等優(yōu)點。

金納米棒作為一種新型的近紅外熒光探針，具有以下優(yōu)點：

a．用近紅外光激發(fā)對活細胞的損傷很小，適于活體觀察，光漂白作用小；b．在組織中近紅外光比可見光的透過率高，可達幾個厘米，不受自身背景熒光及光在體內組織上散射等因素干擾，因而可實現深層組織的生物成像，能夠進行體外或體內的非破壞、非介入性分析。

金納米棒在細胞中成像原理：金納米棒的強光學散射和吸收特性，特別是其具有的縱向可調諧的SPR峰使其更適合作為光學探針，用于生物細胞成像的研究。納米技術在醫(yī)療成像中的應用金納米棒在醫(yī)療成像中的應用納米技術在醫(yī)療成像中的應用

金納米顆粒具有突出的表面等離子共振性質。這種特殊的性質來源于入射光與金納米粒子的自由電子相互作用:當入射光的波長與自由電子的振動頻率發(fā)生共振耦合時,就會產生表面等離子體共振(SPR),在紫外-可見光譜上顯示強的吸收峰。SPR峰的位置主要取決于以下幾個因素:納米粒子的大小、形狀、表面電荷、環(huán)境介質條件等。與球形的納米金顆粒相比,棒狀的金納米顆粒具有更為特殊的SPR性質。球形的納米金顆粒表現為單一的SPR峰,而棒狀金納米顆粒則具有橫向和縱向兩個SPR峰。其中縱向SPR(LSPR)峰的位置取決于金納米棒顆粒的長短軸比,因此通過制備不同長短軸比的金納米棒顆粒,可以實現其人為調控（從可見光區(qū)到近紅外區(qū)，見圖2）。納米技術在醫(yī)療成像中的應用金納米顆粒具有突出的表納米技術在醫(yī)療成像中的應用圖2不同長短軸比率的金納米棒的SPR圖,LSPR峰隨金納米棒的長短軸比率增加而紅移納米技術在醫(yī)療成像中的應用圖2不同長短軸比率的金納米棒的S金納米棒在醫(yī)療成像中的應用實例一

2005年美國Purdue大學的研究人員Wang等將金納米棒顆粒注入實驗鼠體內,在其流經血管時,利用雙光子成像技術(TPL)透過皮膚得到了血管結構的原位圖像(見圖3)。記錄的圖像比傳統(tǒng)熒光染料法明亮得多,單個金納米棒顆粒比單個羅丹明6G分子（一種熒光染料，鄰苯二酚類）發(fā)出的雙光子熒光要亮58倍。金納米棒在醫(yī)療成像中的應用實例一2005年美國P

圖3單個金納米棒在實驗鼠耳血管的原位成像(a)兩個血管的發(fā)射圖像(b)通過血管的金納米棒顆粒的雙光子圖像(c)發(fā)射圖和單幅的雙光子圖像的疊加圖(d)與c圖對應的雙光子強度譜圖圖3單個金納米棒在實驗鼠耳金納米棒在醫(yī)療成像中的應用實例二

Yakar等應用抗體與抗原之間的特異性識別作用,使用聚苯乙烯磺酸鈉(PSS)和抗體(anti-EGFRantibody)來修飾CTAB（十六烷基三甲基溴化銨，不僅是支持電解質,而且還是AuNRs的穩(wěn)定劑和保護劑）穩(wěn)定的金納米棒制備生物探針（見圖4）。隨后用抗體修飾的金納米棒顆粒與EGFR過度表達的癌細胞發(fā)生特異性識別而標記癌細胞,利用金納米棒的光學特性進行了癌細胞的雙光子發(fā)光成像研究工作,結果表明利用金納米棒的雙光子發(fā)光成像可以深入生物組織75μm。在同等情況下,與雙光子自熒光成像相比,成像亮度高3倍(見圖5)。金納米棒在醫(yī)療成像中的應用實例二Yakar等應用抗體與抗圖4金納米棒生物分子探針示意圖11-巰基十一酸抗體分子穩(wěn)定劑目標分子圖4金納米棒生物分子探針示意圖11-巰基十一酸抗體分子穩(wěn)圖5置于蓋玻片的癌細胞的雙光子成像:(a)未標記細胞的雙光子自熒光成像；(b)金納米棒標記的細胞的雙光子成像；(c)未標記細胞的雙光子成像。Pin-激光平均功率圖5置于蓋玻片的癌細胞的雙光子成像:Pin-激光平均功率納米技術在醫(yī)療成像中的應用正電子發(fā)射計算機斷層顯像(PET)技術已被用于醫(yī)療成像。但目前大部分PET探針是小分子化合物,經常遇到代謝過快、無法在靶部位有效濃集等問題。利用納米材料攜帶PET探針,能夠改善這些存在問題,從而獲得更好的成像效果。核磁共振成像技術(MRI)是一種對活性組織的解剖結構進行成像的強大工具。納米粒子核磁共振大大提高了成像技術的精密性。交聯(lián)氧化鐵納米粒子是一種用于示蹤體內單個細胞的納米粒子。納米技術在醫(yī)療成像中的應用正電子發(fā)射計算機斷層顯像(PET納米技術在醫(yī)療診斷中的應用納米診斷技術

使用納米診斷技術只需通過血液中的DNA或蛋白質檢測，便能診斷出很多早期疾??；如應用分子雷達光學相干層析術(opticalcoherencetomography，OCT)這種先進的納米診斷技術，每秒鐘能完成生物體內活細胞的動態(tài)成像2000次，以此來觀察活細胞的動態(tài)。在發(fā)現單個細胞病變的同時不傷及正常細胞，其分辨率可達1微米級。運用超順磁性氧化鐵納米粒子脂質體，則可以診斷直徑3毫米以下的肝腫瘤。

納米技術在醫(yī)療診斷中的應用納米診斷技術納米技術在醫(yī)療診斷中的應用金納米棒在醫(yī)療診斷中的應用

納米金由于體積小，可以被多種基團修飾和其光學特性，成為疾病診斷新的研究對象。納米金可以被多種物質修飾獲得對腫瘤細胞的靶向性。其診斷原理如下：①不同直徑的納米金具有特定的吸收光譜，可以對特定長度的紅外線產生吸收的峰值。②由于EGFR抗體修飾的納米金可以選擇性的聚集于腫瘤細胞中，從而使腫瘤細胞中高濃度的納米金之間互相作用產生等離子共振（plasmonresonance）現象，導致其吸光譜發(fā)生紅移，而正常細胞中由于不存在納米金或者納米金濃度過低難以產生等離子共振現象，因此應用光聲和超聲波譜診斷法可以明顯的區(qū)別腫瘤細胞與正常細胞，使腫瘤細胞清晰地被診斷出。納米技術在醫(yī)療診斷中的應用金納米棒在醫(yī)療診斷中的應用金納米棒在醫(yī)療診斷中的應用實例一

Yu等將3種不同的抗體分子偶聯(lián)到3種不同長度的金納米棒上，通過檢測免疫識別作用誘導的金納米棒LSPR吸