面向肿瘤诊断的磁性/上转换发光多功能稀土纳米颗粒的制备及性质研究

Multimodality molecular imaging technique sparks significant prospects in early tumor diagnosis. The preparation of multifunctional nanoparticles as prerequisite signal entity has intrigued considerable attentions. The multifunctional nanoparticles combining T1-T2 MRI contrast enhanced effects and upconversion luminescent property are of unique merits in achieving nanoprobes for sensitive and accurate detection of tumor. Such multimodality molecular probes not only offer the possibility to combine T1 and T2 MR imaging modalities, but also integrate the unique optical property of upconversion luminescence. In this proposal, multifunctional rare earth nanoparticles showing T1-T2-weighted MRI contrast enhancement effects and upconversion luminescence, will be designed and synthesized. The effects of the distance between T1 and T2 agents, position of the rare earth elements, particle size, and surface modification on both paramagnetic and upconversion luminescent properties will be investigated. Upon ligand exchange, chemically and colloidally stable nanoparticles in physiological media will be obtained. The relaxometric properties of the rare earth nanoparticles correlated with the crystal structure and surface structure will be investigated. Upon bioconjugation with tumor specific molecules, multimodality molecular probes will be constructed, and evaluated through in vitro cell assays.

多模态分子影像是肿瘤早期诊断研究的重要方向之一，而作为信号载体的多功能纳米材料的制备更是引起了人们的广泛关注。融合T1-T2磁共振造影增强效果和上转换发光性质的多功能稀土纳米颗粒在构建高灵敏的肿瘤诊断探针上具有独特优势，不仅可以实现优势互补相互印证的磁共振成像，还可整合上转换发光在体内应用的独特光学性质。本项目拟利用稀土元素丰富的磁学及光学性质，开展具有T1-T2磁共振造影增强和上转换发光性能的纳米颗粒的可控制备及性质研究，重点通过核壳型纳米晶体结构设计揭示作为T1、T2及上转换发光信号基元的稀土元素间距离和空间位置、晶体尺寸以及表面性质对顺磁性和光学性质的影响规律。通过表面配体置换获得在生理介质中具有化学及胶体稳定性的纳米颗粒，并探究其弛豫性能与晶体结构设计及表面修饰的关系规律。进一步与生物分子共价耦联，构建T1-T2磁共振/上转换发光多模态分子影像探针，并通过体外细胞实验验证其靶向性。

多模态分子影像是肿瘤诊断研究特别是早期灵敏诊断的重要方向之一，而作为信号载体的多功能纳米材料的制备更是引起了人们的广泛关注。融合T1-T2磁共振造影增强效果和上转换发光性质的多功能稀土纳米颗粒在构建高灵敏的肿瘤诊断探针上具有独特优势，不仅可以实现优势互补相互印证的磁共振成像，还可整合上转换发光在体内应用的独特光学性质。本项目本着这样的出发点，拟利用稀土元素丰富的磁学及光学性质，开展具有T1-T2磁共振造影增强和上转换发光性能的纳米颗粒的可控制备及性质研究，重点通过核壳型纳米晶体结构设计揭示作为T1、T2及上转换发光信号基元的稀土元素间距离和空间位置、晶体尺寸以及表面性质对顺磁性和光学性质的影响规律。通过表面配体置换获得在生理介质中具有化学及胶体稳定性的纳米颗粒，并探究其弛豫性能与晶体结构设计及表面修饰的关系规律。进一步与生物分子共价耦联，构建T1-T2磁共振/上转换发光多模态分子影像探针，并通过体外细胞实验验证其靶向性。项目执行过程中我们首先合成了不同尺寸的NaDyF4纳米颗粒，发现其横向弛豫率随尺寸增大逐渐增大。随后以NaDyF4为核构建了NaDyF4 @NaGdF4@NaGdF4:Yb,Er纳米颗粒，其弛豫性质并不理想，结合弛豫理论及极化理论，改变隔离层组份，发现稀土离子极化变形能力弱时，T1和T2信号基元之间的干扰会降低，最终获得NaDyF4 @NaYF4@NaGdF4:Yb,Er纳米颗粒，尽管无法完全消除T1和T2信号基元之间的干扰，但为制备稀土多模态MRI造影剂提供了新的思路，具有重要的科学意义。