稀土上转换纳米颗粒与血液作用的毒理学研究

Rare-earth upconversion nanoparticles (UCNPs) hold promise as medical imaging probe, targeted drug delivery and controlled release agents, as well as photodynamic therapy for cancer, because of its novel upconversion light emitting properties. However, the biocompatible and toxicity study of this novel fluorescence probe and nano-medicine, especially when entering the blood circulating through injection or oral administration, is still poorly documented. These include: the release of rare-earth elements, like Yttrium, into blood plasma, the formation of protein corona of blood proteins around UCNPs once they enter the blood, the large scale aggregation and precipitation of UCNPs–blood protein complexes which may cause capillary block, etc. Therefore, a systemic toxicity study of UCNPs in blood is necessary for the subsequent application research in the field of biological chemistry and biomedicine, and for the aims of rational experiments and development of safe nanomedicines. In this proposal, the applicants intend to systematically investigate the toxicity of UCNPs in blood, especially that their plasma stability, their interactions with blood components and the mechanism. The objective is to develop biological-friendly and safe UCNPs, through nanoparticle surface coating and functionalization. The findings in this research have special reference to other kinds of nanomaterials like nanowire, nanotube and layered materials. Our research will shed light on the development of nanotechnology and safe nanomedicine research.

稀土上转换纳米颗粒以其独特的上转换发光性质在医学影像、靶向给药和可控释放、光动力学肿瘤治疗等领域表现出令人振奋的应用前景。但是这种新型的纳米药物对人体健康的潜在影响，尤其是通过静脉注射和口服给药的途径进入人体血液循环后，在血液中的行为缺少安全性评价和毒理学研究。这主要包括：上转换纳米颗粒中钇等稀土元素的溶解，上转换纳米颗粒对血浆蛋白的吸附，纳米颗粒—血浆蛋白结合后发生团聚沉降而阻塞毛细血管等。因此，稀土上转换纳米颗粒与血液作用的毒理学研究，是其生物化学和医学应用首先需要解决的问题。本项目针对上转换纳米颗粒在血液中行为，尤其是在血液中的稳定性、与血液各成分相互作用机制等问题进行系统研究。目标是找到有效的表面功能化修饰的方法提高其血液相容性的同时又保持良好的靶向性。本研究成果对其他材料如纳米线、纳米管、片层状材料有重要的借鉴意义和参考价值。对于指导理性实验，研发安全有效的纳米药物具有重大意义。

本项目系统研究了稀土上转换纳米颗粒在生物体系和血液中的分布、稳定性和聚集状态等行为，旨在探索其潜在的生物效应，研发具有有效表面功能化修饰、拥有优异生物相容性和靶向性的上转换纳米材料。我们采用高温分解法和水热溶剂法分别合成了钆掺杂的球状上转换纳米材料和棒状上转换纳米材料，并选择三种修饰方式，即聚乙二醇、聚丙烯酸以及氨基酸对上转换纳米材料进行修饰，并通过TEM、DLS、ICP、光谱分析、细胞成像、小动物活体成像等手段，研究修饰方法和形状等因素对纳米颗粒在溶液中、细胞内、小鼠体内的状态以及分布的影响。我们发现，这几种修饰方法均有效提高上转换纳米材料的水溶液分散性，而且能够进入细胞质内。但是，在血清实验中，我们发现上述聚合物修饰的上转换纳米材料发生明显团聚行为。主要原因是上转换纳米颗粒吸附血清蛋白而导致表面性质发生变化，稳定性下降，并导致水合粒径增加。纳米颗粒的血清积聚会导致细胞吞噬困难，外排困难，从而增加纳米颗粒的毒性。另外值得一提的是，通过活体小动物上转换成像，我们发现特定氨基酸序列的多肽修饰的上转换纳米材料通过体内循环4小时后，在小鼠的皮下肿瘤部位能够很好的富集。而聚合物修饰的上转换纳米材料靶向性较差，并且在体内器官累积。基于以上结果，我们提出特定序列多肽修饰的上转换纳米材料具有更大研究价值，应用于高靶向性纳米药物和高成像效果的纳米探针。本课题研究的结果对其它类型的纳米材料的生物医学研究，尤其是研发安全有效的靶向纳米药物具有重要的借鉴意义和参考价值。