以脉冲X射线激活近红外长余辉发光钆镓石榴石纳米粒子实现长效肿瘤诊疗

Photodynamic therapy (PDT) of tumor possesses unique advantages over spatio-temporal control. X-ray PDT (X-PDT) can overcome the drawback of poor tissue penetration of traditional PDT and be applied to deep tumor therapy. However, severe side effect can be induced by long term X-ray irradiation which will cause tissue/organ damage to the healthy ones. We’ve performed systematic research on the synthesis and luminescence imaging applications of persistent luminescence nanomaterials, and recently developed sub-10 nm near infrared persistent luminescence nanoparticles (J Am Chem Soc). We proposed that a long term PDT process can be conducted by using the near infrared persistent luminescence of nanoparticles powered by pulse X-ray irradiation, and at the same time, tumor diagnosis can be performed by persistent luminescence imaging. Here, we will synthesize multi-doped gadolinium gallium garnet nanoparticles with near infrared persistent luminescence based on X-ray scintillator (Gd3Ga5O12:Cr), realize efficient energy transfer from the nanoparticles to photosensitizer by studying its transfer mechanism, prepare pulse X-ray excited/Near infrared/Persistent luminescence (XNP) nanophotosensitizer, and finally realize tumor theranostic powered by pulse X-ray. This research will produce new XNP nanomaterials and a novel technology to overcome the drawbacks of the current PDT, and will provide scientific basis for exploring novel cancer theranostic method.

癌症的光动力疗法具有独特的时空可控优势。X射线光动力治疗虽然可以克服传统光动力疗法生物组织穿透能力差的缺点，但长时间持续X射线辐射会损伤健康组织，存在较大的副作用。我们在前期工作中对长余辉发光纳米材料的合成与发光成像应用做了系统研究，制备了小于10 nm的近红外长余辉纳米粒子（J Am Chem Soc）。我们推测可以用医用脉冲X射线激发纳米粒子的近红外长余辉诱发长效光动力治疗，同时利用其近红外长余辉实现肿瘤成像诊断。本研究将合成基于X射线闪烁材料（Gd3Ga5O12:Cr）的多元掺杂钆镓石榴石近红外长余辉纳米粒子，通过研究该纳米粒子与光敏剂之间的能量传递机制实现高效能量传递，制备脉冲X射线激发/近红外/长余辉纳米光敏剂，利用其短时X射线激发/长时间发光的长余辉性质，实现脉冲X射线光动力肿瘤诊疗。本研究为克服现有光动力疗法的缺陷提供新型纳米试剂，为探索癌症新疗法提供科学依据。

长余辉发光材料作为能量来源用于生物医学领域，必须依赖于长余辉材料与受体分子之间的高效能量传递。我们通过研究长余辉发光材料与荧光受体之间的能量传递过程，阐明了长余辉发光材料与能量受体材料直接高效能量传递的关键因素，发现长余辉发光光谱与荧光受体激发光谱的有效重叠是影响能量传递效率的关键因素，长余辉材料的粒径与荧光受体之间的距离和荧光受体的浓度是影响能量传递效率的重要因素。另外，我们还发现，荧光受体并不完全被动地吸收长余辉材料的发光能量，荧光受体的受激发光还会反过来促进长余辉材料储存能量的释放，增加余辉发光亮度，缩短发光寿命。这些研究成果对于开发长余辉发光纳米材料在生物医学领域的高级应用有一定指导意义。..长余辉纳米粒子（AGNPs）在高对比度发光成像应用领域具有较大的应用潜力，发光寿命长、光谱可调的单分散AGNPs是长余辉成像领域梦寐以求的理想成像试剂。我们与美国麻省大学医学院合作开发了一种简易的模板法首次成功合成了一系列多色AGNPs。这些AGNPs除了具有包括蓝、黄、绿和白等颜色的可调节余辉光谱之外，还具有极高的发光亮度和均匀的粒径，从而为拓展AGNPs在高对比度、多通道余辉成像领域的应用提供了新的研究工具及思路。我们还首次应用逻辑判断表格与发光成像结果相结合，验证了动物活体多元发光成像的概念，使得我们不仅能知道在动物特定组织中是否有AGNPs存在，还能判断AGNPs的种类，从而有可能在动物体内实现多靶标的同步成像。..申请人以第一作者或通讯作者共计在Advanced Materials，Journal of Hazardous Materials，Journal of Hazardous Materials Letters，Environmental Pollution, Science of the Total Environment, Journal of Luminescence等重要学术刊物发表研究论文10篇，申请发明专利4项，已取得发明专利授权1项，出版中文专著章节1章。