自组装石墨烯量子点用于光诱导的肺癌129Xe MR分子影像

As a malignant tumor with the highest morbidity and mortality in China, lung cancer has been given rising attentions along with environmental deterioration. Development of new molecular image techniques for targeted determination of lung cancer is a major demand to national health. It is hard to image the lung by clinical used MRI, because its cavity structure causes little density of H in lung. Hypersensitive MRI conquers this problem by determine the MRI signal from hyperpolarized 129xenon (129Xe), which increases MRI sensitivity more than 10,000 times. 129Xe MRI provides a new imaging technique for lung structure and function diagnosis with non-radiation and non-invasion. However, 129Xe MRI has no targeting due to the chemical inertness of Xe. In this project, graphene quantum dots (GQD) are self-assembled to lager nanoparticles by molecular recognition mechanism. The obtained self-assembled graphene quantum dots (s-GQD NP) will provide nano-holes to capture hyperpolarized Xe, producing a new signal in 129Xe MRI for targeting imaging of lung cancer cells. The nano-holes in s-GQD NP could load H MRI, PET or fluorescent contrast agents, and the imaging results from different imaging modalities could be compared by using one molecular probe. Furthermore, the nano-holes could also load anti-cancer drugs. Combining with the photothermal effect of GQD, the s-GQD NP will be a useful vehicle in drug releasing. Hence, the designed s-GQD NP will simplify the synthesis of 129Xe probes, evaluate the newly developed 129Xe MRI by clinically used imaging techniques, and provide a new tool for molecular imaging and cancer treatment.

肺癌是我国发病率和死亡率第一的恶性肿瘤，发展针对肺癌的分子影像新方法是国民生命健康的重大需求。超极化技术能将成像核129Xe的灵敏度提高10000倍以上，克服肺部MRI成像核密度低带来的信号弱问题，为肺结构和功能成像提供一种超灵敏、无辐射的新手段。然而，129Xe没有靶向性，难以用于分子影像研究。本项目拟以模块化的合成方法获得靶向肺癌细胞的自组装石墨烯量子点纳米粒子，其孔隙可捕获129Xe，能被用于129Xe MR分子影像研究。在自组装的过程中加入造影剂，就能实现多模态成像，以 MRI、PET等成熟的技术验证129Xe MRI。纳米孔隙还可负载抗癌药物，与GQD的光热作用联合用于肺癌治疗。这种设计将为129Xe MR靶向性成像提供一种纳米探针，解决现有Xe分子探针合成难的问题，用成熟的成像手段评估新技术129Xe MRI，为超灵敏磁共振分子影像和诊疗一体化提供一种新工具。

磁共振成像（MRI）能对人体大部分组织和器官的进行成像，是临床疾病诊断和跟踪治疗的重要手段。传统基于水质子（1H）信号的MRI灵敏度较低，难以对具有空腔结构的肺部成像。为解决这一问题，项目申请人所在团队自主研发了一种超灵敏129Xe MRI技术，将光子的角动量转移到129Xe原子核，使磁共振信号增强了50000倍以上。然而，Xe没有靶向性，难以用于分子影像。. 为解决这一问题，本项目着力于开发能够捕获Xe的“笼子”，通过结构设计调控129Xe的磁共振信号，成功实现了129Xe MRI活体分子影像：（1）调控MOF的骨架结构，提供一系列化学微环境不同的“纳米笼”捕获129Xe，产生了多种可区分的磁共振信号。一方面，可为超灵敏磁共振提供一系列探针用于多目标分析，另一方面，还可用于目标物的定量分析。（2）开发了一种模块化的方法，可很简易的在纳米粒子自组装的过程中将Xe“分子笼”包封其中，有效解决了“分子笼”修饰难、生物兼容性差的问题。并将其用于实际生命体系，首次实现了活体129Xe MRI分子影像，开拓了超灵敏MRI分子影像的活体应用前景。（3）构建了一种肿瘤微环境促发结构改变的纳米粒子，延长了药物在肿瘤中的停留时间、增强了药物在肿瘤中的穿透性，使光动力学疗法中光敏剂的总剂量降低至3.5 μΜ/kg。这种低剂量光动力学治疗能有效抑制肿瘤生长，甚至消融肿瘤。项目相关工作成果发表于Chem. Sci.等高水平期刊，申请国家发明专利6件，获批1件。项目实施过程过中，申请人入选中国科学院青年创新促进会，获得湖北省科技创新成果。