面向肿瘤治疗生物材料的X射线多尺度生物成像与图像处理

Multiscale, multimodal imaging and image processing technology of biomaterials are urgently needed in basic research and clinical applications, in order to achieve in-situ quantitative observation of interactions between biomaterials and organism in cell/tissue/body level, thus explaining its biological mechanism. The project intends to develop new X-ray imaging techniques based on synchrotron radiation, and to build multiscale multimodal imaging and image processing system based on X-ray diffraction and absorption. By using of the technical characteristics of three-dimensional, high-resolution, high-contrast, in-situ, quantitative, multiscale imaging, we will study the interactions between organism and biomaterials for cancer treatment. In the different levels of body, tissue and cell, investigations will be conducted in following aspects: distribution of biomaterials in tumor areas; permeability of biomaterials in tumor tissues and vessels; location of biomaterials in tumor cells and the drug release. Subsequently, we will explore the mechanism of action of functional biomaterials in organism, in order to provide theoretical guidance and technical support for design and clinical applications of new biomaterials. This work will not only promote applications of new X-ray imaging techniques in life sciences, but also help to develop the cross-discipline between biological materials and biological imaging technology.

目前，在生物材料的基础研究和临床应用中,迫切需要多尺度、多模态生物成像与图像处理的新技术，以满足在细胞/组织/活体水平上实现原位、定量、高分辨地观察生物材料与机体的精细作用过程，进而阐述其生物作用机制。本项目拟发展基于同步辐射X射线的新型成像技术，构建基于X射线相干衍射和吸收的多尺度、多模态生物成像与图像处理技术。利用该成像技术的三维、高分辨、高衬度、原位、定量、多尺度成像等特点，以肿瘤治疗生物材料与生物体的相互作用为研究目标，分别从活体、组织及细胞水平上研究生物材料在肿瘤区域的分布和富集，生物材料对肿瘤组织和血管的渗透，生物材料在肿瘤细胞中的定位和药物释放，探索功能性生物材料在生物体内的给药作用机制，以期为新型肿瘤治疗生物材料的设计、构建和临床应用提供理论指导和技术支撑。希望通过本课题研究，推动新一代X射线成像技术在生命科学中的应用，促进我国生物材料基础研究和生物成像技术的交叉融合发展。

在功能性生物材料治疗肿瘤等疾病的研究中，迫切需要建立切实可用的多尺度、多模态、定量生物成像及图像处理体系，以理解功能性生物材料在活体、组织到细胞层面的微观作用机理。本项目按照计划首先开展了用于肿瘤治疗的纳米药物的设计研发及纳米药物模型等生物材料的制备研究；利用X射线穿透能力强、无损、高分辨等特点，基于同步辐射和X射线自由电子激光，发展了多尺度、多模态、三维、定量的生物成像方法和图像处理新技术；并在此基础上系统开展了肿瘤模型及针对肿瘤治疗生物纳米材料的成像研究。.通过本项目，建立了基于X射线成像方法的多模态生物成像体系，发展了具有高分辨率、定量特征的多种相干衍射成像新方法，获得10nm空间分辨率，超过了20nm分辨率的预期目标；针对生物成像辐射损伤问题，发展了低计量等斜率图像重建算法和分析方法，实现了活体的低剂量三维成像。本项目以两亲性聚合物为基础，通过改变纳米材料的尺寸、表面电荷以及靶向基团制备了不同性质的纳米药物。其中碳点支撑、原子尺度分散的金材料，作为一种新型抗癌纳米材料，具有良好的抗癌疗效和生物安全性。通过项目组合作，充分发挥在纳米药物设计和成像方法研究上的优势，实现了小鼠乳腺癌细胞15nm分辨率的成像；利用元素特异性和纳米CT技术，精确定位了抗癌纳米药物在巨噬细胞内的三维空间分布。通过在纳米尺度上对肿瘤细胞模型内纳米药物材料的输运行为以及聚集形态和分布进行了成像研究和定量分析，探究了纳米药物的作用机制，为肿瘤治疗和生物材料设计提供了有效的理论指导。.项目实施期间在Nature Nanotechnology等杂志上发表论文51篇，授权发明专利2项，培养博后4名，博士研究生17名，硕士研究生8名。另外，部分相干衍射成像研究成果被用于X射线自由电子激光—国家大科学装置成像实验站的设计与建设中，对国内X射线成像领域的发展有重要意义。