生物医学光子学ppt课件

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细胞毒性研究 采用MTT 法测试了PGsP NCs 悬液在不同浓度时对正
常细胞人脐静脉内皮细胞HUVECs 的细胞活力的影响
说明制备得到的纳米胶囊对正常细胞没有明显的毒性， 具有较好的生物相容性，可以应用于动物体内实验。
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体内双模式成像性能 (1)使用PGsP NCs 造影剂进行的兔肾脏超声造影成像
(左)未经吸附的纳米胶囊呈均匀散布的黑色悬液 (右)磁性纳米胶囊完全被吸附于靠近磁铁的一侧
(3)PGS-SP NCs 悬液的MRI 造影效果
将6 个浓度梯度的PGS-SP NCs 悬液样品置于Bruker 7 T 小动物MRI仪器中进行扫描（从0 到5 的Fe 浓度依次升高： 0，4.97，9.93，19.9，39.7，9.93 μM），可以看到随着 悬液浓度的升高，
放射线治疗（或放疗）是通过放射性辐射杀死癌细胞。 放疗使用放射源发出的辐射线破坏细胞的遗传物质， 阻止细胞生长或分裂，以此杀死癌细胞。然而放疗的 效果仅局限与辐射区域内，同时放疗也不具有选择性，
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癌症治疗的新方法
近年来兴起了一系列癌症治疗的新方法，包 括光热治疗、基因治疗、免疫治疗、光动力 治疗等等，这些方法无一例外的都属于无创 性或者低创伤性治疗，可以有效减轻患者的 痛苦，同时都具有一定的靶向治疗特性，可 以定点杀伤癌细胞而对正常细胞带来很少的 伤害。这些新的治疗方法大都处于研究阶段 或者临床试验阶段，因此，通过不断的优化
造影剂可以显著提高医学图像的对比度和分辨率，帮助临 床医师对疾病进行更为快速准确的诊断，是各种医学成像 诊断中不可或缺的辅助试剂。
受益于纳米技术的发展，我们现在可以有目的的设计和构 建一系列具有多种功能复合于一体、靶向性较好、无毒副 作用的多功能造影剂，其中研究最多的就是多模式造影剂 和诊断治疗一体化试剂
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体外光热升温效果
为了验证制备的GNR-MCs 复合物的光热治疗效果，用功率2 W 的808nm 半导体激光器对水、空白聚乳酸微胶囊MCs（1 mg/mL）和复合微胶囊GNR-MCs（1 mg/mL）在同样条件 下进行了辐照，并监测了照射过程中温度的变化 说明金纳米棒的加 入显著的增强了聚 乳酸微胶囊对于近 红外辐照的光热转 换效率， GNR-MCs 复合物 可以用于近红外光 热治疗。
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用于超声/MRI 成像引导下光热治疗的金纳米 壳磁性纳米胶囊-金纳米壳磁性液态氟碳纳米胶 囊
体外超声/MRI 双模式造影成像性能评价 (1)使用PGS-SP NCs 造影剂进行的体外超声造影成像
a) 乳胶管中充满生理盐水，无造影剂 b) 乳胶管中充满造影剂
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(2)不同浓度的PGS-SP NCs 悬液的MRI 造影效果 PGS-SP NCs 悬液在磁铁旁放置10 min 前后的照片
光热治疗使用的激光波长多为700~1000 nm，电磁波的这一 波长区域被认为是人体组织的光学窗口。也就是说，波长为 700~1000 nm 光对人体组织的穿透性最好，实验证明此区域 内的光可以穿透约1 cm 厚度的组织而不对其产生明显的破坏 作用。因此，使用近红外激光可以实现穿透皮肤和组织，在不 破坏正常细胞的情况下，实现对于深层肿瘤组织的有效热杀伤。
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在一次用药的前提下实现超声造影成像诊断和光热治疗的同 时进行。这样即可以避免诊断治疗的多次用药对于人体血液 循环系统和血液清除机制带来巨大压力，同时也缩短了诊断 和治疗的间隔时间，对于一些发展快速疾病的治疗有很重要 的意义。
金纳米材料和超声造影剂的成功结合，验证了超声造影成像 联合近红外光热治疗的诊断治疗一体化的可行性，对提高诊 断和治疗效率的探索可能具有一定的积极影响。
疾病的诊断和治疗在传统的临 床应用中是两个相对独立的过 程，所以诊断用造影剂和治疗 试剂也需要分别使用。两次医 疗过程间隔较长，容易贻误最 佳的治疗时机，同时两次注射 药物所带来的副作用叠加效应也会增加患者的痛苦和风险。
于是，一种全新的医疗处理方式——诊断治疗一体化逐渐
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诊断治疗一体化将诊断和治疗两个过程合二为一，在得到 诊断结果的同时，立即基于诊断结果进行对症治疗。它将 诊断用造影剂和治疗用试剂结合为一体，得到可同时应用 于医学成像诊断和治疗的多功能试剂，即诊断治疗一体化 试剂
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(2)不同浓度的PGsP NCs 悬液的体外CT 造影成像图 使用小动物microCT 对于不同浓度的PGsP NCs 悬液进行
了CT 造影成像，
结果如图所示。随着浓度从样品5 至样品0 的逐渐降低 (40.4，20.2，10.1，4.04，2.02，0 mgAu/mL)，样品悬 液的亮度也逐渐降低
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体外细胞毒性实验证实了PGsP NCs 良好的生物相容性之后， 通过体内外超声/CT 造影成像评价证明金纳米壳液态氟碳纳 米胶囊不仅保持了原来液态氟碳纳米胶囊良好的超声造影特 性，同时可以成功实现体内血液循环，得到对比增强的CT 成 像效果，此外光热升温和光热癌细胞杀伤实验都表明PGsP NCs可以在近红外光照辐射下有效杀伤肿瘤细胞，这样金纳 米壳纳米胶囊就成为了一种新型的同时具备超声/CT 双模式 造影成像功能和光热治疗功能的诊疗一体化试剂这种纳米诊 疗一体化试剂介导的肿瘤诊断和治疗的新模式，可能会对以 后癌症的诊疗方式产生积极的影响。
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对癌细胞的光热杀伤效果
通过对体外培养细胞应用GNR-MCs 造影剂（浓度1 mg/mL）和近红外激光辐照（中心波长808 nm，能量密 度10 W/cm2，照射时间10 min）的不同组合，来评价 GNR-MCs 的光热治疗效果。使用钙黄绿素乙酰甲酯 （calcein AM）进行细胞染色。
a) 无处理 b) 仅激光辐照 c) 仅加入GNR-MCs d) 加入GNR-MCs 用激光进行照射
表明CT 增强效果随浓度减小而呈下降趋势。
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光热转换性能评价 不同浓度的PGsP NCs （0.005，0.01，0.025，0.05，0.1 mg/mL）在相同近红外激光（中心波长808 nm，辐射功率 2 W）辐照下的升温情况
证明了 PGsP NCs 可 以高效的将近 红外激光辐照 转变为热能， 实现良好的光 热治疗效果。
材料类型
代表
优点
缺点
贵金属纳米颗 粒
Au、Ag、Pt
光热转换效率 较高
价格昂贵
碳类材料
石墨烯、碳纳 较大的光热转 近红外区吸收
米棒

换面积
能力差
金属与非金属 化合物
CuS、ZnS
处于研究的热 潮
有机染料物质
吲哚菁绿、普 鲁士蓝
处于研究的热 潮
金纳米材料
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诊断治疗一体化
从发现疾病到恢复健康，一般 需要经过诊断和治疗两个阶段。
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光热试剂
人体中固有的光吸收剂包括水、血红蛋白、氧和血红蛋白和 黑色素等。这些物质吸收光能后，会引发一定程度的组织温 度升高，但是由于生物体对可见光较强的散射和吸收，使得 可见光对组织的穿透深度不够，产生的热量不足以杀伤肿瘤 细胞。同时，这些光吸收剂是人体本身固有的，在全身都有 分布，因此，以这些物质作为光吸收剂，很难分辨出正常组 织和肿瘤组织，从而引起对正常组织的热损伤。
a) 注射PGsP NCs 前 b) 注射PGsP NCs 后 实验结果表明PGsP NCs 可以在动物体内呈现出良好的造
影增强效果，具有作为超声造影剂辅助超声诊断的潜力。
(2)使用PGsP NCs 对鼠进行肌肉注射前后的CT 造影图 （箭头显示增强效果）
使用PGsP NCs 对鼠进行尾静脉注射前和注射100 min 后 的CT 造影图（箭头显示增强效果）
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（2）直接杀死肿瘤细胞：加热会使肿瘤细胞细胞膜上磷 脂的状态发生改变，从而引起细胞膜的流动性和通透性发 生改变，导致膜蛋白发生功能的丧失，甚至导致蛋白质变 性。此外，加热还会改变细胞骨架，从而改变细胞的形态， 进一步改变细胞的代谢及功能。
（3）诱导细胞凋亡：很多研究表明，加热会引起细胞内 凋亡促进基因（包括野生型 p53 等）和凋亡抑制基因 （bcl-2，突变型p53 等）的表达改变，从而引发细胞发 生凋亡。
可同时进行多种模式医学成像诊断和治疗的多功能纳米材 料的研究不仅代表了纳米科技发展的尖端水平，同时具有 巨大的经济价值和市场潜力。
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具有超声成像和光热治疗功能的金纳米棒微胶 囊的研究-金纳米棒聚乳酸微胶囊
体外/体内超声造影成像效果
在体外用乳胶管模拟人体血管进行超声造影成像。 在乳胶管中充满脱气生理盐水时，无论PIHI 造影模式还是
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治疗原理
光热杀死肿瘤细胞的原理主要 包括三个方面：
（1）间接杀死肿瘤细胞：肿瘤组织的毛细血管在发育上和 功能上都比正常血管差，肿瘤组织的毛细血管缺乏弹性，导 致肿瘤组织内血流缓慢，易形成栓塞，且不容易散热，在光 热治疗条件下，肿瘤组织的温度与正常组织的温差可达 5~10 °C，可以利用这个温差来杀死肿瘤细胞而又不损伤正 常组织的细胞。另一方面，肿瘤组织血流不通畅会导致肿瘤 内部缺氧，加热会加剧这一过程，使得肿瘤细胞更容易被杀
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肿瘤光热治疗效果 在证实了PGsP NCs 可以成功进行动物体内超声和CT 造影成 像，使用荷瘤裸鼠动物模型来进行移植瘤的光热消融治疗 实验使用U-87 MG 癌细胞移植瘤荷瘤裸鼠共32 只，随机平 均分为4 组：对照组、试剂组、光照组和治疗组 在进行不同治 疗处理后，各 组荷瘤鼠的移 植瘤在16 天 内的生长曲线 如图所示。
手术切除在理论上可以通过完全移除肿瘤细胞而将癌 症治愈，但外科手术无法切除已经转移到其他部位的 癌细胞，同时也无法精确切除所有癌变细胞而有可能 导致癌症复发。更为重要的是，对于年老体弱的患者 来说，外科手术这种创伤性极大的治疗方法有可能带 来比癌症本身更大的危险。
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化学治疗（或化疗）使用可以杀死癌细胞的药物进行 癌症的治疗。由于癌细胞相比正常细胞具有快速分裂 和生长的特性，所以化疗用药的作用原理通常是借由 干扰细胞分裂的机制来抑制癌细胞的生长。因此，大 多数化疗药物都没有对于癌细胞的特异性，会在杀伤 癌细胞的同时也影响正常细胞，具有较大的副作用。
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光热治疗
光热治疗（PTT）通常是通过激光照射给肿瘤组织加热，一般 照射时间为几分钟到几十分钟，使肿瘤组织温度升高。在这样 的温度下，由于肿瘤细胞对热的耐受性较低，肿瘤细胞被选择 性地破坏。光热治疗产生的热量，往往使肿瘤细胞发生不可逆 的损伤，主要表现为线粒体膨胀、蛋白质失活、双折射性的丢 失、水肿和组织坏死、细胞膜松散及膜蛋白的变性等。
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集超声/CT 成像和光热治疗于一体的金纳米壳 纳米胶囊的研究-金纳米壳液态氟碳纳米胶囊
体外双模式成像表征 (1)使用PGsP NCs 造影剂进行的体外超声造影成像
a) 乳胶管中充满生理盐水，无造影剂 b) 乳胶管中充满造影剂 结果表明PGsP NCs 悬液具备良好的超声造影增强功能，
可以用于增强超声成像的对比度。
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光热治疗技术及其在 生物医学中的应用
管慧文 1015061409
目录
背景 癌症传统治疗方法 新的治疗方法 光热治疗 简介 原理 光热试剂 诊断治疗一体化 案例
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背景
癌症对人类健康和生命都有巨大的威胁，是人类死亡 的主要原因之一。
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传统治疗方法
癌症的传统治疗方法包括手术切除、化学治疗、放射 线治疗等。
普通B 模式，在其截面只能看到管壁出现高亮的强回声， 管内完全没有回声增强(a)。
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应用新西兰大白兔作为动物模型，对兔肾脏进行扫查,进行 了体内进行的造影成像。
可以看到兔肾脏在两种模式下几乎都看不到回声增强信号 （a）。
通过耳缘静脉通道注射GNR-MCs 悬液，并推注生理盐水 以保证所有造影剂进入循环系统。静脉团注后数秒钟，即 可在超声仪监视器上看到PIHI 模式下的兔肾脏呈现较强回 声，并且可以动态观察到肾脏血流从皮质到髓质的整个充 盈过程（b）
为了提高激光诱导的光热治疗的效率和肿瘤选择性，通常会 将具有光吸收性能的光热治疗剂导入肿瘤部位，使得肿瘤组
光热试剂的要求与分类
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首先，最重要的就是具有良好的光热转换效率 其次，应该无毒或只有较低的生物毒性 第三，材料应该是易功能化的，可以在其表面修饰其他分子，
如药物分子，光敏剂等。
第一代 第二代 第三代 第四代