金纳米棒标记的细胞的双光子成像

纳米技术在医疗成像中的应用
金纳米棒在医疗成像中的应用
金纳米棒(gold nanorods，GNRs)是一种胶囊状的金纳米颗粒，比球形金 纳米粒子具有更为奇特的光电性质，有可调的表面等离子共振特性(SPR)以 及合成方法简单、化学性质稳定、产率高等优点。
金纳米棒作为一种新型的近红外荧光探针，具有以下优点：
图7 细胞分别与GNRs和GNRs/缩氨酸孵育的暗场成像 （a、c）正常细胞分别与GNRs和GNRs/缩氨酸孵育
（b、d）癌细胞分别与GNRs和GNRs/缩氨酸孵育
纳米技术在医疗诊断中的应用
量子点基础上的诊断技术 荧光量子点 (又称纳米晶体 )是另一类有望应用于 光学分子影像的纳米材料 , 其直径约为 1 到 10nm 。 由于尺度量子效应, 它们表现具有独特的光致发光 性能 : 发射波长范围窄 , 斯托克斯 ( Stocks) 位移 大,量子产率高, 荧光寿命长,化学和光学稳定性好。 由于吸收光谱重叠范围宽, 可采用单一波长的激光 为激发光源,实现多色标记,特别适合于活体细胞成 像和多组分同时检测。
纳米技术在医疗诊断中的应用
纳米粒子基础上超声成像诊断技术 包含气体分子纳米颗粒基础上的超声成像与治疗 一体化技术正在快速发展,其能够对癌组织的功能、 结 构 、 分 子 特 征 进 行 综 合 评 估 。 微 气 泡 (mi crobubble) 与纳气泡 ( nanobubble) 已经被用作 人体癌组织与动物肿瘤模型超声的造影剂。微气 泡与纳气泡的生物兼容性非常好 , 是多种模式成 像、 动态成像系统的候选造影剂。
靶向定位能力
在过去的二十多年中,基础肿瘤生物学取得了卓越的 进展,然而这些进步却很少能转化成临床应用。究其根源, 缺乏有效的治疗手段, 无法做到在有选择性地治愈肿瘤的 同时对身体其他部分造成少量甚至零的损伤是主要原因。 通常来说,增加药物功效的途径有2个:一是增加药物对靶 标的选择度 ; 二是改造药物成分 ,使之能克服生物体内的 屏障,从而更快更有效地到达靶标。纳米粒子表面具有高 度的可修饰性,使用纳米粒子靶向输药将大大改进对肿瘤 及其他疾病的治疗手段。通过修饰纳米粒子的表面化学 特性,研究人员现在能够将成像、 靶向和治疗成分附着在 同一个纳米粒子表面,同时还能显著增强信噪比,并且不需 要再用同位素来标记药物。
(a)两个血管的 发射图像
(b)通过血管的 金纳米棒颗粒 的双光子图像
(c)发射图和单幅 的双光子图像的 叠加图
(d)与c图对应的 双光子强度谱 图
图3 单个金纳米棒在实验鼠耳血管的原位成像
金纳米棒在医疗成像中的应用实例二
Yakar 等应用抗体与抗原之间的特异性识别作用 , 使 用 聚 苯 乙 烯 磺 酸 钠 (PSS) 和 抗 体 (anti-EGFR antibody)来修饰CTAB（十六烷基三甲基溴化铵， 不仅是支持电解质 , 而且还是 AuNRs 的稳定剂和保 护剂 ）稳定的金纳米棒制备生物探针（见图 4 ）。 随后用抗体修饰的金纳米棒颗粒与 EGFR 过度表达 的癌细胞发生特异性识别而标记癌细胞,利用金纳 米棒的光学特性进行了癌细胞的双光子发光成像 研究工作,结果表明利用金纳米棒的双光子发光成 像可以深入生物组织 75μ m 。在同等情况下 , 与双 光子自荧光成像相比,成像亮度高3倍(见图5)。
金纳米棒在医疗诊断中的应用实例一
Yu等将3种不同的抗体分子偶联到3种不同长度的金纳米棒上，通过检测 免疫识别作用诱导的金纳米棒LSPR吸收峰红移(图6)，实现对3种靶分子 的同时检测，提高了检测效率。
图6
金纳米棒用于三靶标检测
——：
——：对照
三靶标检测
金纳米棒在医疗诊断中的应用实例二
Oyelere等用金纳米棒偶联核定位缩氨酸后与正 常细胞和癌细胞孵化。暗场光散射成像表明金纳 米棒可以定位于细胞质和细胞核中。单细胞的微 拉曼光谱显示，在细胞质和细胞核中的缩氨酸拉 曼光谱增强，能够分辨出良性细胞和恶性细胞 。
a．用近红外光激发对活细胞的损伤很小，适于活体观察，光漂白作用小； b．在组织中近红外光比可见光的透过率高，可达几个厘米，不受自身背景 荧光及光在体内组织上散射等因素干扰，因而可实现深层组织的生物成像， 能够进行体外或体内的非破坏、非介入性分析。
金纳米棒在细胞中成像原理：
金纳米棒的强光学散射和吸收特性，特别是其具有的纵向可调谐的 SPR峰 使其更适合作为光学探针，用于生物细胞成像的研究。
纳米技术在医疗诊断中的应用
金纳米棒在医疗诊断中的应用
纳米金由于体积小，可以被多种基团修饰和其光学特性， 成为疾病诊断新的研究对象。纳米金可以被多种物质修饰 获得对肿瘤细胞的靶向性。其诊断原理如下：①不同直径 的纳米金具有特定的吸收光谱，可以对特定长度的红外线 产生吸收的峰值。②由于EGFR抗体修饰的纳米金可以选择 性的聚集于肿瘤细胞中，从而使肿瘤细胞中高浓度的纳米 金之间互相作用产生等离子共振（ plasmon resonance ） 现象，导致其吸光谱发生红移，而正常细胞中由于不存在 纳米金或者纳米金浓度过低难以产生等离子共振现象，因 此应用光声和超声波谱诊断法可以明显的区别肿瘤细胞与 正常细胞，使肿瘤细胞清晰地被诊断出。
稳定剂
抗体分子
11-巯基十一酸
目标分子
图4 金纳米棒生物分子探针示意图
Pin-激光平均功率
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图5 置于盖玻片的癌细胞的双光子成像: (a)未标记细胞的双光子自荧光成像； (b)金纳米棒标记的细胞的双光子成像； (c)未标记细胞的双光子成像。
纳米技术在医疗成像中的应用
正电子发射计算机断层显像 ( PET) 技术已被 用于医疗成像。但目前大部分 PET探针是小分 子化合物,经常遇到代谢过快、 无法在靶部位 有效浓集等问题。利用纳米材料携带 PET探针, 能够改善这些存在问题, 从而获得更好的成像 效果。 核磁共振成像技术 (MRI) 是一种对活性组织的 解剖结构进行成像的强大工具。纳米粒子核磁 共振大大提高了成像技术的精密性。交联氧化 铁纳米粒子是一种用于示踪体内单个细胞的纳 米粒子。
纳米技术在医疗成像中的应用
金纳米颗粒具有突出的表面等离子共振性质。这种特 殊的性质来源于入射光与金纳米粒子的自由电子相互作用 : 当入射光的波长与自由电子的振动频率发生共振耦合时 , 就会产生表面等离子体共振 (SPR), 在紫外 - 可见光谱上显 示强的吸收峰。SPR峰的位置主要取决于以下几个因素:纳 米粒子的大小、形状、表面电荷、环境介质条件等。与球 形的纳米金颗粒相比 , 棒状的金纳米颗粒具有更为特殊的 SPR 性质。球形的纳米金颗粒表现为单一的 SPR 峰 , 而棒状 金 纳 米 颗 粒 则 具 有 横 向 和 纵 向 两 个 SPR 峰 。 其 中 纵 向 SPR(LSPR)峰的位置取决于金纳米棒颗粒的长短轴比,因此 通过制备不同长短轴比的金纳米棒颗粒 ,可以实现其人为 调控（从可见光区到近红外区，见图2）。
纳米技术在医疗诊断中的应用
纳米诊断技术
使用纳米诊断技术只需通过血液中的DNA或蛋 白质检测，便能诊断出很多早期疾病；如应用分 子雷达光学相干层析术(optical coherence tomography，OCT)这种先进的纳米诊断技术，每 秒钟能完成生物体内活细胞的动态成像2000次， 以此来观察活细胞的动态。在发现单个细胞病变 的同时不伤及正常细胞，其分辨率可达1微米级。 运用超顺磁性氧化铁纳米粒子脂质体，则可以诊 断直径3毫米以下的肝肿瘤。
大小 生物相 容性
.
纳米技术的优势
靶向定 位能力
大小
纳米技术最显而易见的优点就是它的大小。纳米级的 装置或者其主要部分与生物体的大小基本相当（如图1 所示）。纳米粒子直径< 20 nm, 可以自由进入血管壁, 例如磁性纳米粒子,可以用来对扩散到淋巴结的病症进 行成像。此外, 纳米粒子小到能够避免脾脏和肝脏吞噬, 用它来输药能大大延长药物的代谢周期。另一方面,尽 管纳米粒子非常微小,但是它们已经足够容下几万个原 子和小分子, 例如核磁共振造影剂钆( gadolinium, 原 子序64, Gd) ,从而为观察早期肿瘤的发生及一些其他疾 病提供了更高的敏感度。
纳米技术在医疗成像中的应用
图2 不同长短轴比率的金纳米棒的SPR图, LSPR峰随金纳米棒的长短轴比率增加而红移
金纳米棒在医疗成像中的应用实例一
2005 年美国 Purdue 大学的研究人员 Wang 等将 金纳米棒颗粒注入实验鼠体内 , 在其流经血管时 , 利用双光子成像技术(TPL)透过皮肤得到了血管结 构的原位图像(见图3)。记录的图像比传统荧光染 料法明亮得多,单个金纳米棒颗粒比单个罗丹明6G 分子（一种荧光染料，邻苯二酚类）发出的双光 子荧光要亮58倍。
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纳米技术在医疗诊断、 成像方面的应用
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主要内容
前言
纳米技术的优势 纳米技术在医疗成像中的应用 纳米技术在医疗诊断中的应用 纳米技术在医疗方面的发展趋势
前言
长度仅为 1~ 100 nm 的纳米装置能够自 由进出人体细胞, 与以往的诊断和治疗手 段相比具有体积小, 生物相容性好和器官 靶向能力强等优势, 为生物医学研究提供 了新的多功能平台。如纳米载体则能够 大大提高靶向释药的剂量和精确度以及 降低毒副反应 , 从而在人体无创的状态下 更有效地治疗肿瘤。
纳米技术在医疗方面的发展趋势
科学界与医学界正合力研究应用纳米技术诊治人 类三大重症：
A
Group
B
Group
C
Group
恶性肿瘤
心血管疾病
糖尿病
并已初见成效。
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图1 纳米粒子的相对大小
生物相容性
对纳米粒子表层进行化学修饰可增强其溶解能力和生物 相 容 性 。 在 纳 米 粒子 表 面 附着 亲 水 多聚 物 , 如聚 乙 二 醇 ( polyethylene glycol, PEG) , 可以大大改善纳米粒子的 亲水性能 (即溶解能力 ) 和在体内的相容性 , 同时还可保护附 着的蛋白免受体内酶的降解。没有任何表面修饰的纳米粒子 当被注射到血管内时 , 会很快被血管中的网状内皮组织系统 清除 , 而表面带有亲水基团的纳米粒子更不易被调理和被巨 噬细胞清除 , 因此具有更长的半衰期。纳米粒子的表面电荷 也能影响它的生物相容性和穿越生物体内屏障的能力。纳米 粒子的生物相容性优势将大大推进药物的发明与制造。美国 食品与药物管理局( FDA)现已批准使用和投入市场的就有若 干种类的分子实体, 其中有目前应用最为普及的为脂质体。 脂质体（Liposome) 是一种定时定向药物载体，属于靶 向给药系统的一种新剂型。