新型稀土氟化物@Cu2-xS多功能短波红外光学/光声纳米探针的构建及在肿瘤探测和光热治疗中的应用

Construction of high sensitivity nanoprobes with combination of multimodal bioimaging and therapy function is the key factor for realizing tumor detection and treatment. Rare earth based nanoprobes present excellent short wavelength infrared (SWIR, NIR II) emission, which possesses higher tissue-penetrating depth and higher imaging resolution compared with the upconversion near-infrared emission. However, most of the rare-earth based nanoprobes were developed by utilizing the traditional near-infrared light as detection information. Therefore, in this project, we intend to construct new type of NaLnF4:Yb/Er@Cu2-xS core-shell nanostructures, by incorporating the excellent SWIR 1525 nm emission of rare earth and photoacoustic/photothermal properties of Cu2-xS system to form a new multi-modality theranostic nanoplatform. The structure and optical properties of core-shell nanomaterials can be modified by adjusting the reaction parameters and doping concentration. Systematically study the influence of structure of nanocrystals on the optical and photothermal properties. Demonstrate the biodistribution of nanoprobes by using the new type of multi-modal SWIR optical/photoacoustic bioimaging, and clarify the relationship between size of nanoprobe and biodistribution and biological safety. Construct of a series of high sensitivity probes for diagnosis and photothermal therapy of tumor. Establish the foundation for the design, evaluation and bioimaging application of the new type of the theranostic nanoprobes.

高灵敏性多模式成像及治疗一体化纳米探针的构建是实现肿瘤检测及治疗的关键。稀土基纳米探针具有优异的短波红外发光，其相对于上转换近红外光，具有更深的组织穿透性和更高成像分辨率，然而目前关于稀土基纳米探针的研究主要集中在传统的近红外光学成像。因此，本课题拟构建新型NaLnF4:Yb/Er@Cu2-xS 核壳型纳米结构，利用稀土优异的短波红外1525 nm 发射及Cu2-xS体系的优异光声及光热特性构筑新型多模式诊疗一体化纳米平台；通过调节反应参数及掺杂离子浓度，实现核壳型纳米材料的结构及光学性质调制，系统研究纳米晶结构对材料发光及光热性能的影响；通过新型短波近红外光学/光声多模式生物成像揭示不同尺寸纳米探针的体内分布特性，阐明纳米探针尺寸与体内分布及生物安全性之间的关系；构建一系列高灵敏性纳米探针，实现其在肿瘤诊断及光热治疗中的应用。为该新型诊疗一体化纳米探针的设计、评价和应用奠定基础。

高性能光学成像探针的开发和构建是实现高灵敏、高分辨生物成像及疾病早期检测的关键。然而传统的光学探针主要利用可见及近红外光（<850 nm）来成像，极大地限制了其在肿瘤高灵敏性检测中的应用。因此，发展新型高灵敏性近红外二区（NIR-II，900-1700 nm）光学成像及治疗一体化纳米探针，实现肿瘤早期高灵敏检测及治疗将具有重要意义。基于此，本项目以稀土NaLnF4体系NIR-II发射材料和Cu2-xS光热材料为基础，提出构建新型集NIR-II区光学成像和光热治疗于一体的诊疗一体化复合纳米探针，实现其在肿瘤的高灵敏性分子影像诊断及光热治疗中的应用。为新型NIR-II光学诊疗一体化纳米探针的设计、评价和应用奠定基础。经过四年的努力，我们取得了如下研究成果：.（1）发展了通用的Ce离子掺杂调控策略，利用Ce/Er间交叉能量传递，有效抑制了上转换发光，极大地提高了稀土NIR-II区的1525 nm发射，构建了一系列高效NaLnF4 (Ln=Y、Lu and Yb) 基NIR-II光学纳米探针，实现了稀土内核的结构及NIR-II光学性能的调控，为开发新型高效率NIR-II稀土发光材料奠定了基础；.（2） 建立了非侵入性血管原位NIR-II高分辨成像的方法，实现了NIR-II光学引导的小鼠全身、脑部及肿瘤血管的高质量、高空间分辨（40 微米）成像，揭示了肿瘤周围血管的分布；实现了NIR-II光学引导的微小转移瘤(~ 3 mm)的实时追踪及成像指引的肿瘤手术导航，为实现肿瘤的高灵敏性早期诊断迈出了重要一步，为原位高分辨血管成像提供了新的方法；.（3）提出了一种通用的原位生长新策略，实现了在稀土内核上原位外延生长Cu2-xS量子点，构建了一系列NaLnF4:Yb/Er@Cu2-xS (Ln=Y、Lu and Yb) 诊疗一体化复合型纳米探针；系统探究了纳米探针的体内分布特性及结构依赖的NIR-II光学和光热性质，研制和开发出了高效、高安全、高灵敏的新型诊疗纳米探针，实现了肿瘤早期的高灵敏诊断及NIR-II成像指引的光热肿瘤治疗。为新型NIR-II光学诊疗一体化纳米探针的设计提供了新的思路。