超顺磁氧化铁纳米粒在慢性肝病中系统毒理学评价及其应对方法的研究

Superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPION) as contrast agents have great potentials in the tumor diagnostics and theranostics. However, high levels of iron overload have been persistently observed in the liver and spleen with various kinds of SPION. It has been shown that iron overload is a risk factor in the chronic liver diseases such as non-alcohol related steatosis. Due to the potential oxidative damage by the elevated lipid peroxidation, there has been safety concern of SPION in cancer patients with chronic liver diseases, especially liver cancer patients. Therefore, there is an urgent need for a full assessment of SPION safety in the chronic liver diseases that will guide the clinic usage of SPION in patients with complications. In this research proposal, a systems toxicology approach will be used to assess changes of potential biomarkers induced by SPION at cellular, tissue, organ and systems levels in the chronic liver disease models. In addition, the systems toxicology analysis will be used to validate solutions to reduce the safety risk of SPION by surface modification to enhance the excretion from the kidney in the chronic liver diseases.

超顺磁氧化铁纳米颗粒（SPION）作为对比剂，在肿瘤早期磁共振影像诊断和诊治一体化的应用中有着独特的优势。目前，SPION所导致肝脏和脾脏中铁过载是一个普遍状况。铁过载在慢性肝病如非酒精性脂肪肝中产生脂质过氧化物造成的肝损伤，是导致肝炎和肝硬化的高风险因素之一。这对于有慢性肝病的癌症病人尤其是肝癌病人，有着更高的潜在风险。而SPION在慢性肝病中，还没有一个体系化的安全评价和预测方案。因此建立一个评价和预测体系能为SPION在临床应用的安全性，提供指导性的依据。本项研究的内容是以系统毒理学分析方法为手段，考察SPION在不同慢性肝病模型中导致相关系统、器官、组织和细胞中生物分子指标的变化，来建立在慢性肝病中安全性的评价和预测方案；并对以表面修饰SPION来加强肾脏代谢外排的安全性优化方案进行评价，从而为SPION的临床安全应用提供依据。

在本项目实施过程中，我们基于已累积的工作以及考虑到氧化铁纳米对比剂在体内产生铁过载对慢性肝病的潜在毒性，提出了一个在体内实施超顺磁氧化铁纳米对比剂安全有效途径的新思路。在随后的项目实施过程中，我们围绕这一新思路，通过肿瘤模型、肝病模型以及体外肝细胞模型进行了充分有效的验证，这一思路对于SPIO在临床肝癌早期医学诊断转化上有着重要的意义。首先，我们针对肝肿瘤组织不同于慢性肝病组织的一个显著特征即其特有的酸性微环境，设计了肿瘤酸性微环境靶向的超顺磁氧化铁纳米MRI对比剂，研制并验证了新型肿瘤酸性微环境靶向的超顺磁氧化铁纳米簇是一种有效增强肝癌早期诊断并能显示肝硬化组织的体内对比剂，其在慢性肝病中安全系数高。其次，通过本项目的实施，我们摸索、建立并优化了一个可用于正常和肝硬化小鼠肝脏的原代肝细胞和原代肝Kupffer细胞提取、分离和培养的整体方案. 并建立了体外正常和肝硬化的小鼠原代肝细胞毒性评价体系。鉴于SPION能作为有效脑胶质瘤早期诊断MRI造影剂的应用，我们根据血脑屏障的特点，提出并验证了改变注射途径如椎管给药可绕过肝脏对SPION的首过效应，从而避免SPION可能引起慢性肝病中铁过载的可能，并揭示了椎管注射的SPION被直接排除体外这一特殊的临床代谢途径现象。最后，我们建立了非酒精性脂肪肝炎小鼠模型并揭示了其本身为可逆性过程，这为SPION纳米对比剂及其它纳米材料安全性评价方案的设计提供了新的实验依据。