基于磁性纳米颗粒的特异性靶向乳腺癌磁感应增强红外热成像研究

Medical infrared thermography is a technique for medical imaging to detect the IR radiation of human body and convert it to temperature profile of human skin. Thermography is considered as a physiological imaging test compared to anatomical imaging test such as ultrasound, CT,MRI and mammography. Application of thermography in suspected malign breast disease holds great promise in detecting early cancer. Although IR thermography has many advantages for temperature screening, detection of deep and small tumors will result erroneous data and low accuracy. This proposal suggests using breast tumor-specific magnetic nanoparticles as thermal markers to improve the current tumor detection ability of thermography. The tumor-specific magnetic nanoparticles will generate heat when subjected to an alternating magnetic field; this heat can enhanced the hot-spot of thermography and make hyperthermia effect to tumor. Targeted delivery of magnetic nanoparticles to a tumor site will be accomplished by size-controllable preparation, surface-modification and conjugating targeting molecules. A methodology using artificial neural network (ANN) and genetic algorithm (GA) will be developed to estimate the depth, size, and heat generation rate of an embedded tumor in the breast, based on temperature profile on the surface that may be obtained by infrared thermography.

医用红外热成像测温技术是基于红外辐射原理，探测人体自发的红外辐射，将体表温度信息转变为可视、可定量的红外热像图的影像技术。医用红外热成像是一种对于人体温度的功能影像，可与US、CT、MRI等结构影像互补，用于乳腺癌的早期检测，但对于埋藏较深和较小的肿瘤，相对低的灵敏度仍然是其需要突破的关键。本研究拟将磁性纳米材料作为“照影剂”特异性靶向肿瘤部位，通过交变磁场进行磁感应加热，提高瘤区温度，从而达到对乳腺癌的红外热成像增强，并同时进行热疗的作用。我们通过尺寸、表面修饰和靶向分子修饰来调控磁性纳米颗粒的体内输运行为，减少肝脾等脏器的对磁性纳米颗粒的截留，实现磁性纳米颗粒对乳腺癌细胞的特异性靶向。对于获得的磁感应加热过程中的动态红外热图，由有限元法进行生物传热计算，通过基于人工神经网络和遗传算法进一步获得肿瘤的位置、深度、大小等信息。

对于乳腺癌的磁感应热疗而言，如何实现经静脉主动靶向并提升治疗效果，如何对热疗过程和热剂量实现影像的精确指导、温度预测和实时监控等，其中都蕴藏着很多基础科学问题和关键核心技术急需突破。.首先如何获得稳定的高性能磁性纳米材料一直是其磁感应热疗的研究热点。本课题中，我们探索了微波辅助高温热解的方法来制备磁性纳米颗粒，获得了单分散性好，磁热性能优秀的磁性纳米颗粒，并对不同粒径磁性纳米颗粒的磁热机制和微波吸收机制进行了探讨。其次，随着纳米靶向给药技术的发展，通过静脉给药将纳米颗粒尤其是磁性纳米颗粒高效靶向到肿瘤区域，是目前国际纳米颗粒生物医学应用的热点和挑战。这里，我们构建了同时偶联RGD分子和葡萄糖分子的双靶向磁性纳米探针，并应用这种双靶向探针并结合磁靶向，对小鼠乳腺癌肿瘤进行磁共振成像和磁感应热疗，取得了最佳的磁共振对比增强成像和肿瘤抑制效果。进一步我们探索了磁感应热疗在常规温热疗法下肿瘤治疗新方法，即在磁性超分子凝胶中引入了纳米酶提升肿瘤组织氧化应激水平的治疗策略，以单一磁性纳米颗粒发挥磁热和纳米酶双重功效来协同治疗肿瘤，获得了显著的治疗效果，42°C温热疗即可成功消退小鼠乳腺癌皮下瘤。这种协同治疗方案为肿瘤热疗提供了强有力的工具。.我们利用红外热成像仪成功记录了凝胶组织模型模拟的荷瘤组织在交变磁场作用下的磁感应加热的动态过程，并进行了有限元建模和计算。实验结果和理论模拟结果取得了很好的一致性。我们提取了动态加热过程中红外热像图的若干与时间相关的特征变量，并通过数据拟合，获得了肿瘤的位置大小等参数与这些特征变量之间的经验方程，为红外热成像应用于磁感应热疗的温度场分析打下了很好的基础。.