新型上转换纳米复合材料用于PET/MRI/UCL多模态分子成像的探索研究

In multimodality molecular imaging, it is still challenging to obtain a simple molecular probe with easy construction. This study builds a platform of core-shell upconversion nanocomposites with Fe3O4 nanoparticle as core for MRI imaging, upconversion nanophosphors as shell for upconversion luminescence imaging, and labeled 18F for PET imaging. The 18F labeling of upconversion nanocomposites is achieved by their strong coordination with rare earth conveniently. Then the physical, chemical and biological characteristics are overall analyzed. In vitro study, the changes of MRI signal intensity, luminescence intensity and cellular uptake kinetics are investigated. In vivo study, the capability of PET/MRI/UCL multimodality imaging is initially explored in tumor-bearing nude mice model. Nowadays multimodality probes are still in the early stage of development in China and abroad, the platform of upconversion nanocomposites will break through the barriers of constructing multimodality probes and open up a new way for development. This innovative research will integrate PET/MRI/UCL three modalities to realize advantageous complementarities. This will meet the requirements of space, time, sensitivity and quantitation, providing much more redundant anatomy and molecular information to clinic, which has good prospect for development and clinical application.

多模态分子影像中，构建简单易得的分子探针十分重要。本研究构建了新型上转换纳米复合材料，利用四氧化三铁纳米粒的磁性能和优异的上转换发光性能（UCL）用于MRI/UCL显像；利用氟离子与稀土金属之间较强的配位作用，简单、快速地实现放射性核素18F的标记，用于PET显像。全面考察探针的理化特性和生物学特性。体外研究分子探针的磁共振强度变化、荧光强度、核素标记后细胞摄取动力学；活体内初步探索荷瘤裸鼠模型的PET/MRI/UCL多模态显像。目前国内外多模态分子探针的开发仍处于早期发展阶段，上转换纳米复合材料平台的建立可突破多模态分子探针构建的重重困难，将为多模态分子探针开辟新的发展道路。这一创新性研究将PET/MRI/UCL三种成像模式进行有机结合，同时满足空间/时间分辨率、灵敏度等多方面的要求，实现优势互补，完美融合结构组织与分子功能的信息，具有良好的临床发展前景。

多模态分子影像中，构建简单易得的特异性靶向分子探针是“灵魂”。然而乳腺癌由于其高度异质性，特别是三阴性乳腺癌目前无有效特异性靶点，使得分子探针的设计和制备十分复杂困难。本研究提供一种将仿生细胞膜和上转换纳米复合材料相结合进行乳腺癌靶向显像的新思路。创新将细胞膜涂覆于上转换纳米材料表面，即保留了细胞膜复杂的生理功能，又融合了上转换纳米粒独特的物理化学性能，利用了细胞膜免疫逃逸和同源靶向的特点，可有效解决了三阴乳腺癌特异性靶向的难题；利用上转换优异的上转换荧光、磁性能和放射性标记可进行多模态显像。. 本研究首先制备了红细胞膜涂覆的上转换纳米复合材料，经红细胞膜修饰后纳米粒好像穿上了一件“隐身衣”，能够有效逃逸巨噬细胞的摄取。活体内PET/MRI/UCL显像均显示肝脾内的摄取较未修饰的上转换纳米颗粒显著性降低，表现出优异的免疫逃逸的作用。为了增加探针的靶向性，我们继而在上转换纳米粒的表面涂覆了一层MDA-MB-231三阴性乳腺癌细胞膜（CC231-UCNP）。激光共聚焦实验中CC231-UCNP同源靶向MDA-MB-231细胞，且能够在不同亚型乳腺癌细胞中精准识别MDA-MB-231细胞。我们构建了两种不同分子分型的乳腺癌荷瘤模型用于活体PET/UCL显像，结果显示CC231-UCNP显著性同源靶向MDA-MB-231乳腺癌荷瘤模型，肿瘤部位放射性高度浓聚且48h时仍显示较强的荧光。而MCF-7乳腺癌荷瘤模型中，肿瘤部位无明显放射性摄取，且12h后已无荧光信号。. 本课题研发一种细胞膜修饰的上转换纳米粒能够高度特异性靶向三阴乳腺癌进行多模态显像，将可能为临床上三阴乳腺癌的特异性诊断提供一种简单有效的解决方案，同时初步验证CC231-UCNP可识别不同分子分型的乳腺癌模型，将有可能在乳腺癌无创分子分型方面发挥巨大的潜力。