基于相变型中空碳纳米粒的乳腺癌前哨淋巴结超声/MRI显像机制研究

Precise diagnosis of sentinel lymph node (SLN) in breast cancer and intraoperative guidance with dye tracer is the imperative requirement for the minimally invasive surgery of breast cancer. Contrast-enhanced ultrasound (CEUS) is a promising tool for the preoperative detection, however, due to the limitations of common contrast agent, such as the short period of enhancement, the lack of intraoperative tracing function, and the weakness in spatial orientation and deep tissue imaging, CEUS technique hasn’t been widely used. Inspired by our preliminary finding of the hyperechogenic feature of carbon nanomaterials, as well as the transport pathway of clinical used lymph node tracer carbon nanoparticles suspension injection, the aim of this applying project is to prepare a multimodal contrast agent based on hollow carbon nanoparticles loaded with liquid fluorocarbon and superparamagnetic iron oxide (Fe3O4). The biocompatible nanoparticles contrast agent won’t enter the blood and will be eliminated with lymph node dissection. In this study, using the research methods of molecular biology and material science, we will investigate the joint functions of contrast-enhanced ultrasound/MRI imaging and intraoperative tracing of the SLN based on the unique multimodal hollow carbon nanoparticles contrast agent. Besides, we will clarify the mechanism of the phase transformation, transport and synergistic mechanism and biological safety of contrast agent. At the meanwhile, the study will establish the in vivo and in vitro evaluation system. Finally, this project will provide an important experimental basis for the transformation of new nanoparticle contrast agents to breast cancer sentinel lymph node in clinical application.

乳腺癌前哨淋巴结的精准诊断及术中示踪对于引导乳腺癌微创治疗有重要意义。超声造影是一种有前途的术前诊断工具，但目前常用的造影剂存在造影时间短、不能术中示踪等缺点，并且缺乏三维立体空间定位和深部组织显像功能，限制了其广泛应用。本项目在前期工作中已证实的碳纳米粒高回声特性基础上，参考临床广泛应用的术中淋巴结示踪剂卡纳琳（纳米炭混悬注射液）的引流模式，提出采用中空结构的碳纳米粒装载液态氟碳并耦连超顺磁Fe3O4制备超声/MRI多模态造影剂的设想。该造影剂不进入血液循环且可随淋巴结清扫而清除，生物安全性良好。在研究中我们将利用分子生物学和材料科学的手段，研制既能增强术前超声/MRI显像又可术中示踪的一体化造影剂，并阐明多模态造影剂的磁致相变原理、转运与增效机制及其生物安全性，建立切实可行的体内、外评价体系, 为新型纳米粒造影剂向乳腺癌前哨淋巴结临床应用的转化提供重要的理论和实验依据。

本申请项目的工作内容主要是构建一种以中空碳纳米粒装载液态氟碳为主体的多模态医学影像造影剂，通过体外和体内影像学实验研究新型纳米造影剂经淋巴管向前哨淋巴结的输送性能，及其超声/MRI增强显像效果与术中染色示踪的特性，优化造影材料的制备条件，探讨其相变触发及显像机理，最终为其用于临床乳腺癌前哨淋巴结的早期诊断和术中定位提供重要的实验依据。工作内容大致分为以下几个方面：1. 中空结构碳纳米粒载体及相变造影剂的可控制备；2. 造影剂超声造影效果及相变触发机制研究；3. 造影剂多模态显像及示踪效果评价。根据实验设想，课题团队首先以粒径均一的二氧化硅纳米粒为模板，通过碳前驱体热聚合后刻蚀去除模板的方法，制备出稳定负载Fe3O4的中空碳纳米粒材料，纳米粒平均粒径约150nm，粒径均一，形貌规则，分散性良好。在此基础上，课题组应用冷冻干燥液压法实现了碳纳米粒的液态氟碳灌注，制备出了能够满足后续实验中超声/MRI双模态成像需求的造影剂。该造影剂进行了体外超声造影及温度、红外、超声触发实验，发现造影剂在诊断超声模式下即可呈现高回声，且在24/48/72h后无明显减弱，证实了碳纳米粒外壳稳定的高回声特性,是造影剂长效显影的基础；而在升温、红外照射、低频超声辐照等条件下，由于液态氟碳气化，造影剂回声进一步升高（图2），则为体内靶向触发显影奠定基础。在材料制备条件探索成熟之后，我们在细胞和动物层面验证了材料的生物安全性。在体成像实验部分，我们在裸鼠及新西兰大白兔动物模型上开展了在体超声增强显像和MRI显像功能的研究，以及淋巴结超声造影/黑染示踪功能的研究。总的来说，通过系统的研究工作，我们实现了项目设想：1）采用新型的碳纳米材料作为造影剂载体，研制出安全、高效的靶向超声造影剂，并取得良好的可控相变触发效果和联合显影效果。2）阐明靶向造影剂在向乳腺癌前哨淋巴结传送和术前术中显像示踪机制，获得优化参数，建立其方法学。在未来的工作中，我们将充分利用碳基造影剂的多功能性，实现多种功能间的调和和协同，为多功能生物医药诊疗提供一个拓展潜力巨大的平台。