不同粒度、表面电性及功能分子修饰的超顺磁性氧化铁纳米粒子在大鼠脑内的分布及在射频磁场中的应用探索

Nanomaterials offer tremendous opportunities for biomedical research, the investigation on the distribution, clearance, degradation and long-term fate of nanomaterials in vivo is indispensible. The design, preparation and characterization of superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) with different properties will be implemented in this project. SPIONs with different sizes, surface charge and functional modifications will be perfused in different locations in the cerebral cortex, substantia nigra and ventricles of SD-rats. By TEM morphologies, EDX and ICP-OES analyses of the ex vivo tissue samples combining with the magnetic resonance imaging (MRI) analyses in vivo, the macroscale diffusion and distribution of the SPIONs in the cerebral cortex, hippocampus, striatum, amygdala, cerebellum, etc. and the microscale distribution of the SPIONs in extracellular interstitial fluid, cerebrospinal liquid, glia, soma and fibers of neurons and synapses at different time will be investigated. The regulation on the distribution of the SPIONs in rat brains will be fulfilled by the control of the properties of the SPIONs. On this basis, we will explore SPIONs modified with phospholipid or RGD targeted to the plasma membrane of cells expressing TRPV1, and heated by a radiofrequency magnetic field on the movement control of SD-rats. This project will lay the foundation for the application of nanomaterials in the investigation of brain structures and functions and in the treatment of brain diseases.

纳米材料在生物医学研究中面临着巨大的机遇，研究纳米粒子在体内的分布、清除、退化及长期的命运是必要的。本项目设计、合成及表征不同性能的氧化铁纳米粒子，采取不同位置大脑皮层、脑室及黑质灌注工艺，将不同粒度、表面电性和功能分子修饰的氧化铁纳米粒子注入SD大鼠脑内，以透射电镜观察及ICP-OES进行体外组织分析结合磁共振成像技术，研究不同时间阶段氧化铁纳米粒子在大脑皮层、海马、纹状体、杏仁核、小脑等区域的宏观上的扩散分布，在细胞外组织液、脑脊液、胶质细胞、神经元胞体，神经纤维上及突触连接处微观上的分布。揭示不同粒度、表面电性和功能分子修饰的氧化铁纳米粒子在大鼠脑中分布规律。通过控制氧化铁纳米粒子的性能，调控氧化铁纳米粒子在脑内的分布。在此基础上，探索利用射频磁场作用于磁性纳米粒子对大鼠运动行为进行控制的方法。本项目将为纳米材料应用于脑结构与功能研究及脑疾病治疗建立基础。

本项目目的是研究超顺磁性氧化铁纳米粒子（SPIONs）在神经组织的亚细胞分布，希望使纳米粒子能够分布于细胞膜上或细胞膜附近，以用于外磁场触发细胞通道的研究。合成了不同修饰（PEG/PEI (聚乙二醇，polyethylene glycol，PEG，聚乙烯亚胺，polyethyleneimine，PEI)、DMPC磷脂、RGD多肽、白蛋白(BSA)、谷胱甘肽(GSH)、链霉亲和素及细胞外基质）的氧化铁纳米粒子。采用自动微量注射泵及脑立体定位仪在大鼠或小鼠脑内黑质区注入氧化铁纳米粒子，研究了不同修饰的氧化铁纳米粒子在鼠脑内亚细胞层面的分布。通过比较PEG/PEI、马来酸苷(MAL)、DMPC、RGD及BSA修饰的SPIONs在大鼠脑内黑质的分布，可以得出结论：纳米粒子的表面修饰物对纳米粒子在脑内的分布具有关键作用。选择谷胱甘肽修饰的SPIONs通过脑立体定位注射到SD大鼠的黑质区域。GSH-SPIONs在鼠脑中分布的TEM超微结构图显示，GSH-SPIONs主要被囊泡包裹分布在轴突、胞体及线粒体。研究了链霉亲和素(SA)修饰的SPIONs，在利用腺病毒转染荧光标记神经元的小鼠脑内，脑立体定位在鼠脑黑质注射生物素，24 h后注射FITC标记的链霉亲和素修饰的氧化铁纳米粒子FITC-SA/PEI-SPIONs，用激光共聚焦显微镜发现大量氧化铁纳米粒子在小鼠脑黑质内神经元膜上分布。研究了表面修饰不同的细胞外基质（透明质酸HA和硫酸软骨素CS）的氧化铁纳米粒子在大鼠脑内的分布。合成了细胞外基质修饰后的纳米粒子，将两种纳米粒子立体定位注射到大鼠脑内的黑质部位，TEM分析表明：硫酸软骨素修饰的纳米粒子主要分布在细胞的间隙中。这些特殊修饰的氧化铁纳米粒子可作为脑内疾病治疗的药物载体，通过靶向细胞膜、线粒体或轴浆运输途径发挥药物输运作用，在外磁场中作用于膜上细胞通道，治疗神经系统疾病。发表文章18篇，申请中国发明专利4项，与本项目相关的研究获得广西自然科学三等奖1项。培养毕业硕士研究生8名。