癌症早期诊断与精准治疗一体化光开关型上转换纳米光敏剂及其应用研究

The diagnosis and treatment of cancer at early stage, especially for the selectively modulating diagnosis and treatment, improving the precision of treatment and reducing the side effect is a big issue. This project is aiming at construction of NaErF4@NaYF4@NaYbF4:Tm3+@NaYF4photoswitchable upconversion nanophotosensitizer (USWC-Ps), which can be used for CT and fluorescent imaging dual mode imaging guided diagnosis and PDT of cancer at early stage, based on the combined properties of NaErF4 system possessing the quasi-monchromaticity upconversion 650nm emission under excitation of 800nm, NaYbF4:Tm3+ system using as a donor to activate the photosensitizer under excitation of 980nm, as well as Yb3+ enhancing the CT imaging. According to detailedly studying the relationship between energy transfer process, photoswitchable property and singlet oxygen generation, and evaluating the modulation the diagnosis and treatment influencing on the PDT curative effect, we will reveal the rule of the interaction between USWC-Ps and cells effecting on the theronostic efficacy, establishing a new strategy of Diagnosis and treatment integration.

癌症早期光动力学诊断和治疗，尤其是一体化诊疗的选择调控，提高治疗精准度和降低副作用是医学领域的难题。本项目基于NaErF4体系可用低生物光热的800nm激发用于高清成像的上转换准单色650nm红光、980nm激发NaYbF4:Tm3+产生强上转换蓝紫光敏化光敏剂和Yb3+增强CT影像的性质相结合，构建CT和荧光双模成像的癌症早期诊断与精准治疗一体化的光开关型NaErF4@NaYF4@NaYbF4:Tm3+@NaYF4上转换纳米光敏剂（USWC-Ps）。在800nm/980nm选择激发下，研究USWC-Ps与组装光敏分子之间的能量传递，光开关特性与调控光敏分子单线态氧产率的关系，诊疗功能转换与肿瘤精准光动力治疗功效的评价。将重点揭示USWC-Ps光子能量调控与单线态氧产率的关系及USWC-Ps与细胞相互作用对成像和治疗功效影响关系，为建立癌症一体化早期诊断和治疗新方法提供研究基础。

本项目旨在建立癌症一体化早期诊断和治疗新方法，取得了如下研究进展：(1) 构筑了系列异质外延核壳结构NaErF4@NaLuF4及其相关衍生物NaErF4：Tm@NaLuF4（Ln = Y, Lu, Gd）。系统研究了不同界面应变与外部压力引起的晶格收缩对UC的发光特性和对压力机械敏感性的调节作用。 (2)构筑了NaErF4@NaLuF4核壳纳米载体，并在其表面搭载光敏分子Ce6，构筑上转换纳米光敏剂。用于近红外二区1530nm荧光、CT、MRI多模态成像引导的肿瘤光动力治疗。（3）除了开发NaErF4基上转换纳米材料之外，我们还开拓了LiErF4基上转换纳米材料。通过LiYF4惰性壳层的包覆，获得了LiErF4@LiYF4四方相核壳纳米结构在808nm, 980nm, 1530nm多激发下的近单色650nm红光发射。开展了LiErF4@LiYF4基质材料在生物检测方面的系列研究工作。(4) 成功制备了的六方相核壳结构蓝紫光光开关型复合纳米载体NaErF4@NaYF4@NaYbF4:0.5%Tm3+@NaYF4，元素Mapping也证实了各个功能壳层的形成。光谱结果表明，该材料在800nm激发下，仅能获得核中NaErF4的位于650nm处的红光，在980nm激发下，除了NaErF4位于650nm处的红光之外，还能获得壳NaYbF4:0.5% Tm3+中，Tm3+离子的蓝紫光。通过980nm激发波长的开和关，调控蓝紫光的出现和消失。基于该载体构筑了智能纳米光敏剂，用于一体化诊断和治疗的分别调控。(5)受蓝紫光光开关材料的启发，成功构筑了绿光光开关型复合纳米载体NaErF4@NaLuF4@NaYF4:20%Yb,2%Er@NaLuF4，当激发波长从808nm移到980nm时，荧光发射从红色切换到绿色。这种结构表现出高质量、独立和互不干扰的正交发光特性，并展示了其在防伪方面的应用。(6) 上述方面的研究累计发表SCI论文21篇，其中中科院一区论文15篇，专利7项。培养博士研究生2名，硕士研究生4名。