肿瘤是组织细胞由于致瘤因素的反复刺激,导致其生长和分化在基因水平上失控,进而出现克隆性增殖的一类疾病。其中侵袭性强且进展迅速,易于扩散转移的肿瘤称之为恶性肿瘤,即人们通常所说的癌症。现阶段,全世界恶性肿瘤的年增长病例已达1400万之多,因此而死亡的人数每年达到800万。而作为人口大国的中国,其癌症死亡数量更居于世界首位。恶性肿瘤的发病率和死亡率不断上升,而传统的治疗方法,如手术治疗、放疗和化疗,却都很难达到满意的疗效。而且恶性肿瘤起病隐匿,进展迅速,但至今又没有一个完善的、能够早期无创性的肿瘤监测手段。这种现状迫使人们不断努力去探索更为有效的肿瘤诊疗策略,以期能够达到对于恶性肿瘤的早期诊断,并在此基础上进行高效、微创、靶向性治疗的目的。目前,纳米技术已被公认为21世纪支撑人类进步的核心技术之一。随着科学技术的不断进步,纳米技术在多学科交叉中展现出了巨大的生命力。纳米技术的出现及发展也给当代医药学带来了一场前所未有的革命,随着研究的不断深入,纳米技术在医学领域中已逐渐显现出了巨大的应用价值。上转换纳米材料具备将低能量近红外光转换为高能紫外、可见、近红外光的特性。这一特点使其在生物医学领域中拥有了其他光学材料所难以比拟的优势,如无光漂白、背景干扰小、以及较深的组织穿透深度、组织损伤性小等特点。同时上转换纳米粒子自身还有较高的化学稳定性和低毒性。以上特性使得科研工作者逐渐认识到了上转换纳米粒子在生物医学领域中广阔的应用空间。现阶段,科研人员已经在多个生物医学领域,如生物成像、生物传感、光动力学治疗、光热治疗、药物输送等方面对其开展了广泛的研究。与此同时,人们也注意到了上转换纳米粒子在生物医学应用中所面临的一些问题。例如,如何提高它的肿瘤靶向性;如何提高其在光动力治疗中单线态氧的产量从而获得更佳的治疗效果;如何能够在提高诊断及治疗效果的同时将它的生物毒性降到最低;以及如何解决单线态氧产量与高对比度成像之间的矛盾,进而实现上转换纳米光敏平台的肿瘤靶向成像和光动力学治疗有机的结合等。本研究中,我们围绕着构建诊疗一体化上转换纳米光敏平台这一线索,每一步都立足于未来临床实用性所需的条件,重点研究了其在生物安全性、诊断特异性以及治疗的高效性和靶向性等方面的特性,进一步拓展了恶性肿瘤的诊疗策略和方向。【方法】(1)以高温热分解法合成Na YF4:Yb3+,Er3+上转换纳米粒子,以配体交换法实现上转换纳米粒子(UCNPs)从油相到水相的转变。用透射电镜(TEM)对裸UCNPs、UCNP-AEP、UCNP-PAA、UCNP-PAAm进行径粒和形貌的表征;对裸UCNPs以及其他三种不同配体修饰的UCNPs进行红外光谱分析;并对它们进行了动态光散射粒径和Zeta电位的分析。(2)通过MCF-7人乳腺癌细胞和NIH-3T3小鼠成纤维细胞,以共聚焦成像和标准MTT分析方法,系统的分析探讨了不同配体修饰的上转换纳米粒子的细胞富集性和细胞毒性。(3)通过表面壳层包覆,构建核壳结构的Na YF4:Yb3+,Er3+/Na YF4:Yb3+,Tm3+纳米粒子,进一步提高了上转换发光效率;应用配体交换法进行相转移;应用共价偶联的方式加载C60MA光敏剂,增加了C60MA的稳定性和装载量,缩短了能量传递距离,进而提高了单线氧产量;PEG的修饰降低了细胞毒性,增加生物相容性。进而构建出了诊疗一体化上转换纳米光敏平台。(4)对于所构建的集诊断与治疗为一体的多功能上转换纳米平台,分别从对恶性肿瘤的诊断方面、治疗效果方面以及生物安全性等方面,进行了系统的研究。根据在细胞水平上,以及在体肿瘤中的成像和光动力杀伤实验的结果,借助辅助检查手段,对小鼠的诊疗情况以及纳米光敏平台的生物安全性作出了客观的评价。【结果】(1)通过对四种上转换纳米粒子的尺寸形貌性质表征,可以看出Na YF4:Yb3+,Er3+上转换纳米粒子具有分散性良好、粒径分布均一、发光效率高等特性。并且经过表面修饰后的UCNPs,显示出极好的稳定性,具有良好的水溶性。(2)四种具有不同表面配体和电荷的Na YF4:Yb3+,Er3+(裸UCNPs、UCNP-AEP、UCNP-PAA和UCNP-PAAm),虽然它们的大小尺寸、水溶性以及上转换发光效率都很相似,但它们的细胞摄取行为以及细胞毒性却迥然不同。UCNPs-PAAm具有最高的细胞摄取率,而且还有较高的细胞毒性。(3)在980nm的连续波光源激发下,核壳Na YF4:Yb3+,Er3+/Na YF4:Yb3+,Tm3+UCNPs的上转换发光(UCL)同时出现在450nm,475nm,540nm,650nm和808nm处。在这些光带中,808nm发射可用于高对比度的近红外荧光成像,而除808nm以外的其他波段,都能够将激发能量传递给富勒烯(C60MA)分子,从而触发光动力治疗,进而成功地实现了生物成像诊断和光动力治疗二者有机的结合。(4)在对恶性肿瘤的诊断方面、治疗效果方面研究中的结果表明,集诊断与治疗为一体的多功能上转换纳米平台,不但实现了单一波长激发下高对比度成像引导的光动力治疗,而且还表现出了较高的非侵入性的检测灵敏度,以及较高的肿瘤靶向性和治疗高效性。在生物安全性方面的研究结果表明,上转换纳米光敏平台介导的诊疗手段,对于生物体的主要脏器及血液系统无毒副作用,具有很高的生物安全性。【结论】以核壳Na YF4:Yb3+,Er3+/Na YF4:Yb3+,Tm3+UCNPs为基础,以富勒烯(C60MA)为光敏剂的上转换纳米平台,可以解决光动力治疗所需的较高的单线态氧产量和同时进行清晰的、高对比度的荧光成像之间存在的矛盾。其在满足治疗的同时,可以实现单一激发波长下的808nm成像,完全可以获得高对比度成像引导的光动力治疗,能够成功地实现生物成像诊断和光动力治疗二者有机的结合。在对于恶性肿瘤的诊断治疗的具体应用中,NCUPs(Yb,Er,Tm)-C60MA上转换纳米光敏平台具有敏感的诊断特异性,治疗靶向性和高效性,以及很高的生物安全性。