随着纳米材料的发展,纳米材料已发展成为一门新的学科—纳米技术,其研究范围包括:(1)研究纳米材料的各种性质;(2)调控纳米材料的尺寸、形貌;(3)设计各种具有优异性能的纳米器件,并运用于物理、化学、材料、生物医学等学科领域。近十几年来,纳米材料在生物医学领域的应用尤其受到人们的关注,成为目前的研究热点之一,并已在药物输送、医学成像、基因传递、生物分子检测和组织工程学等方面取得了重要进展。这些纳米材料主要包括碳纳米管、量子点、金属纳米颗粒、脂质体、超支化聚合物等。在纳米材料的合成、修饰和自组装过程中,超支化聚合物起到了至关重要的作用,这主要是因为它们具有表面可修饰的功能基团,为纳米颗粒的多功能化提供了可能;或者可以作为模板包裹或稳定纳米颗粒。本论文主要基于超支化聚乙烯亚胺(PEI)高分子聚合物为纳米平台构建Computer Tomography(CT),CT/Magnetic Resonance(MR),Single Photo Emission Computed Tomography(SPECT)/CT等单模态或双模态造影剂用于疾病的诊断,或负载抗癌药物构建纳米药物缓释体系用于疾病的治疗。具体工作包括:(1)聚乙二醇化PEI包裹金纳米颗粒用于血池和肿瘤CT成像;(2)叶酸(FA)靶向的PEI包裹金纳米颗粒用于肿瘤靶向CT成像;(3)负载钆的聚乙二醇化PEI包裹金纳米颗粒构建CT/MR双模态造影剂用于血池和器官CT/MR双模态成像;(4)FA靶向的PEI负载钆包裹金纳米颗粒用于肿瘤靶向CT/MR双模态成像;(5)RGD多肽修饰的PEI标记核素99m Tc包裹金纳米颗粒用于原位肝癌靶向SPECT/CT双模态成像;(6)基于多功能PEI构建的纳米平台用于肿瘤的靶向治疗。本论文的主要研究内容如下:1)传统的医用CT造影剂是小分子的碘剂(如碘海醇),存在诸多不足之处,如血液循环时间短、成像时间窗较难把握、毒副作用大、无组织特异性等。与传统的小分子造影剂相比较,基于纳米颗粒的造影剂具有更长的血液循环时间,并且表面可功能化修饰,从而一方面降低材料的细胞毒性,另一方面赋予其组织特异性。由于金元素比碘元素具有更高的X-射线衰减系数,金纳米颗粒(Au NPs)具有更好的CT成像能力。因此我们在PEI表面修饰聚乙二醇(m PEG),用来提高纳米材料的稳定性和生物相容性,并以此为模板,利用硼氢化钠还原法,调控金盐与PEI投料摩尔比,合成一系列不同尺寸的Au PENPs(PEI-entrapped Au NPs)。所制备的Au PENPs粒径较小(1.9-4.6 nm)、分布均匀、晶格清晰,具有良好的胶体稳定性(金盐/PEI投料摩尔比小于300)和生物相容性,以及较长的血液循环时间(t1/2=11.2 h)。在相同的金或碘浓度下,该Au PENPs的X-射线衰减系数比碘海醇高。体内CT成像效果良好,静脉给药之后,我们能清楚地看见下腔静脉、左右侧肾静脉、骼总动脉等,并且成像时间较长,超过75 min。同时通过EPR(enhanced permeability and retention effect)被动靶向效应,也可用于皮下瘤的CT造影。通过组织分布和病理切片实验证实该Au PENPs可以逐步代谢到体外,具有良好的器官相容性。2)在上述研究的基础上,我们在Au PENPs表面修饰FA,赋予其主动靶向(肿瘤)功能。所制备的FA-Au PENPs粒径为2.1nm,分布均匀,具有良好的胶体稳定性(金盐/PEI投料摩尔比为200)和生物相容性。体外细胞吞噬和成像实验证实制备的FA-Au PENPs靶向识别高叶酸受体表达的癌细胞。体内皮下瘤CT成像实验证实制备的FA-Au PENPs比无FA修饰的Au PENPs在肿瘤部位有更多的富集,具有更高的CT信号值,说明由于FA介导的主动靶向效应,我们制备的FA-Au PENPs具有良好的体内靶向CT成像功能。另外,FA-Au PENPs能被小鼠逐步代谢,在体内具有良好的器官相容性。3)单一的CT成像很难满足肿瘤早期诊断对灵敏度和精确度的要求,因此我们设想在PEI表面螯合钆离子用于T1 MR成像,内部包裹Au NPs用于CT成像,构建CT/MR双模态成像造影剂。具体思路是:先在PEI表面修饰m PEG,后修饰钆螯合剂(DOTA),以此为模板包裹Au NPs和螯合钆离子,最后乙酰化PEI表面剩余氨基,制备CT/MR双模态造影剂Gd-Au PENPs。该Gd-Au PENPs粒径为4.0 nm,具有良好的胶体稳定性和生物相容性。由于钆离子与金原子在X-射线衰减上的协同增强效应,所以该Gd-Au PENPs比单独的Au PENPs具有更高的X-射线衰减系数。但是Au NPs的存在会干扰质子交换速率,会影响T1弛豫率,但影响不大,Gd-Au PENPs弛豫率仍可达到0.89 m M-1s-1,不含Au NPs的PEI.Ac-m PEG-DOTA(Gd)的弛豫率为1.0m M-1s-1。对于体内CT成像,小剂量静脉注射可用于静脉的显影,动脉不显影。而大剂量静脉注射可以看见丰富的血管信息,有助于血池成像的研究;但对于体内MR成像,由于MR成像的灵敏度远高于CT成像,所以不管是小剂量还是大剂量静脉注射,我们都能同时观察到静脉和动脉显影,只是大剂量注射具有更高的血管显影分辨率。4)在上述研究的基础上,我们在Gd-Au PENPs表面修饰FA分子,研究其在肿瘤部位的靶向CT/MR双模态成像功能。细胞吞噬实验表明该纳米颗粒具有良好的体外靶向性。体内皮下瘤的CT和MR成像实验表明该纳米颗粒在体内具有良好的靶向CT和MR双模态成像功能,比无FA修饰的纳米颗粒具有更高的CT值和MR信号,再次证明了FA介导的主动靶向效应。5)CT和MR成像都属于结构成像,只能获得解剖学信息,而Positron Emission Tomography(PET)和SPECT成像属于功能成像,能获得肿瘤诊断的生理生化信息。如果将结构成像和功能成像有机结合起来,将能获得肿瘤部位更加全面丰富的诊断信息,有利于提高癌症早期诊断的准确度。所以在前面研究的基础上,本章通过在PEI表面修饰DTPA标记99m Tc用于SPECT成像,内部包裹Au NPs用于CT成像。同时在PEI表面修饰靶向分子RGD(Arginine-glycine-aspartic acid)多肽,研究其对原位肝癌的主动靶向功能。该纳米颗粒粒径为2.6 nm,分布均匀,具有良好的胶体稳定性和生物相容性。细胞免疫组化实验说明HCC-LM3细胞(一种原位肝癌细胞)表面拥有αvβ3整合素高表达受体。体外细胞实验果表明,RGD-Au PENPs对于αvβ3整合素高表达细胞HCC-LM3细胞具有良好的靶向效果,体内CT/SPECT成像表明该纳米颗粒具有良好的成像效果和原位靶向肝癌能力。6)以上主要研究的是分子影像,即利用纳米颗粒用于疾病的诊断。而PEG化PEI(PEG-PEI)内部具有良好的结构疏水空腔,可以有效包裹疏水性药物阿霉素(DOX),构建药物缓释体系,提高疾病治疗的效果。每个PEG-PEI高分子内部包裹6.9个DOX,DOX上载效率为69%。该纳米药物缓释体系显示出良好的水溶性,并且具有一定的p H响应性,即在酸性(p H 5.0,51%)条件下释放的DOX量比弱碱性(p H 7.4,31.5%)条件下的要高。另外,该纳米药物缓释体系在体外、体内都具有良好的靶向抗癌能力。更重要的是,体内毒性实验证实该药物缓释体系具有良好的生物相容性。