国家重大科学研究计划项目“生物医学纳米材料对血细胞作用的研究”工作进展与讨论

结合多模态纳米探针进行淋巴癌等血液恶性肿瘤的在体分子成像与疗效评价研究

东南大学 顾宁 教授


1. 细胞光散射的多重散射模型

理论或者数值计算可以帮助我们深入理解光与细胞的相互作用,对发展快速、无创、无标记的新型诊疗技术有着重要意义。由于细胞器的大小和光的波长接近甚至更小,传统的几何光学或者瑞利散射只能得到近似。近来来,电磁学数值方法,如 FDTD,DDA 等也被应用于细胞的光学散射分析,但计算时间和消耗内存非常巨大。并且对于单细胞检测,细胞器的形状对散射有着非常大的影响。而在一些传统的细胞光学检测中,比如流式细胞仪或者角度散射光谱所测的一般是大量细胞或者细胞悬浮液的结果,大量细胞统计数据的的平均使得最终的结果趋向于随机散射的结果。

本文基于GMM理论建立了细胞光学散射的计算模型,可以大大降低计算资源的消耗,能够很方便的进行取向平均。 首先通过与数值方法比较验证了模型的有效性,然后根据细胞器的分布建立了癌细胞和正常细胞的模型,分析了癌细胞与正常细胞的散射差异。最后我们研究了纳米颗粒的摄入对细胞光学散射的影响,计算结果与已有的试验结果吻合的较好。


Wang M, Cao M, Guo Z R, et al. Generalized multiparticle Mie modeling of light scattering by cells. Chin Sci Bull, doi: 10.1007/s11434-013-5719-0

Figure 5 Angular light scattering distribution of cells in the presence of nanoparticle uptake.

2. 磁性氧化铁纳米片的制备

我们通过一个简单的一步水热法制备了磁性氧化铁纳米片。我们将氢氧化亚铁在厌氧的环境中陈化,得到四氧化三铁的结晶,这个过程被称为Schikorr反应。在反应过程中,乙二醇(EG) 为另一个溶剂的引入对获得片状的四氧化三铁起到了关键作用。在EG/H2O=1:1的条件下我们获得了厚度在10-15nm,边长150-200nm的六边形Fe3O4纳米片。研究表明,随着EG的量的增加,Fe3O4纳米片的厚度降低。我们获得的Fe3O4纳米片具有较高的矫顽力和SAR系数。


Ming Ma, Yu Zhang, Zhirui Guo and Ning Gu*. Facile synthesis of ultrathin magnetic iron oxide nanoplates by Schikorr reaction. Nanoscale Research Letters 2013, 8:16 

Figure 3. Low-(a) and high-magnification (b) SEM images of the as-prepared Fe3O4 nanoplates (EG/H2O = 1:1). The thickness of the nanoplate is about 14nm. (c) TEM image of the same nanoplate sample. (d) HRTEM image of the marked area shown in (c). Both the HRTEM image (d) and the SAED pattern (e) show that the nanoplate is a single crystal.

3. 基于“种子”介导的Lee-Meisel法可控制备准球形银纳米颗粒

银纳米颗粒由于其独特的物理(如最强的表面拉曼增强基底)和化学(如可缓释Ag离子而具有广谱的抑菌功能)特性,已在生物医学领域获得广泛的应用。而水体系下的银纳米颗粒尺寸及形貌控制对于生物医学上的实际应用显得尤为重要。然而,由于银纳米颗粒前驱体(如硝酸银等)在水体系下的高反应活性,使得银纳米颗粒的成核和生长过程的平衡难以控制,导致在水体系中进行银纳米颗粒的控制制备还存在着很大的挑战。本研究在种子生长法以及经典的Lee–Meisel法(柠檬酸钠水相热还原硝酸银制备银纳米颗粒)的基础上,发展了一种水体系下步进式(stepwise)调控准球形银纳米颗粒尺寸的合成策略。首先,我们通过快速成核-生长-熟化的合成机制,成功获得了稳定性良好的平均尺寸为4 nm的银纳米颗粒作为初始种子(即生长中心),经过步进式的控制生长,即上一阶段获得的银纳米颗粒作为下一阶段生长的种子,可以将银纳米颗粒的尺寸由起初的4 nm调控到80 nm乃至更大,同时保持了良好的单分散性。特别需要指出的是,在上述银纳米颗粒的制备过程中,我们通过对银种子的量以及反应温度的控制,成功地避免了副产物纳米棒的生成以及及二次成核。制备全程没有采取通常难以避免的pH调制、引入表面活性剂或者激光消融等辅助操作。我们期待本文所采用的制备策略将对水体系下制备高质量的准球形贵金属纳米颗粒有一定的借鉴作用。


Yu Wan, Zhirui Guo*, Xiaoli Jiang, Kun Fang, Xiang Lu, Yu Zhang, Ning Gu*. Quasi-spherical silver nanoparticles: aqueous synthesis and size control by the seed-mediated Lee-Meisel method. Journal of Colloid and Interface Science. 2013, 394, 263–268.

水体系下步进式控制制备柠檬酸钠稳定的准球形银纳米颗粒

4. 普鲁士蓝修饰的铁蛋白的类过氧化物酶活性及其生物监测应用的研究

铁蛋白是一种由24个亚基自组装形成的外径10-12nm的球形蛋白,内腔直径8nm左右,储存着铁的水合氧化物的天然纳米颗粒。在纳米合成领域,天然的铁蛋白和重组铁蛋白已经被使用作为模板来合成各种纳米颗粒,如磁性Fe3O4纳米颗粒、Au簇、Pt纳米颗粒,等等。制备一般利用的是通过还原溶解方法去除天然的铁蛋白内的氧化铁核,或直接利用空的重组铁蛋白壳而获得不含铁核的蛋白质空腔。合成方法主要有两类:第一类是将一种反应物通过扩散填充入铁蛋白壳内,去除游离的反应物后,再加入另外一种反应物进行反应,从而在蛋白壳内形成纳米颗粒;多次重复上述步骤以增大蛋白壳内颗粒的尺寸,以满足需要;最后进行纯化除去游离的剩余反应物。第二类是将铁蛋白壳在低pH下(如pH=2)解聚,使24个亚基分散,并与反应物混合,通过调节pH到7.5以上再使24个亚基重新组装成铁蛋白,同时将反应物包含到蛋白壳内,然后按照前一种方法与另外一种反应物反应。

我们发展了一种新的基于天然铁蛋白模板的合成方法,无需去除内部氧化铁核,通过在酸性条件下亚铁氰化钾通过蛋白亚基之间的孔道在铁蛋白内氧化铁颗粒上的沉积,实现单分散的普鲁士蓝修饰的铁蛋白纳米结构制备。初步的研究结果表明,这种普鲁士蓝修饰的铁蛋白纳米颗粒中的普鲁士蓝具有很强的类过氧化物酶活性,而蛋白质的结构和功能都被保留了下来,从而巧妙地将普鲁士蓝的类过氧化物酶活性和铁蛋白本身的生物学性质结合了起来。

合成是在pH 3.0,温度4℃条件下完成的,反应时间为12h,反应完成后,通过透析的方式来纯化所得到的纳米粒子(Prussian blue modified ferritin nanoparticles, PB-Ft NPs)。对普鲁士蓝修饰的铁蛋白纳米颗粒的类过氧化物酶活性的研究发现,它的酶活性符合米氏动力学方程关系,并且对于温度、pH、纳米颗粒的浓度具有依赖性,利用这种类酶特性,成功的实现了低浓度的葡萄糖检测。磷钨酸负染的TEM图片显示铁蛋白的球形结构完好如初,HRTEM图片显示蛋白质的铁核依然存在,但是表面的晶格变得模糊。ELISA实验验证了铁蛋白的特异性依然存在,这使得PB-Ft NPs拥有很大的生物应用潜力。


Wei Zhang, Yu Zhang*, Yanhua Chen, Suyi Li, Ning Gu*, Sunling Hu, Ying Sun, Xue Chen and Quan Li. Prussian Blue Modified Ferritin as Peroxidase Mimetics and Its Applications in Biological Detection. Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 2012, Volume 12, No. XX doi:10.1166/jnn.2012.6871

5. 一氧化氮微气泡促大鼠深静脉血栓溶解的研究

经过多年的研究,深静脉血栓的清除仍存在诸多问题。在没有采取任何预防措施的基础上,术后深静脉形成血栓的发生率为10%到40%,尤其骨科手术后其发生率高达40%到60%。深静脉血栓的形成会导致肺高血压、血栓综合征以及致命性肺动脉栓塞等多种疾病。目前临床上使用抗凝药物如低分子量的肝素等,但是这些药物的使用在降低血栓的同时增加了高危出血和伤口并发症等风险。近年来的研究表明,具有释放一氧化氮(NO)的生物聚合物膜在抑制血栓的形成中能发挥良好的作用,然而NO在深静脉血栓的溶解方面的研究目前尚未见报道。本实验的主要目的是评价包裹NO的微气泡对大鼠深静脉血栓的促溶作用,实验结果表明,NO微气泡促深静脉溶血栓过程主要通过降低血小板和炎症细胞的聚集,增加胶原转化以及刺激内皮细胞的抗凝血功能等实现。


Chao Wang, Fang Yang, Zhihong Xu, Dongquan Shi, Dongyang Chen, Jin Dai, Ning Gu, Qing Jiang. Intravenous release of NO from lipidic microbubbles accelerates deep vein thrombosis resolution in a rat mode. Thromb Res (2012), http://dx.doi.org/10.1016/j.thromres.2012.11.002.

Fig. 1. The thrombosed animal model: (A)Abridged general view of the IVC and LCIV ligation;(B)Example of venous ligation in our surgical, mixed thrombus would present at the segments below the ligation of the vein(arrows).


Fig. 2. Influence on coagulation function: PT, APTT, TT and FIB of peripheral blood were tested. PT(A), APTT(B), and TT(C) had no statistical difference in all groups over time; FIB(D) increased significantly in both thrombosed groups compared with that in sham group (Pb0.05) at day 2. **Pb0.05 versus sham.


Fig. 3. Immunohistochemical staining analysis: (A) Representative immunohistochemical staining for the over-expression of VCAM-1 in control group;(B) Representative immunohistochemical staining for the inhibition of over-expression of VCAM-1 in NO microbubbles group.