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


Target therapy of multiple myeloma by PTX-NPs

2015年7月18日,国际著名杂志Oncotarget在线发表了窦骏教授研究组和顾宁教授研究组合作、由窦骏教授的博士生杨翠萍作为第一作者的研究工作“ Target therapy of multiple myeloma by PTX-NPs and ABCG2 antibody in a mouse xenograft model”。

  

多发性骨髓瘤(MM)对常规化疗药物治疗后呈现出高度耐药性,使疾病不可避免的复发而难以根治,是当前主要的致死性造血系统恶性肿瘤。主要原因可能是MM中有极小比例的癌干细胞(CSCs),其是MM形成、耐药和复发的根源。该研究将人源性 MM-CD34-MM细胞系RPMI 8226和MM患者的CD138 CSCs用免疫磁珠方法分选出来,从尾静脉注射到NOD/SCID鼠体内形成MM模型,再用ABCG2单抗(McAb)联合Fe3O4纳米(NPs)紫杉醇(PTX)从尾静脉治疗,并与常规治疗MM药物美法仑+泼尼松相比较,评价其疗效。研究结果显示,尾静脉注射McAb+PTX-NPs治疗4周后,明显减轻荷瘤鼠的骨与肾损害以及贫血等症状,增加了肾血流量和血清钙,治疗效果优于美法仑+泼尼松联合用药这一经典治疗MM的用药方案。该治疗效应是通过ABCG2单抗靶向MM CSCs,增强纳米紫杉醇药效,诱导CSCs 凋亡、引发补体介导的细胞毒和抗体依赖的细胞介导的细胞毒作用而综合发挥抗MM效应。研究工作瞄准MM CSCs,针对其耐药分子,首次采用ABCG2单抗联合载紫杉醇氧化铁纳米粒对MM CSCs进行靶向治疗研究,类似研究尚未见报道。所获得的研究资料,为临床靶向治疗MM提供了实验依据,故有重要的参考价值及临床应用前景。
http://www.impactjournals.com/oncotarget/index.php?journal=oncotarget&page=article&op=view&path%5B%5D=4663





超声微气泡介导磁性纳米颗粒进入细胞的氧化应激研究

磁性纳米颗粒在纳米生物医学诊断和治疗研究领域是极具潜力的一种纳米材料。如何实现纳米颗粒在特定细胞或靶器官的高效率传输以及如何降低细胞毒性是目前纳米材料研究的重点内容。实验首先研究了12nm的γ-Fe2O3磁性纳米颗粒进入细胞的三种不同途径:(1) 纳米颗粒与肿瘤细胞共孵育后的内吞途径;(2) 纳米颗粒与微气泡共混合后超声辐照传输途径;(3) 纳米颗粒化学偶联到微气泡膜壳表面后超声辐照传输途径。其次,基于上述三种不同的纳米颗粒传输途径, 对纳米颗粒引起的细胞氧化应激毒性进行了深入研究。结果表明,纳米颗粒与肿瘤细胞共孵育后的内吞途径使纳米颗粒通过溶酶体包裹进入细胞; 通过超声微气泡辐照, 纳米颗粒能够以更高效率通过非内吞途径直接传输进入细胞质而不被溶酶体包裹。不同传输途径导致纳米颗粒分别进入溶酶体和细胞质,造成对细胞内氧化应激水平、总抗氧化能力以及谷胱甘肽过氧化物酶活性的响应不同。综上研究表明,超声微气泡介导的磁性纳米颗粒传输能够成为一种高效无损的细胞纳米颗粒输运新方法,同时通过控制纳米颗粒进入细胞质降低了纳米颗粒的毒性,从而能够更广泛应用于纳米生物医学的应用研究。
Fang Yang, Mingxi Li, Huating Cui, Tuantuan Wang, Zhongwen Chen, Lina Song, Zhuxiao Gu, Yu Zhang, Ning Gu. Altering the response of intracellular reactive oxygen to magnetic nanoparticles using ultrasound and microbubbles. Sci China Mater, 2015, 58(6): 467-480.


磁性纳米颗粒在微气泡表面的可控组装及对MRI/US成像性能的影响

近年来,携带磁性纳米颗粒的微气泡载体材料,由于兼具优良的磁学特性和声学特性,逐渐发展成为一个集超声/磁共振双模式显影、基因及药物的靶向传输与一体的多功能诊疗一体化平台。深入研究磁性纳米颗粒与微气泡的结合机理,探讨不同结合方式对微气泡结构与性能的影响,继而通过对微气泡上磁性纳米颗粒的装载方式、装载量的调控,改变磁性微气泡的膜壳结构,从而可以实现对其性能的优化,这对磁性微气泡的后期应用具有指导意义。

本研究通过“表面装载”的方式在聚合物微气泡上组装了不同浓度梯度的ATPS/γ-Fe2O3超顺磁性纳米颗粒(SPIO),对组装机理及微气泡膜壳结构的变化进行了深入探讨,结果表明这种 “表面装载”方式是物理吸附与化学耦联综合作用的结果,可使得磁性纳米颗粒在微气泡表面呈现一种不均匀交联及堆积的组装状态,显著提高磁性纳米颗粒的装载量;同时对磁性微气泡的磁性、稳定性、磁共振/超声(MRI/US)显影效果进行了考察,结果表明,随着磁性纳米颗粒装载量的提高,微气泡的磁性越强,但过高的装载量会影响微气泡的稳定性;在一定范围之内,随着磁性纳米颗粒装载量的增加,微气泡作为T2磁共振显影造影剂效果越明显,且能够显著延长超声显影的时间;对优化之后的磁性微气泡进行了体内MRI/US显影实验,证实了其在体内同样具有良好的MRI/US双模式显影效果。因此,这种表面装载ATPS/γ-Fe2O3超顺磁性纳米颗粒的微气泡因其“高装载量”,“高磁性”,MRI/US显影效果的“可调控性”及潜在的耦联其它活性物质的优点,显示出了良好的生物医学应用潜力。
Lei Duan,ab Fang Yang,a Lina Song,a Kun Fang,a Jilai Tian,a Yijun Liang,a Mingxi Li,a Ning Xu,c Zhongda Chen,b Yu Zhanga and Ning Gu*a. Controlled assembly of magnetic nanoparticles on microbubbles for multimodal imaging. Soft Matter, 2015, DOI: 10.1039/C5SM00864F



聚合物-磁性纳米颗粒复合物控制药物释放和水解机理研究

均匀多功能聚合物-纳米颗粒复合物在生物医学和材料科学领域具有广泛的应用前景。深入理解这些复合物的表面和界面理化性质对优化其功能具有指导作用。本实验通过建立聚合物(生物相容性良好的聚乳酸)-磁性纳米颗粒复合物体系,深入研究了纳米颗粒嵌入聚合物表面后对聚合物的动力学降解影响。为深入分析PLA-磁性纳米颗粒复合物表界面降解性能机理,实验中采用了SEM、接触角、原子力显微镜、和频光谱SFG等表界面技术。尤其非线性光学SFG技术的使用能够原位检测PLA-磁性纳米颗粒复合结构在水解过程中的分子机理。实验结果表明,控制优化的纳米颗粒含量,纳米颗粒与聚乳酸疏水相互作用以及降解过程中纳米颗粒对聚乳酸结晶型区域的形成,有利于聚乳酸的药物控制释放能力。
Fang Yang, Xiaoxian Zhang, Lina Song, Huating Cui, John N. Myers, Tingting Bai, Ying Zhou, Zhan Chen,  Ning Gu. Controlled Drug Release and Hydrolysis Mechanism of Polymer–Magnetic Nanoparticle Composite. ACS Appl. Mater. Interfaces DOI: 10.1021/acsami.5b02210



PEG化磁性纳米Fe3O4胶束的合成和体内成像

本文采用高温热解的方法,以油酸铁为前驱体,在表面活性剂油酸的存在下反应,在高沸点的溶剂中得到形貌均一、单分散的磁性Fe3O4纳米颗粒。然后通过经典的旋转蒸发法除去其中的有机溶剂,得到PEG化磷脂修饰的磁性Fe3O4纳米颗粒胶束。通过透射电镜(TEM)、动态光散射(DLS)、磁共振扫描仪(MRI)等手段对样品的性质进行了研究,得到核粒径9nm,PEG化胶束层1.5nm,水动力尺寸19.5nm,Zeta电位-38.5mV的单分散磁性Fe3O4纳米胶束。PEG磷脂修饰在磁性Fe3O4纳米颗粒表面,使其在水溶液中能够长时间(6周以上)稳定分散。与小鼠RAW264.7巨噬细胞共同孵育实验证明其能够有效躲避其摄取。其T2弛豫率值为32.2 mmol·L-1·S-1。生物体内成像实验表明其可以作为一种优良的T2造影剂。
Lina Song, Fengchao Zang, Mengjie Song, Gong Chen,Yu Zhang, Ning Gu. Effective PEGylation of Fe3O4 nanomicelles for in vivo MR imaging. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2015, 15(6): 4111-4118.


新型磁各向异性水凝胶实现在交变磁场中的可控发热增强

功能纳米颗粒和水凝胶复合形成的新型材料在生物医学中具有很大的应用潜力,特别是磁性纳米颗粒和用于组织修复的水凝胶复合可构成既具有组织修复能力,又具有热疗、药物释放等作用的新型材料。目前大部分研究主要在于各向同性的复合材料,在此基础上构建具有规整结构的各向异性复合材料将增加复合材料集体性质的可控性,进一步拓展其应用空间。

本文通过在制备包裹磁性纳米颗粒的水凝胶过程中外加磁场辅助组装,得到了一种新型磁各向异性水凝胶。这种复合材料不但具有各向异性的力学性能,同时还具有各向异性的磁学性能。实验表明这种材料在交变磁场中的产热与其磁各向异性具有较高的相关性。这种特性使得这种新型材料不但可以在交变磁场中产生更多的热量,而且可以通过改变组装结构和交变磁场的交角对发热进行控制。这有助于解决磁性纳米材料在交变磁场作用下发热的体内实时控制问题,同时利用这种可调控的发热机制还可以灵活地对水凝胶载药的释放进行调控。
Ke Hu, Jianfei Sun, Zhaobin Guo, Peng Wang, Qiang Chen, Ming Ma and Ning Gu. A novel magnetic hydrogel with aligned magnetic colloidal assemblies showing controllable enhancement of magnetothermal effect in the presence of alternating magnetic field, Advanced Materials. 2015, 27(15):2507-2514

交变磁场与静磁场联合实现靶向磁热

磁性纳米材料应用于肿瘤热疗时,靶向加热和温度控制是其重要挑战。我们设计了静磁场和交变磁场的联合磁场来定位热疗区域。均匀的静磁场能够抑制磁性纳米颗粒在交变磁场中的发热。我们使用磁极相反的一对永磁铁形成高梯度的静磁场,中心磁场很弱。利用该静磁场可以限制和定位热疗区域,降低边缘效应。上述结论在磁性液体、磁性凝胶体模、体外细胞实验中获得研究。有关结果发表在Nano Research, 2015, 8(2)600-610.
Ming Ma, Yu Zhang, Xuli Shen, Jun Xie, Yan Li, Ning Gu. Targeted inductive heating of nanomagnets by a combination of alternating current (AC) and static magnetic fields, Nano Research, 2015, 8(2): 600-610.



磁各项异性水凝胶的发热特性和磁学特性之间有明显的正相关,表明材料的各向异性特性可能是由组装后磁性纳米颗粒间的相互作用引起的。


磁各向异性水凝胶作为药物载体,可以通过可控的发热对药物释放速率进行控制。