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1、-毕业设计（论文）-上转换纳米材料在生物医学中的应用与研究进展-第 17 页上转换纳米材料在生物医学中的应用与研究进展摘要:Abstract第1章 高对比成像11.1 高对比度成像的应用11.2 体内外毒性评价3第2章 细胞成像5第3章 整体发光成像63.1. 被动成像63.2. 主动靶向73.3. 深层组织成像8第4章 光学层析成像10第5章 多模态成像125.1. 上转换材料在磁共振成像（MRI）中的应用125.2. 上转换材料在X射线计算机断层扫描（CT）中的应用135.3. 上转换材料在正电子发射断层扫描（PET）中的应用145.4. 上转换材料在多重成像中的应用15结 论17致 谢1
2、8参考文献19上转换纳米材料在生物医学的应用与研究进展摘要:上转换纳米材料在生物医学中具有良好的应用前景，跟传统的荧光材料比较，具有荧光背景低，穿透能力强，对生物组织伤害度低等优点，是目前生物医学领域研究的重要材料之一。除此之外，上转换材料还具备良好的光化学性能，使用时间较长，并且有良好的生物兼容性等特点，能够推动检测及治疗技术的研究与发展。本文主要对于上转换纳米材料在生物医学上的应用进行详细研究与调查，探索上转换纳米材料在各种应用上所面临的问题，进而提出建设性的意见。主要针对目前上转换纳米材料在肿瘤治疗中的应用现状及研究进展进行综合评述及阐述，对上转换纳米材料各种用于肿瘤治疗的方法及各自的优
3、缺点进行了阐述分析，为其进一步研究和应用奠定基础。关键词:生物医学 上转换纳米材料 荧光材料 肿瘤治疗 研究进展Upconversion Nanoparticles: Design, Nanochemistry, and Applications in TheranosticsAbstract：Upconversion nanomaterials based on rare earth show a good application prospect in cancer therapy. Compared with traditional fluorescent materials, upco
4、nversion nanomaterials have many advantages, such as the near infrared laser excited, almost no fluorescent background, remarkable deeper tissue penetration and low biological tissue damage, which lead to a hot research material in biomedical now. Meanwhile, upconversion materials, due to the good p
5、hotochemical properties, long service life, good biological compatibility and other advantages, promote the development of detection and treatment technology. This work focuses on the application of upconversion nanomaterials in biomedical, and the study of upconversion nanomaterials in the applicat
6、ion still have problems, which put forward some advices on current opinion. Application and research of upconversion nanomaterials in the treatment of tumor development are reviewed. In this paper, the advantages and disadvantages of the methods for the treatment of tumor were analyzed, which provid
7、ed a new potential idea for further research and clinical application.Keywords: theranostics; upconversion nanoparticles; fluorescent materials; cancer therapy; applications in theranostics第1章 高对比成像1.1 高对比度成像的应用将成像和治疗联合起来使用于未来个性化药物是生物医学以及现代医疗保健面临的挑战之一1。生物医学试剂在诊断中的作用是显示疾病的位置、状态以及对特殊治疗的反应，而试剂诊断作用可能如以下
8、方式呈现2：（i）首先是图像引导手术切除肿瘤和术后评价。病变区的外科手术可视化对于准确手术是重要的，因为肿瘤的位置可能会在术前影像与手术切除过程中改变3。此外，术后评估，确保完全去除病区是重要的。（ii）其次是传送或释放治疗物到预定的位置。光活化释放-治疗如光动力疗法（PDT）5能够破坏肿瘤，或吸收光子的能量转化为热量如光热治疗（PTT）能破坏细胞结构及缩小肿瘤体积。（iii）最后是细胞或代谢途径的破坏。引进的医学试剂的化学物质能够与细胞表面的特殊受体结合，因此扰乱细胞代谢规律达到治疗效果6。生物医学能够通过提高技术的多样性如采用综合影像或改进治疗方案提高治疗效果。在开发新的生物医学试剂中诊断
9、功能与分子成像相结合起着重要的作用7。PL成像是生化和分子生物学中的一种重要技术手段，它在医疗诊断、生物检测、DNA测序和基因组学的变革中占主导地位8，可以被用来研究大范围生物标本,从细胞到体外组织样品,并在生物体上活体成像，涵盖范围广泛，从亚微米大小的病毒和细菌到宏观生物物9。因此，PL成像是一种强大的非侵入性工具，可看见亚细胞级组织形态的细节。然而，传统的荧光显像剂光学性质和治疗功能较差已经严重阻碍了他们用在生物医学领域的应用。荧光成像通常采用外源性的试剂，其中包括有机染料10，有机改性的二氧化硅11，荧光蛋白12，金属配合物和半导体量子点13。大多数这些传统的试剂是利用斯托克斯位移发射，
10、激发光在紫外线（UV）或蓝绿色可见光谱范围内。这些传统的PL成像剂在这样的光谱范围内有一些限制：（i）低背景信号（SBR）造成的干扰荧光和生物组织散射的强光（如毛皮、皮肤和组织）；（ii）UV低穿透能力和可见光激发或生物组织的散发光；（iii）由于长期暴露于短波，尤其是紫外激发而导致潜在DNA损伤和细胞死亡。此外，基于重金属的量子点的生物成像，由于它们含有有毒元素（如镉、汞、铅），导致材料本身高毒性。众所周知，生物组织在近红外（NIR）7001100 nm范围具有光学透明窗9。近红外激发光使得光穿透能力更强并减少光的利用率，而且自发荧光低，减少光散射和光毒性14。具有双光子激发或二次谐波的试剂
11、，利用长波长的光，最近应用于细胞和小动物成像，来克服传统试剂的缺点15。但是，因为它们涉及低效的非线性光学过程，他们需要昂贵的超短脉冲激光器（如飞秒激光）激发。图1.1 UCNPs高对比度成像领域应用示意图对于生物成像来说，稀土掺杂上转换纳米粒子（UCNPs）是一种有前途的新型成像试剂16。UCNPs利用连续的多光子吸收,将寿命长和阶梯状的三价镧系离子的嵌入到能产生高能量的反斯托克斯发光能源中17。它将两个或两个以上的低能量激发光子（一般为近红外光），转换成短波长的发射光（如近红外，可见光和UV）。该过程不同于有机染料和量子点的非线性多光子吸收，这涉及到虚拟状态同时吸收的两个或更多光子的过程，
12、一个UC过程的效率一般比非线性多光子吸收高几个数量级，从而使UC过程由低成本的连续波（CW）产生的脉冲非线性多光子激发激光代替超短激光二极管。UCNPs上有多个属性，使它们适合于成像、诊疗和治疗，其独特的变频能力通常是无法适用于现有的内源性和外源性荧光基团，从而为医学诊断和治疗提供许多与众不同的特点。就生物成像而言，上转换材料具有独特的优点，如提高信噪比使得自发荧光背景几乎为零，大的反斯托克斯很容易通过激发波长来区分PL，发射光谱窄使得多重成像容易、高耐漂白使其适合长期不断成像。此外，它们都不闪烁，没有散射光，并且由于在近红外区域激发，光学透明窗内允许组织深层渗透。生物医学UCNPs的一个新的
13、方向就是利用分层构建纳米结构的UC发光成像与其他的成像方式结合用于体外和体内诊断，如磁共振成像（MRI）18，计算机断层扫描（CT）19、单光子发射断层（SPECT）20、正电子发射断层扫描（PET）21以及PTT22，PDT疗法23，基因和药物输送。实际上，使用纳米化学在近期诊断上有显着的进步，可控纳米技术的光学性能可提高特定波长转换14，相位转移的表面改性16和靶生物标记的配体的表面偶联化学17。荧光成像在生物医学研究中的具有重要作用，对早期检测，筛选，和影像指导治疗危及生命的疾病非常有帮助9。然而，由于在紫外光或可见光范围激发的传统斯托克斯偏移的荧光团（有机荧光，荧光蛋白和金属配合物）或
14、量子点成像是不理想，限制了光的穿透能力和容易引起影像背景（强荧光和散射光）10。虽然活性NIR非线性材料（双光子染料、量子点、纳米金棒和二次谐波纳米颗粒）能够克服生物成像的局限性，非线性过程的低效率和昂贵脉冲激励源的高密度激发严重限制了其应用。近红外范围（7501100 nm）内的生物组织光透明窗”具有穿透能力强，荧光低和散射光少的优点，所以，近红外窗口的高效成像对比，激发和发射是理想的生物成像。UCNPs已成为有前景的新型生物成像纳米材料。图1.1说明了高对比度成像在各领域的应用概况。1.2 体内外毒性评价UCNPs的毒性检测手段已相当成熟，包含体外细胞毒活性与体内长期毒性检测4,9,25。
15、MTT（四甲基偶氮唑），MTS，和CCK-8线粒体代谢活性检测结果用来评估多种细胞毒性，如人胰腺癌PANC-1细胞、人鼻咽癌细胞（KB细胞），胶质瘤U87MG细胞和人乳腺癌细胞MCF-7（图1.2a-c)26。细胞在UCNPs中培养24小时后，细胞的存活率在高剂量条件下可高达90%，由此证明UCNPs细胞毒性低。此外，专家们还研究了纳米粒子表面电荷对细胞活力的影响，结果可忽略不计。针对UCNPs的诊断应用，UCNPs的体内毒性就是一个重要指标。目前，小鼠体内22,27,秀丽隐杆线虫（C.elegans）,蠕虫和斑马鱼胚胎上的UCNPs的毒性已检测完成，结果表明UCNPs无明显毒性,此外，Li等
16、人通过行为观察、测量体重、组织学和血液学分析和血清生化检测等手段得出PAAUCNPs涂层具有高毒性,当PAA-UCNPs涂层剂量为15 mg/kg时，样本的体重和行为表现正常（图1.2）。实验组小鼠的器官结构（心、肺、肝组织、脾、肾）与正常对照组几乎相同，表明没有组织损伤，炎症和病变（图1.2）。血涂片分析显示红细胞、血小板和白细胞的数量和形态正常，此外，血清生化检测表明三个重要肝指标（丙氨酸氨基转移酶、天门冬氨酸氨基转移酶、总胆红素）均正常，肾功能（肌酐和尿素两指标）方面，实验组小鼠和正常对照组小鼠也相似（图1.2），结果表明小鼠体内无PAA- UCNPs毒性。但是，体内毒性检测仅限于小动物
17、（如小鼠），不适用于人体。非人灵长类动物的毒性检测为未来临床转变提供有价值的信息。图1.2（a）人胰腺癌PANC-1细胞细胞存活率(b)人鼻咽表皮癌细胞（KB细胞）细胞存活率(c)人脑胶质瘤U87MG细胞和人乳腺癌MCF-7细胞在不同浓度RGD中培养（d）小鼠腹腔注射PAAUCNPs115天后血清生化结果（剂量为15毫克/公斤，试验）和没有接受注射的小鼠（对照）(e)注射PAA（剂量为15毫克/公斤，试验）的小鼠体重变化和未注射,这些研究结果并没有表明毒性的趋势。小鼠注射PAA UCNPs115天后的苏木精-伊红染色组织切片（F，J，N，H，L，P）和没有接受注射的小鼠（G，K，O，I，M和Q
18、）。心脏（F，G），脾（H，I），肝（M，K），肺（L，M），肾（N，O），和血涂片（P，Q）。第2章 细胞成像近年来，近红外光到可见光（蓝色，绿色，红色）范围的高对比细胞成像得到广泛的应用。UCNPs作为荧光成像的双光子激发探针之一，2008年由证实PEI NaYF4的Zhang等人应用，掺Er3+ 的UCNPs 和共轭叶酸可用于标记人类HT29癌细胞和人类卵巢癌细胞。波长为980 nm近红外光激发且无自发荧光背景下研究UC PL，由于其固有的高光子转换效率和无闪烁发光，UCNPs已被证实具有跟踪单分子的成像能力27。官能化的纳米粒子能够用于各种细胞系成像，如乳腺癌细胞（SKBR-3和MCF
19、-7）28，HeLa细胞11,29，NIH 3T3小鼠胚胎成纤维细胞30，卵巢癌细胞31，KB细胞32，小鼠间皮瘤细胞，HepG2细胞26,32，人肝癌细胞6，MB49膀胱癌细胞系5和Panc 1细胞。重要的是，Wong等人的研究结果表明，UCNPs表面电荷很大程度上决定了细胞的摄取效率；在HeLa细胞内带正电荷的PEI-UCNPs涂层比带中性和负电荷的涂层有更高的的细胞摄取率。相比之下，一些研究表明具有生物识别功能的UCNPs分子能够标定肿瘤细胞。一系列靶向分子如叶酸能够标记多种肿瘤细胞上的叶酸受体（如HeLa细胞、人结肠癌HT29癌细胞、人卵巢癌细胞、人结肠癌细胞）36，anti-cea8
20、抗体靶向癌胚抗原（CEA），Hela细胞33，抗体对Panc 1细胞抗原受体37，U87MG细胞RGD肽的V3整合素受体35。重要的是，可以发出不同颜色光的Er3+，Tm3+，Ho3+NaYbF4 UCNPs能够用于高对比度的细胞彩色成像。使用UCNPs能够呈现细胞器内多种大分子或单个细胞中的细胞活动，或呈现细胞分化和细胞细胞的相互作用。研究表明，使用特定结合的分子可以提高细胞壁和细胞器内的细胞摄取率并增强成像。UCNPs标记癌细胞的能力为诊断体内肿瘤奠定了基础。 尽管细胞成像具有对比度高，光学成像分辨率低等优点，但是由于UCNPs发光时间上升和及饱和效应导致空间限域效应。饱和效应在共聚焦显微
21、镜成像时发生，因为焦平面的激发密度达到106 W/cm2 时足以使大多数UCNPs在101103 W/cm2范围内发生饱和效应，减少UCNPs的发光时间能提高细胞成像的对比度。第3章 整体发光成像 3.1 被动成像PL被动成像表明UCNPs的潜在能力适用于各种类型的小动物成像和研究小鼠体内纳米粒子分布和生物兼容性行为，为生物兼容性评价及诊断应用提供便捷的信息。目前普遍采用皮下或静脉注射UCNPs进入小动物来实现活体UC PL成像，此外，淋巴结成像，高分辨率成像和血管成像，复用成像，UCNPs表面实时运输已被应用。有机体的生物相容性和成像能力已被Lim等人证明，在50150nm范围内他们将掺Er
22、3+的Y2O3纳米颗粒植入活线虫线虫蠕虫。在980 nm处激发时，肠道中的纳米粒子的分布可以清楚地观察（图3.1a）。更重要的是，在培养过程中蠕虫无异常行为且纳米粒子表现出良好的生物相容性。在近期的研究中他们还准备了能够染色生物系统超细结构的10纳米Y2O3：Yb3+/Er328，zhang等人首先利用了近红外绿色UCNPs小动物成像的光损伤程度低、自体荧光低，检测灵敏度高及生物组织中光穿透能力强等优点。图3.1呈现的是UCNPs比QDs具有更加高的成像深度。生物相容性评价和UCNPs成像的优势在其他几个研究项目中也有出现，其中明确指出UCNPs小动物成像的重要性4,8,25。UCNPs标记的
23、体内成肌细胞和间充质干细胞也被研究，由此可以实时观测细胞移植和生物体之间的相互作用25,36。这种能力对评价细胞移植的治疗效果是必不可少的，它是一种对治疗其他疾病有吸引力的治疗方式。局部淋巴引流是肿瘤细胞转移的重要途径。因此，识别前哨淋巴结或淋巴系统对癌症诊断和治疗是非常重要的。Kobayashi等人已证实近红外光谱及发绿光的UCNPs可用于小鼠淋巴结无荧光双色成像37。Liu等人利用三种不同彩色发射光（蓝色，绿色和红色）呈现三组淋巴结（图3.1c）。Li等人利用近红外NIR胺官能化的LaF3:Tm3+UCNPs提高小鼠淋巴成像的信噪比（图3.1d）17。重要的是，最近一项研究中他们还表明在光
24、照条件下NaLuF4:Tm3+UCNPs能够实现体内淋巴显像38。值得注意的是，图3.1c也说明了UCNPs潜在的成像能力及同时跟踪和识别不同生物排放物的能力。Tian等人证明特定镧系掺杂体与含氟化物的UCNPs能够用于活体多色成像，掺杂有机染料或量子点NaYF4:Yb3+/Er3+（Tm3+LRET orFRET纳米材料具有跟踪能力16,17此外，Wang等人证明了NaYF4:Yb3+/Er3+/La3+纳米棒能够作为活体组织成像的探针38，输出颜色能够显示组织中纳米棒的深度图3.1（c）注射近红外的NaY0.78Yb0.2Tm0.02F4（蓝色样品）、近红外的NaY0.78Yb0.2Er0
25、.02F4（绿色样品)和近红外的NaY0.78Yb0.2Er0.01F4(红色样品)作为前哨淋巴结成像的显像剂（d）注射近红外NIRUCNPsLaF3:Yb3+/Tm3+的小鼠前哨淋巴结图像。血管和血管功能障碍与许多疾病有联系，如心血管疾病和肾脏疾病以及各种癌症，血管成像能够提供血管的数量和构造，血管通透性，血管功能异常等直接信息，希尔德布兰德在这方面做了一个有趣的实验：用PEG聚合物包覆Yb3+/Er3+Y2O3纳米颗粒在裸鼠体内进行血管成像(图3.1e)28。聚合物涂层最大限度地减少非特异性组织结合，延长血液中颗粒的循环半衰期，重要的是，如图3.1e，尾静脉注射UCNPs后小鼠耳的原位血管
26、成像明亮。由维诺格拉多夫等人开发的新型树突状上转换纳米粒子表面工程可以完成高分辨率的皮质血管成像。3.2 主动靶向肿瘤靶向成像对肿瘤的诊断和治疗是非常重要的，其中最重要的目标特异性识别能力是配体受体和抗原抗体相互作用。引入特定生物识别分子进入UCNPs的表面，生物化学在这种应用中起到至关重要的作用。近期，体内特定结构的靶向成像得到越来越多的关注，虽然体外靶向成像涉及的生物识别分子已被研究，但是UCNPs上的FA和RGD肽结合一直阻碍着体内成像。众所周知，RGD肽对V3整合素受体的高亲和性在肿瘤血管成像中起着举足轻重的作用，Li等人将RGD与NaYF4:Yb3+/Tm3+纳米粒子联系起来用于裸鼠
27、U87MG肿瘤V3整合素靶向成像27（图3.2a和b）。研究活体UCPL成像的时间序列，结果表明1 h后清晰的肿瘤成像能够保留24小时，重要的是，体内的UC发光信号表明，UC成像在肿瘤与背景之间获得高信噪比（SNR）不能在单光子和双光子荧光成像中得到，此外，神经毒素结合NaYF4:Yb3+/Er3+/Ce3+纳米粒子可直接标定生物体的肿瘤，最终得到高度特异性的多肽神经毒素图像。图3.2（a,b)小鼠体内皮下胶质瘤的UC发光成像（左短箭头指示）和MCF-7肿瘤（右长箭头指示），小鼠静脉注射RGD掺Tm3+：NaYF4纳米颗粒（a）和（b）分别为1 h，24 h，左边，中间，和右边依次是明场，UC
28、 PL成像和叠加图像，在胶质瘤中观察到强烈的UC发光信号，而在MCF-7肿瘤没有明显的信号。体内的信噪比=（IROI1IROI3）/（IROI2IROI3），1个代表ROI的特定吸收区；2是ROI的非特异性的区域；3是ROI背景区域,（c,d）是裸鼠体内皮下宫颈癌荷瘤的荧光成像（UC右后腿，指出由白色箭头），UCNPs-NH2静脉注射后无FA（c）和（d）。左和右列代表明亮的图像以及明亮图像和UCPL图像的叠加。 FA作为靶向剂具有稳定性高、无免疫原性并且能够结合多种癌细胞的生物大分子的优点。此外，除正常细胞外叶酸受体在人类多种癌细胞中高度表达，用于特定细胞成像的FA-UCNPs纳米粒子已被研
29、究。近期研究中NaYF4:Yb3+/Er3+6-氨基己酸涂层与羧酸活性剂FA反应得到的FA官能UCNPs已被证实。据发现静脉注射24 h后，在肿瘤中能观察到一个波长为650 nm的UC发光信号，而注射胺官能化UCNPs的小鼠肿瘤无明显的UC发光（图3.2c和d），证明肿瘤的UC发光信号能被FA抑制，进一步证实FA的靶向性。3.3 深层组织成像虽然UCNPs的近红外激发光穿透能力强，紫外/可见UC光仍然可以被生物分子强烈吸收，从而限制了其在深层组织成像中的应用。在近红外波段（7001000 nm）光学透明窗口利于动物组织深层成像，因此NIRin-NIRout UCNPs非常适合小动物全身成像。由
30、于在近红外光谱范围内是UC激发和自体组织荧光低，光的衰减和散射显著减少，所以NIRin-NIRout UCNPs在体内光学生物成像中具有高对比度。源自750-850 nm的Tm3+的强双光子NIRUCPL （3H4过渡到3H6）在980 nm激发时，特别适合于这项研究。Prasad等人第一次将NIRin-NIRout UCNPs UCPL NaYF4:Yb3+/Tm3+纳米粒子用于活体成像。然而，弱荧光只被高度敏感的倍增电荷耦合器件（EMCCD）检测到，EMCCD仍然是提高SBR和成像深度最好工具，Li等人将10纳米柠檬酸修饰的六角形NaLuF4Gd3+/Yb3+/Tm3+UCNPs用于小鼠全
31、身荧光成像，在17.5 W/cm2和980 nm激发密度下UC对这些纳米颗粒的量子产率约为0.47%，并能够得到一个全身渗透深度约2厘米和最高检测限为50的整体小鼠细胞成像，近年来，Prasad等人研发了新型高效的NIRin-NIRout UCNPs（NaYbF4:TM3+）/CaF2核壳，图3.3c是在BALB/c小鼠内进行静脉注射得到全身成像54,在0.3 W/cm2和980 nm激发密度下量子产率可达0.6%。结果表明，在低荧光的背景下3.2厘米厚的猪肉组织中的UCPL信号很容易地检测到16（图3.3d和e）。对于先进的整体光学成像而言，这项研究为三维成像系统的发展奠定了基础。图3.3小
32、鼠注射掺Tm3+：NaYF4后的全身图像（a）解剖后的小鼠（b）红色表示发射物；绿色和黑色的箭头指示显示背景。插图给出了对应于Maestro系统中获得的多光谱图像（c）BALB/c小鼠尾静脉注射（NaYbF4:0.5%Tm3+）/CaF2的核/壳纳米粒子后的全身图像（d）猪肉组织的亮图像（侧视），显示成像深度（e）NaYbF4:0.5%Tm3+）/CaF2的核/壳上覆盖着猪肉组织的UC PL荧光图像。第4章 光学层析成像荧光扩散光学层析成像（FDOT）是计算机断层扫描之一。在一个典型的实验中，一束狭窄的准直光束照到高度分散的生物组织，通过介质传播持续发光并由附着在组织表面的检测器收集，目标模型
33、能够在光学数据的基础上重建并识别周围环境的目标。FDOT是一种简洁,快速和高度敏感的技术，用于三维深部组织成像,这些特性与FDOT对小动物的纵向研究具有很大的吸引力,它已应用于癌症肿瘤，蛋白酶，阿尔茨海默病及不同药物效应。图4.1掺Tm3+的UCNPs（左栏）和FDOT中的有机染料（右列）（a,b）重建后的荧光三维图像框显示的是横截面切片的位置（a）使用重建UCNPs后均匀显示的图（b）用罗丹明后重建的荧光靶两端的图。（c,d）FDOT重建二维图（c）NaYF4:Yb3+/Tm3+NaYF4UCNPs作为造影剂的二次功率和（d）dy-781荧光团线性功率及其相应的强度分布（线图）。常用的FDO
34、T试剂是基于内源性荧光的物质，如血红蛋白、胶原蛋白、弹力蛋白。外源性斯托克斯转移试剂如分子染料或量子点可以提高检测灵敏度。然而，荧光和噪声仍然是FDOT的干扰因素,虽然许多噪音可以采用低噪声设备，但组织自体荧光仍然阻碍传统斯托克斯转移荧光测量。此外，在散射光传播过程中尖锐的空间特征导致线性功率密度低及重建图像的空间分辨率差。 因为内源性荧光发射是斯托克斯转移，UCNP完全能够消除组织自体荧光，因此，UCNPs已替代FDOT中的荧光物质。Xu等人最近证实NaYF4:Yb3+/Tm3+纳米颗粒在受控环境中能对组织模体进行点扫描29，从UCNPs获得的重建光学数据呈均匀分布（图4.1a）。相比之下，
35、从有机荧光团获得的重建光学数据在荧光靶两端有严重伪影（图4.1b）,除了反斯托克斯转移发射外，UC排放物的非线性功率可以进一步利用已被证明，可用来提高图像的最终质量和对比度。实验表明通过合成NaYF4，FDOT重建图像的空间分辨率可以显著提高，虽然UCNPs对FDOT成像的优势已被证明，但UCNPs在体内模型或人体组织模型的治疗效果仍然是无法确定，FDOT对UCNPs的进一步工作对评估其临床实践潜力非常重要。第5章 多模态成像目前生物医学成像技术已被用于生物系统结构和功能的开发，包括磁共振成像（MRI），计算机断层扫描（CT），正电子发射断层扫描（PET），这些成像技术用于解剖,生理，分子和基
36、因组信息，疾病诊断及治疗反应预测，并为开发高度特异性药物和成像试剂提供信息，然而，人类目前使用的成像方法中无法提供全面的医疗成像，为了利用不同的成像方法的优势，在体内研究方面多式联合成像是一个有吸引力的方法。UCNPs广泛应用和快速发展为多模态成像提供了机遇。UCPL光谱学和影像学可以在同一个多模态成像框架中探索，因此这是本部分的重点。5.1 上转换发光和磁共振成像（MRI）结合这些成像方式的优点，基于Ln3+-UCNPs的体外多模态成像和体内UC PL双模态及MRI成像纳米探针已被开发和利用，有七成对内4f电子的Gd3+离子基材料能作为磁共振造影剂，可以有效地改变协调质子自旋晶。造影剂的其他
37、主要种类是基于改变T2加权MRI成像的自旋自旋（或横向）时间，常用的超顺磁性氧化铁属于阴性造影剂，它可以使图像模糊。纳米矩阵吸收Gd3+离子可大大增加Gd3+纳米级浓度，从而为合成T1-MRI造影剂提供一种有效方法。有两种好的策略来构建UCPL/MRI功能探针：（i）将Yb3+/Er3+或Tm3+掺杂进Gd3+的晶格来达到高效UCPL和MRI成像；(ii）利用核壳结构对UCPL和GD3+的壳芯基化合物核磁共振。在Gd3+基纳米材料的基础上用于体外或体内双模态UC PL /磁共振成像的各种纳米材料已被开发,其中通过第一种方法获得的纳米材料有Er3+/Yb3+/Gd3+NaYF425,37,39,
38、Yb3+/Tm3+/Gd3+NaYF414,26,Yb3+/Er3+NaGdF420,Yb3+/Er3+ /Tm3+ NaGdF4 ，T1MRI在0.145.6mm-1 s-1范围内，亲水性最好的是掺杂Yb3+/Er3+ /Tm3+的NaGdF4。通过第二种方法构建的纳米材料包括 NaGdF4:Yb3+/Er3+NaGdF4,NaYF4:Tm3+NaGdF432,NaLuF4:Yb3+/Tm3+SiO2-GdDTPA22,NaYF4:Yb3+/Tm3+/Gd3+mSiO240,NaLuF4:Gd3+/Yb3+/Tm3+NaYF4Si-DTTA-Gd3+。T1MR在0.486.8s-1mm-1
39、范围内的,其中亲水性最高的是NaLuF4:Yb3+/Tm3+SiO2-GdDTPA壳,值得指出的是，这些作为双模态成像剂的纳米颗粒，例如NaYF4:Yb3+/Er3+ NaGdF4介孔二氧化硅,含顺铂的二氧化硅壳42。将锰掺入UCNPs上是另一种构建UC PL和 T1 MRI造影剂的途径，有五个未成对电子的Mn2+离子可提高组织中的水质子运动速率，近期一项研究中，Tan等人研究表明掺杂有Yb3+/Er3+的10nm NaMnF3或者Tm3+ 纳米粒子可产生高度敏感的UC与T1MR信号，T1MR常数能够达到12.687mm-1 s-1。由于其磁矩大，超顺磁性氧化铁（Fe3O4）纳米粒子已被用于U
40、CPL成像，例如，Liu等人已成功研制出能结合光学和磁学性质的多功能纳米粒子NaYF4:Yb3+/Er3+ Fe3O4Au30（图5.1，列I）。这些多功能纳米粒子通过简单组装层层合成，在UCNPs表面依次负载氧化铁纳米颗粒和纳米金颗粒，老鼠的后肢淋巴结可同时在UCPL模式和T2加权MRI模式下成像，联合双模态成像的优势能够最大化的显示。此外，Li等人研发了一种可以作为T2MRI和UCPL淋巴双峰显像的显像剂：NaYF4:Yb3+/Tm3+FexOy纳米核壳结构24（图5.1，第二栏），这项研究丰富了成像对比的选择性，来指导临床外科无皮肤淋巴结研究与诊断。通过引入量子产率高的NaLuF4作为发
41、光壳，Li等人也设计和合成了Fe3O4NaLuF4:Yb3+/Er3+ /Tm3+的纳米结构，它可以作为UCPL和T2MR成像剂24。图5.1（IaC）UCPL（Ia），明场（Ib），合并（Ic）一个KB荷瘤小鼠静脉注射1h后多功能纳米粒子的图像,（Id）多功能纳米粒子在肝、脾、肿瘤、骨的积累的体外UCPL成像和小鼠KB荷瘤注射多功能纳米粒子24小时后的肺，（Ie）和（If）未注射多功能纳米颗粒的T2加权成像和多式联运的UCPL成像，（Ig）（Ih）体内淋巴管T2MR造影成像的映射。注射NaYF4后的体内淋巴系统UCPLl成像，注射掺Tm3+ /FexOy纳米粒子的裸小鼠在不同时间：（II）0
42、min，（B）10min，和（C）20minT2加权图像（IIf）和注射不同摩尔浓度去离子水的MRI图像。（IIg）弛豫率R2（1/2）与不同摩尔浓度Yb3+/Tm3+ FexOy纳米粒子在室温下使用的3TMRI扫描仪。（2h）注射掺Tm3+ NaYF4/FexOy纳米粒子后在不同的时间腋下MRI图像。5.2 上转换发光和X射线计算机断层扫描（CT）X射线计算机断层扫描（CT）是一种成像程序，利用计算机处理身体特定区域X射线产生的断层图像，这些横断面图像用于各种医学学科的诊断和治疗，镧系元素在医疗X射线光谱范围内具有较高的原子序数和k值，能够建增强CT的射线。近期，稀土纳米材料结合能够作为CT
43、和UC发光成像造影剂，例如，Cui等人证明了稀土掺杂NaGdF4纳米粒子能够作为体内有效双模UC发光成像和CT成像的造影剂，如图5.2所示26，重要的是，根据X射线成像的基本原理，通过CT对比UCNPs上的元素，Lu等人已经合成了几种具有优良成像性能的CT造影剂25,26，例如掺杂Yb3+的NaYbF4造影剂，与目前常用的CT造影剂相比可增强的对比度27，他们还在单一的NP内合成了边值差别较大Ba2+和Yb3+来产生一个二元造影剂，比碘剂在不同电压中呈现不同的对比度，适用于各种患者的影像学诊断，然而，由于基质中缺乏发光激活剂，Lu等人开发的NPs无法同时进行CT和UC PL成像，但是通过将Tm
44、3+ 或Er3+掺杂到NaYbF4和BAYbF5纳米粒子，这个缺点是可以克服的15,29，此外，Shi等人发现除了CT和UC发光成像外，BAYbF5：Er3+纳米粒子在肿瘤放射治疗中也可以作为放射增强剂37，这为UCNPs提供了一个可转换范式，即利用多模态图像中的位置与肿瘤放射物来确定位肿瘤位置，UCNPs晶格中的不同重金属元素的放射增强效果也是一个值得探讨的领域。图5.2体内荧光成像的（Ia）和X射线成像（Ib）,皮下注射NaGdF4：Yb3+/Er3+后的小鼠（左）和（右）。皮下注射稀土NaGdF4纳米粒子的小鼠体内CT图像，(IIa)注射稀土NaGdF4纳米粒子鼠的照片（II b c）背
45、部的横向图像，注射部位的HU值为468(IId，e)臀部的横向图象，注射部位的HU值为465。5.3 上转换发光和正电子发射断层扫描（PET）正电子发射断层扫描（PET）是一种核医学成像技术，通过成像造影剂中的正电子发射出的放射性核素间接地检测出射线，从而生成体内三维图像。发展新型UCPL和PET成像造影剂是很有意义的，因此能够获得更多的生命系统的相关细节，其中18F是使用最广泛的放射性核素，它已成为一个用于整体成像临床工具，由于18F的短半衰期，能够快速结合18F的高反应收率探针是至关重要的，通过在18F溶液浸泡五分钟的UCNPs，Li等人开发了一种能够简单、快速、有效合成18FUCNPs标
46、记物的方法26，18F和稀土离子通过简单的方式将18F-吸引到UCNPs表面，发现这些18F标记的UCNPs可以用于监测体内淋巴的分布（图5.3b），因此18F标记的UCNPs将成为UCPL和PET成像的造影剂。图5.3（a）18F标记的稀土纳米材料示意图（RE）和淋巴结成像机理（18F标记物是由稀土RE离子和18F反应）。淋巴细胞进入淋巴结门主要是通过非选择性的内皮细胞跨膜转运进入淋巴结的淋巴系统。30分钟后淋巴结上皮下注射18F 的PET显像（b）和PET/CT成像（c）,左爪垫皮下注射18 FUCNPs后三十分钟淋巴结内的信号迅速达到峰值强度，并保持高达60分钟。5.4 上转换材料在多重
47、成像中的应用具有不同性质的纳米粒子组合能够合成多模态成像的纳米药物，UCNPs的多式联运能力一般依赖于主晶格中的稀土离子，Li和同事们研发了一种基于NaYF4:Gd3+/Yb3+/Er3+或者NaYF4:Yb3+/Tm3+NaGdF4的放射性磁性纳米粒子,放射性核素18F处理后的纳米颗粒能够用于PET显像，Gd3+离子可以用于MRI成像，Yb3+/Er3+能够用于UCPL成像42。将核壳结构的分离层和部分纳米粒子合并到UCNPs上是一种有效的成像方法，这种策略的优点是不同的成像方式在空间上隔离能够最大限度地减少彼此之间的干扰，例如，Fe3O4NaLuF4:Yb3+/Er3+ /Tm3+ 核壳纳
48、米结构和NaLuF4:Yb3+/Tm3+SiO2-GdDTPA已被用作为CT/MRI/UCPL联合成像的探针（图5.4）41,43，Shi等人合成的TaOX修饰NaYF4：Yb3+/Er3+ /Tm3+NaGdF4纳米粒子核壳也可用于活体三模成像41，最近以来，NaLuF4:Yb，TmNaGdF4（153Sm）纳米粒子核壳也用于SPECT/CT/MR/UCPL四模成像，构建多模态成像纳米探针的实质是利用GD3+，Fe3O4，TaOx的顺磁性实现MRI成像，利用镧系离子X射线的高衰减（例如，Lu3+或Yb3+）实现CT成像,利用Yb3+/Er3+ /Tm3+稀土元素实现UC PL成像，利用放射性核153Sm实现SPECT成像或18F放射性核素实现PET成像，多模态成像能够在配方颗粒中完成，通过设计合理、明确分级的稀土离子纳米结构的选择，通过多式联运的纳米粒子共轭光活化铂（IV）药物系统来实现肿瘤治疗成像，多功能的药物传递