上转换荧光探针辅助的光学成像技术在肿瘤显影中的应用研究进展
海热古·吐逊, 郭乐, 丁嘉仪, 周嘉琪, 张学良, 努尔尼沙·阿力甫
无机材料学报
2025, 40 ( 2):
145-158.
DOI:10.15541/jim20240058
肿瘤的早期诊断是癌症高效诊疗的关键基础。可视化荧光成像技术凭借其高时间-空间分辨率、高灵敏度、无电离辐射、无创和实时成像等优点, 在生物医学领域尤其是肿瘤的早期诊断中展现出巨大应用潜力。与可见光相比, 近红外(Near-infrared, NIR)光穿透生物组织时, 其受到的吸收和散射显著减少, 这一特性使得基于NIR光的荧光成像技术在生物医学领域展现出高信噪比及高空间分辨率的独特优势, 而高质量NIR荧光成像依赖于性能卓越的荧光探针。在众多荧光探针中, NIR光激发的上转换纳米颗粒(Upconversion Nanoparticles, UCNPs)因其低毒性、窄带发射、可调发射、长荧光寿命、良好的光化学稳定性以及高量子产率等优异特性, 在荧光成像领域脱颖而出。本文总结了上转换荧光探针的基本原理、合成方法、改性与修饰技术, 重点阐述了稀土掺杂上转换荧光探针在几种典型成像模式及肿瘤多模态成像中的最新研究进展, 并对进一步实现诊疗一体化的应用研究进行了展望。
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图11
双光敏剂二氢卟吩e6(Ce6)和孟加拉玫瑰红(RB)结合形成的MOF@UCNP用于MRI/UCL双模态成像[69]
正文中引用本图/表的段落
大量体外实验和动物体内实验证实, UCNPs在医学显影领域的应用前景较好, 但要实现临床应用仍面临两大挑战: 一是激发UCNPs时所用的波长980 nm光会引发过热效应, 二是光敏剂的UCL利用率低。为了解决这两个问题, Li等[69]采用静电自组装策略构建了一种以单个MOF为核心的MOF@UCNPs复合纳米体系。体外和体内实验证明, 该复合纳米体系能同时具备MRI和UCL成像功能,可使用808 nm光激发, 这不仅避免了激发时辐照诱导的过热效应, 而且展现了优异的抗肿瘤效果(图11)。另外, Yang等[70]采用MIL-100(Fe)封装NaGdF4:Yb/Tm@NaGdF4:Yb/Nd, 构建了核-壳结构的UCNPs@MIL-100(Fe)。该UCNPs也可使用808 nm光激发, 避免辐照诱导的过热效应, 而且其中的Gd和Fe元素还能在CT成像中提高对比度, 增强T1型MRI效果。
(a) Schematic illustration of preparation of Lip-FNPs-Gd nanocomposites and ferrocene/selenium-mediated applications in T1-T2 MRI/UCL multimodal imaging and NIR-promoted Fenton therapy of tumors; (b) UCL, (c) T1- and T2-weighted MRI of AGS tumor-bearing mouse for different periods of time; Corresponding T1 (d) and T2 (e) intensity analysis of tumor MRI in (c) ... Core-satellite metal-organic framework@upconversion nanoparticle superstructures via electrostatic self-assembly for efficient photodynamic theranostics 3 2020 ... 大量体外实验和动物体内实验证实, UCNPs在医学显影领域的应用前景较好, 但要实现临床应用仍面临两大挑战: 一是激发UCNPs时所用的波长980 nm光会引发过热效应, 二是光敏剂的UCL利用率低.为了解决这两个问题, Li等[69]采用静电自组装策略构建了一种以单个MOF为核心的MOF@UCNPs复合纳米体系.体外和体内实验证明, 该复合纳米体系能同时具备MRI和UCL成像功能,可使用808 nm光激发, 这不仅避免了激发时辐照诱导的过热效应, 而且展现了优异的抗肿瘤效果(图11).另外, Yang等[70]采用MIL-100(Fe)封装NaGdF4:Yb/Tm@NaGdF4:Yb/Nd, 构建了核-壳结构的UCNPs@MIL-100(Fe).该UCNPs也可使用808 nm光激发, 避免辐照诱导的过热效应, 而且其中的Gd和Fe元素还能在CT成像中提高对比度, 增强T1型MRI效果. ...
(a) Schematic illustration of fabrication process and operation for imaging-guided photodynamic therapy (dual photosensitizers of Ce6 and RB loaded into MOF nanoparticles and further combined with NaGdF 4: Yb,Er@NaGdF 4: Nd/Yb via electrostatic interaction to form MOF@UCNP (denoted as CR@MUP)); (b) Fluorescence images of 4T1 tumor-bearing mice at different time after intravenous injection of CR@MUP with white circles showing the tumors; (c) T1-weighted MR images and T1 relaxation curves of CR@MUP; (d) T1-weighted MR images with white circles showing the tumors; (e) Quantification analysis of MR signals of 4T1 tumor-bearing mice treated with CR@MUP ... Metal-organic frameworks join hands to create an anti-cancer nanoplatform based on 808 nm light driving up-conversion nanoparticles 1 2018 ... 大量体外实验和动物体内实验证实, UCNPs在医学显影领域的应用前景较好, 但要实现临床应用仍面临两大挑战: 一是激发UCNPs时所用的波长980 nm光会引发过热效应, 二是光敏剂的UCL利用率低.为了解决这两个问题, Li等[69]采用静电自组装策略构建了一种以单个MOF为核心的MOF@UCNPs复合纳米体系.体外和体内实验证明, 该复合纳米体系能同时具备MRI和UCL成像功能,可使用808 nm光激发, 这不仅避免了激发时辐照诱导的过热效应, 而且展现了优异的抗肿瘤效果(图11).另外, Yang等[70]采用MIL-100(Fe)封装NaGdF4:Yb/Tm@NaGdF4:Yb/Nd, 构建了核-壳结构的UCNPs@MIL-100(Fe).该UCNPs也可使用808 nm光激发, 避免辐照诱导的过热效应, 而且其中的Gd和Fe元素还能在CT成像中提高对比度, 增强T1型MRI效果. ... Manganese-enhanced magnetic resonance imaging (MEMRI) 1 2004 ... 为了解决UCNPs辐照过热效应和光敏剂的UCL利用率低的问题, 含Mn2+的UCNPs作为一种T1加权MRI造影剂用于癌症诊断已得到广泛研究.在MRI中, Mn2+通过影响水分子回归磁场平衡状态的速度, 进而提高信号强度[71].为充分利用Mn2+的这一性能, Zhang等[72]以聚丙烯酸为化学交联剂, 将聚赖氨酸修饰的黑磷纳米片(BPNs)与磁性Fe3O4@MnO2及NaYF4: Yb/Er/Nd上转换纳米颗粒(MUCNPs)相结合, 构建了MUCNPs@BPNs纳米颗粒.随后, 将生物相容性良好的光敏剂二氢卟吩e6(Ce6)附着在颗粒表面, 制备了MUCNPs@BPNs-Ce6纳米复合材料.Fe3O4和MnO2纳米颗粒赋予了该复合材料T1和T2 MRI功能, 与Ce6的UCL相结合, 形成了一个多模态成像系统.在波长808 nm的单光辐照下, 能够同时激活光热疗法(Photothermal Therapy, PTT)与光动力疗法(Photodynamic Therapy, PDT).此外, MnO2还能够在肿瘤微环境中分解过氧化氢(H2O2)生成氧气(O2), 进一步增强PDT的效果.基于磁性BPNs的纳米复合材料提供了多模态成像功能(包括MRI、UCL成像以及光声、超声成像), 并通过可视化协同PDT, 显著促进肿瘤细胞死亡(图12). ... A theranostic nanocomposite with integrated black phosphorus nanosheet, Fe3O4@MnO2-doped upconversion nanoparticles and chlorin for simultaneous multimodal imaging, highly efficient photodynamic and photothermal therapy 3 2020 ... 为了解决UCNPs辐照过热效应和光敏剂的UCL利用率低的问题, 含Mn2+的UCNPs作为一种T1加权MRI造影剂用于癌症诊断已得到广泛研究.在MRI中, Mn2+通过影响水分子回归磁场平衡状态的速度, 进而提高信号强度[71].为充分利用Mn2+的这一性能, Zhang等[72]以聚丙烯酸为化学交联剂, 将聚赖氨酸修饰的黑磷纳米片(BPNs)与磁性Fe3O4@MnO2及NaYF4: Yb/Er/Nd上转换纳米颗粒(MUCNPs)相结合, 构建了MUCNPs@BPNs纳米颗粒.随后, 将生物相容性良好的光敏剂二氢卟吩e6(Ce6)附着在颗粒表面, 制备了MUCNPs@BPNs-Ce6纳米复合材料.Fe3O4和MnO2纳米颗粒赋予了该复合材料T1和T2 MRI功能, 与Ce6的UCL相结合, 形成了一个多模态成像系统.在波长808 nm的单光辐照下, 能够同时激活光热疗法(Photothermal Therapy, PTT)与光动力疗法(Photodynamic Therapy, PDT).此外, MnO2还能够在肿瘤微环境中分解过氧化氢(H2O2)生成氧气(O2), 进一步增强PDT的效果.基于磁性BPNs的纳米复合材料提供了多模态成像功能(包括MRI、UCL成像以及光声、超声成像), 并通过可视化协同PDT, 显著促进肿瘤细胞死亡(图12). ...
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