基于納米顆粒磁致熱療技術(shù)的研究.pdf

1、運(yùn)用磁性納米顆粒的磁流體熱療屬于磁介導(dǎo)熱療的范疇，它主要利用磁性顆粒在外加交變磁場(chǎng)下基于顆粒布朗旋轉(zhuǎn)、尼爾弛豫等效應(yīng)而產(chǎn)熱，從而對(duì)腫瘤組織進(jìn)行局部加熱的一種有效治療手段。在推動(dòng)磁流體熱療發(fā)展的道路上還面臨著眾多需要解決的技術(shù)問(wèn)題，包括：磁流體熱療需要穩(wěn)定性好、生物兼容性好、產(chǎn)熱值高的磁性顆粒；磁流體熱療需要特定的磁場(chǎng)強(qiáng)度和頻率的交變磁場(chǎng)設(shè)備；磁流體熱療需要精確的溫度測(cè)量和溫度控制技術(shù)等。
　　 在研發(fā)出交變磁場(chǎng)設(shè)備和制備出磁性納

2、米顆粒的基礎(chǔ)上，溫度控制技術(shù)在實(shí)驗(yàn)和臨床應(yīng)用中的地位顯得尤為重要。目前，在熱療應(yīng)用中，測(cè)溫技術(shù)依賴(lài)于熱電偶、光纖傳感器等有創(chuàng)的測(cè)溫裝置。這些技術(shù)是有創(chuàng)的。計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)它能夠根據(jù)外加磁場(chǎng)的分布特征以及空間SAR值的分布特性、結(jié)合生物組織的物性參數(shù)模擬出實(shí)際加熱過(guò)程中溫度隨時(shí)間的變化過(guò)程，而且能夠計(jì)算出溫度場(chǎng)在組織內(nèi)空間各個(gè)點(diǎn)分布情況，因此該項(xiàng)技術(shù)在溫度控制中是一項(xiàng)重要的研究方向。臨床熱療需要在術(shù)前預(yù)先了解溫度場(chǎng)的信息，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬出的

3、結(jié)果將給臨床提供可靠的、全面的溫度信息支持，使得臨床計(jì)劃獲得實(shí)施的可能，從而能夠有力的推動(dòng)熱療技術(shù)的發(fā)展。磁介導(dǎo)熱療與微波、射頻、超聲熱療相比，具有自身的熱場(chǎng)分布特點(diǎn)，磁介導(dǎo)熱療在熱場(chǎng)模擬中除了需要考慮磁場(chǎng)的分布、SAR值的分布，還需要考慮磁介質(zhì)在瘤區(qū)分布的空間位置。前期發(fā)表的一些關(guān)于磁介導(dǎo)熱療的模型里，大部分熱模型僅僅停留在理論假設(shè)階段，外部是均勻的磁場(chǎng)分布、或者體內(nèi)是均勻的磁介質(zhì)分布，這種理想條件脫離了磁介導(dǎo)熱療實(shí)際情況。目前磁介導(dǎo)

4、熱療熱場(chǎng)研究也缺少建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、把?shí)驗(yàn)值和理論計(jì)算值結(jié)合起來(lái)分析的方法。因此，精確的、系統(tǒng)的分析非均勻外場(chǎng)和非均勻磁介質(zhì)分布的情況下的熱場(chǎng)分布是磁流體熱療的重要內(nèi)容，它也是臨床計(jì)劃的核心技術(shù)。
　　 為了通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到組織內(nèi)納米顆粒在交變磁場(chǎng)下的產(chǎn)熱率，本論文在體外建立了一個(gè)磁性納米顆粒-瓊脂糖凝膠模型。在該模型里，磁性納米顆粒被均勻分散，因此模型里空間點(diǎn)SAR值分布直接反映出空間磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布情況。運(yùn)用不受磁場(chǎng)干擾的光纖溫度

5、感應(yīng)探頭測(cè)量并根據(jù)溫升曲線(xiàn)的起始斜率計(jì)算出磁性顆粒SAR值。SAR值是溫度場(chǎng)模擬計(jì)算中重要的參數(shù)之一，因此，在體外模型中獲得SAR值后，就可以根據(jù)其它物性參數(shù)模擬計(jì)算出的溫度場(chǎng)分布。本論文在算出凝膠模型的溫度場(chǎng)之后，還把理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值做了對(duì)比，結(jié)果顯示兩者具有很好的一致性。
　　 在建立體外模型并獲得磁性顆粒SAR空間分布的基礎(chǔ)上，本論文進(jìn)一步建立了體內(nèi)模型，通過(guò)動(dòng)物腫瘤模型實(shí)驗(yàn)獲得的磁性顆粒在體內(nèi)組織分布的特征。實(shí)驗(yàn)從

6、兔肝VX-2腫瘤模型入手，通過(guò)動(dòng)脈栓塞的微創(chuàng)手術(shù)，將碘油-納米顆粒混合物注入瘤區(qū)。后通過(guò)病理切片和CT觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)磁性納米顆粒主要集中分布于腫瘤血管豐富的邊緣。根據(jù)這一特征，本論文建立了一個(gè)體內(nèi)三維模型模擬出腫瘤組織在磁流體熱療升溫情況。該模型的計(jì)算結(jié)果可以在理論上解釋動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中體內(nèi)的溫升特性，能夠預(yù)測(cè)在特定的磁場(chǎng)參數(shù)下、一定劑量的磁性顆粒能夠在腫瘤區(qū)域升高的溫度，可以計(jì)算出組織內(nèi)熱場(chǎng)動(dòng)態(tài)的隨時(shí)間的分布情況，還可以計(jì)算出達(dá)到熱療治療效果體

7、內(nèi)所需要注入的磁性顆粒的劑量，該模型的建立可以用來(lái)指導(dǎo)后續(xù)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和細(xì)胞實(shí)驗(yàn)。
　　 在理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，本論文發(fā)現(xiàn)為了保證瘤區(qū)獲得熱療所需的治療溫度，體內(nèi)腫瘤區(qū)域需要注入高濃度的磁性納米顆粒。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，注入高濃度的磁性納米顆粒會(huì)使得碘油混合物粘度增加，給手術(shù)帶來(lái)困難。為了保證療效并且降低納米顆粒的使用劑量，可以考慮使用熱療增敏劑。本論文在細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中，首次發(fā)現(xiàn)并驗(yàn)證了銀納米顆粒的熱療增敏效應(yīng)。本論文同時(shí)也證明了銀

8、納米顆粒也是放療增敏劑，并提出了綜合運(yùn)用銀納米顆粒、磁性納米顆粒和X射線(xiàn)綜合治療腫瘤以提高對(duì)腫瘤細(xì)胞的殺傷作用。
　　 論文的主要研究?jī)?nèi)容及取得的研究成果如下：
　　 1.考慮外加交變磁場(chǎng)的衰減性質(zhì)，研究了體外測(cè)量磁納米顆粒SAR值方法
　　 磁介導(dǎo)熱療理想的情況是：均勻的外加磁場(chǎng)下，體內(nèi)均勻分布的納米顆粒產(chǎn)生足夠的熱場(chǎng)對(duì)腫瘤組織進(jìn)行熱療。實(shí)際上，外部的交變磁場(chǎng)在空間上存在一定的空間分布，磁場(chǎng)的衰減會(huì)導(dǎo)致體內(nèi)熱源

9、的非均勻分布，因此精確的模擬中必須考慮這一因素。但由于在組織內(nèi)空間分布的磁場(chǎng)參數(shù)難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確測(cè)量，并且與磁場(chǎng)參數(shù)相對(duì)應(yīng)的磁性顆粒發(fā)熱值存在換算關(guān)系的非確定性，因此本文在體外建立了瓊脂糖-磁性納米顆粒凝膠模型。運(yùn)用該模型通過(guò)不受磁場(chǎng)干擾的光纖溫度傳感器測(cè)量并計(jì)算出空間分布的SAR值，而SAR值只需和磁性顆粒空間的質(zhì)量分布，這兩者的乘積決定了模擬計(jì)算所需的熱源分布，從而避免了在組織中直接對(duì)磁場(chǎng)參數(shù)的測(cè)量。同時(shí)，SAR值的空間分布也反映出

10、外部磁場(chǎng)的衰減情況。
　　 2.根據(jù)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，獲得體內(nèi)磁性納米顆粒分布并建立體內(nèi)計(jì)算模型
　　 利用VX-2病毒誘導(dǎo)建立兔肝癌模型，將磁性納米顆粒溶入碘油，在X-射線(xiàn)導(dǎo)引下，利用微導(dǎo)管通過(guò)股動(dòng)脈將溶有磁納米顆粒的碘油選擇性的注入提供腫瘤營(yíng)養(yǎng)的動(dòng)脈。一方面，碘油栓塞住了給腫瘤組織提供營(yíng)養(yǎng)的動(dòng)脈，切斷其營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供給；另一方面，分布在腫瘤組織血管內(nèi)的磁納米顆粒在外加的交變磁場(chǎng)下可以對(duì)腫瘤組織進(jìn)行加熱。對(duì)兔肝VX-2模型進(jìn)行

11、磁性納米顆粒栓塞熱療的研究表明，由于腫瘤增殖過(guò)快，往往在腫瘤核心區(qū)域會(huì)形成壞死，CT和病理切片顯示磁性納米顆粒大多集中于腫瘤組織血管豐富的外周。根據(jù)上述的實(shí)驗(yàn)得知，納米顆粒在體內(nèi)是非均勻分布于腫瘤區(qū)域的，因此本文建立了磁性顆粒非均勻體內(nèi)分布的模型，并結(jié)合外部磁場(chǎng)非均勻性的特征，利用測(cè)量得到的SAR值對(duì)兔肝VX-2肝動(dòng)脈栓塞熱療進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)論顯示了在熱療過(guò)程中溫度最高和最低值往往不會(huì)出現(xiàn)在腫瘤內(nèi)核部位，而會(huì)產(chǎn)生于腫瘤的邊緣。這與動(dòng)物

12、實(shí)驗(yàn)測(cè)溫的結(jié)果相吻合。
　　 3.發(fā)現(xiàn)了銀納米顆粒具有熱療增敏劑的性質(zhì)
　　 為了保證熱療效果，磁性介導(dǎo)熱療需要提供合適的熱劑量。體內(nèi)的模擬計(jì)算顯示，為了保證熱劑量需要在瘤區(qū)注入高濃度的磁性納米顆粒，這往往給手術(shù)的實(shí)施帶來(lái)了困難。利用增敏劑可以在保證療效的同時(shí)降低磁性納米顆粒的使用濃度。本論文在細(xì)胞水平上首次發(fā)現(xiàn)，銀納米顆粒具有增強(qiáng)熱療效果的效應(yīng)，并且增敏效果具有尺寸依賴(lài)性。凋亡檢測(cè)結(jié)果顯示，AgNPs結(jié)合熱療能夠顯著提

13、高腫瘤細(xì)胞的凋亡率；細(xì)胞周期檢測(cè)顯示，AgNPs能夠引起腫瘤細(xì)胞G2/M期阻滯，而隨后的加熱能夠清除這一阻滯。荷瘤鼠實(shí)驗(yàn)表明，磁性納米顆粒熱療能夠顯著降低腫瘤組織的生長(zhǎng)曲線(xiàn)。免疫組化檢測(cè)顯示，磁性納米顆粒熱療能夠顯著增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞Bax蛋白表達(dá)，而納米銀結(jié)合磁性納米顆粒熱療相對(duì)單純熱療組能夠使得腫瘤細(xì)胞Bax蛋白進(jìn)一步表達(dá)。
　　 4.驗(yàn)證了銀納米顆粒具有放療增敏劑的性質(zhì)
　　 納米顆粒在腫瘤的診斷與治療中越來(lái)越顯現(xiàn)出其潛

14、在的應(yīng)用價(jià)值。本論文采用了兩種納米結(jié)構(gòu)，分別研究了它們?cè)谀[瘤放射治療領(lǐng)域中的生物學(xué)效應(yīng)。第一類(lèi)納米結(jié)構(gòu)以12nm單分散的Fe3O4為核、表面包覆了DMSA、silane-PEG、-COOH、-NH2。集落形成實(shí)驗(yàn)顯示：表面包覆DMSA、silane-PEG的Fe3O4對(duì)腦膠質(zhì)瘤細(xì)胞生存曲線(xiàn)沒(méi)有明顯改變，而表面包覆-COOH、-NH2的Fe3O4能顯著影響細(xì)胞生存分?jǐn)?shù)。從生存曲線(xiàn)的起始值判斷，表面包覆-COOH、-NH2具有潛在的生物毒性

15、，并沒(méi)有在本質(zhì)上改善腫瘤細(xì)胞的放射敏感性。第二類(lèi)納米結(jié)構(gòu)以同在檸檬酸鈉體系中得到的金和銀納米顆粒。集落形成實(shí)驗(yàn)顯示：金顆粒對(duì)腫瘤細(xì)胞的生存曲線(xiàn)沒(méi)有顯著改變；而銀顆粒卻能夠提高腫瘤細(xì)胞的放射敏感性，并且這種效應(yīng)具有尺寸依賴(lài)性。
　　 5.提出綜合運(yùn)用AgNPs、MNPs和X射線(xiàn)共同作用增加對(duì)腫瘤細(xì)胞的殺傷作用
　　 本文最后提出了綜合運(yùn)用銀納米顆粒、磁性納米顆粒和X射線(xiàn)綜合治療腫瘤以提高對(duì)腫瘤細(xì)胞的殺傷作用。集落實(shí)驗(yàn)顯示，