镧系元素掺杂的核壳纳米粒子作为成像和光动力疗法的多模态平台
纳米科技
作者：X-MOL
2018-12-06
注：文末有研究团队简介 及本文作者科研思路分析
抗生素在临床、农业和畜牧业的滥用导致大量耐药细菌的出现。探索多重耐药细菌诊断和治疗的新策略和方法成为目前人们关注的热点。光动力抗菌化学疗法以释放氧化活性物质（ROS）的方式杀伤多重耐药细菌，避免细菌产生抗性，从而成为抗菌研究的新方向。西安交通大学的胡敏、刘成程研究团队基于稀土纳米发光材料构建的诊疗一体化平台，实现了对多重耐药细菌的多模成像诊断和光动力治疗。
由于目前广泛使用的光敏剂吸收大多位于紫外或可见区，生物组织在该区具有强散射与吸收，导致紫外和可见光在生物组织中有很大的衰减，位于深层的生物组织很难获得良好的治疗效果，限制了光动力抗菌化学疗法在临床上的广泛应用。
西安交通大学的胡敏、刘成程团队设计了一种核-壳-壳结构的纳米平台（NaYF4:Yb,Er@NaGdF4:Nd@SiO2-RB）。其中，上转换发光材料通过多光子过程吸收低能量的近红外光，发射高能量的紫外或可见光，再传递给外层的光敏剂分子孟加拉玫瑰红（RB），激发ROS的产生，提高了光动力的治疗深度。同时，壳层掺杂的Nd3+在808 nm激发下发射1060、1330 nm的下转换荧光，此波段位于生物组织第二光学窗口，具有良好光学成像能力。另外，壳层的Gd3+具有优良的核磁共振成像能力，从而实现光学、核磁共振多模成像。
在980 nm的激发下，NaYF4:Yb,Er@NaGdF4:Nd@SiO2-RB的上转换荧光能量共振转移到壳层外面的RB激发ROS的产生，对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）和产超广谱β-内酰胺酶的大肠埃希菌（ESBL-E.coli）均表现出良好的光动力抗菌活性。在808 nm的激发下，纳米粒子发射强的下转换荧光（1060 nm）在5 mm厚度的生物组织下仍能保留明显的荧光强度。第二光学窗口的发射具有良好的穿透能力，可以提高光学成像的灵敏度和成像分辨率。体外和体内核磁共振成像研究表明，纳米平台也表现出优越的T1 弛豫性能。
这一成果近期发表在Chemical Communications上，文章的第一作者是西安交通大学的硕士研究生许飞亚，通迅作者为西安交通大学的胡敏副教授和刘成程副教授。
该论文作者为：Feiya Xu, Yiming Zhao, Min Hu, Pu Zhang, Ning Kong, Ruiyu Liu, Chengcheng Liu and Seok Ki Choi
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Lanthanide-doped core-shell nanoparticles as a multimodality platform for imaging and photodynamic therapy
Chem. Commun., 2018, 54, 9525, DOI: 10.1039/C8CC05057K
胡敏博士、刘成程博士简介
胡敏，西安交通大学理学院副教授，2010年于西安交通大学取得博士学位，2010年至2011年美国哈佛医学院生物系统所访问学者，2016年至2017年美国密西根大学安娜堡分校访问学者，2011年起就职于西安交通大学。
http://www.x-mol.com/university/faculty/50136
刘成程，西安交通大学基础医学院副教授，2013年于西北大学取得博士学位，2016年至2017年美国俄克拉荷马大学访问学者，2013年起就职于西安交通大学。
胡敏、刘成程副教授长期从事新型光磁多功能功能纳米成像材料的开发和抗菌、抗肿瘤诊疗一体化体系的构建，已在ACS Appl. Mater. Interfaces、Chem. Commun.、J. Mater. Chem. C和Chem. Eng. J.等学术期刊发表多篇论文。
科研思路分析
Q：该研究的启发来源是什么？
A：该研究致力于构建诊疗一体化平台，将诊断与治疗相结合。众所周知，相对于疾病的治疗，诊断显得更为重要。有效的诊断对治疗有着重要的引导作用，并且可以对治疗效果进行监测。我们的工作就是通过构建稀土纳米发光材料构建诊疗一体化平台，结合稀土材料的光学性能实现荧光和核磁共振多模成像诊断。
Q：该项研究有哪些意义和创新点？
A：该研究有三个创新点：（a）耐药性细菌光动力治疗深度有限，该研究设计的NaYF4:Yb,Er@Gd:Nd核壳在近红外光的激发下实现光治疗，提高了光动力治疗的深度；（b）目前的光学成像窗口单一，该研究不限于980 nm激发下发射较强的上转换荧光，通过壳层掺Nd3+使其808 nm激发下具有1060、1330 nm处的下转换荧光，该波段位于生物组织第二光学窗口，具有良好光学成像和温度传感的能力。（c）近红外光激发改善了荧光成像的深度和信噪比问题，但是光学成像自身的问题仍存在。光学成像灵敏度高，但是成像分辨率比较低。壳层稀土元素Gd3+的引入可用于MRI。MRI具有高分辨率，构建荧光/核磁共振成像可获得高灵敏度、高分辨率的多模成像探针。