新型造影剂在小鼠肝脏肿瘤Micro-CT活体成像中的应用

目的利用新型纳米颗粒造影剂结合Micro-CT成像技术,建立小鼠肝脏成像方法,并用于肝脏肿瘤的活体成像。方法 6只6-8周龄雄性C57BL/6J小鼠随机分成A组和B组,分别尾静脉注射纳米颗粒造影剂Exi Tron nano 12000 50μL和100μL;在注射前、注射后3 min、24 h、7 d、14 d、28 d和56 d对所有小鼠肝脏进行Micro-CT活体扫描;分别在小鼠肝左叶和肝右叶内选取感兴趣区（ROI）进行灰度值分析,比较不同时间点肝组织对比度的变化。确定合适的造影剂剂量,尾静脉注射至3只雄性16月龄HBV转基因肝癌模型小鼠（C组）,同上进行Micro-CT活体扫描,并于第56天全部安乐死后取肝脏观察病理学改变。结果 A组和B组小鼠在注射不同浓度造影剂后,冠状位重建图像及肝脏感兴趣区的平均灰度值结果显示：肝脏实质造影后均比注射前明显增强,24 h达到峰值,注射后56 d内,小鼠肝脏感兴趣区的平均灰度值与注射前相比仍维持在较高的水平,B组显著高于A组（P〈0.01）,确定后续实验采用B组造影剂剂量（100μL）。C组注射100μL造影剂后,各时间点均能比较清楚地看到肝脏癌性结节存在,病理学观察发现肝脏出现非典型增生,肿瘤细胞核大,染色质加深和肝细胞坏死。结论利用纳米颗粒造影剂结合Micro-CT成像技术,成功建立了小鼠肝脏活体成像方法,并可应用于肝脏肿瘤的活体成像研究。     

窄等离子体吸收谱线宽度的纳米金锥用于光声成像

无损光声成像技术结合了纯光学成像高选择特性和纯超声成像中深穿透特性的优点,克服了光散射限制,实现了对活体深层组织的高分辨、高对比度成像。该成像技术对内源物质例如脱氧血红蛋白、含氧血红蛋白、黑色素、脂质等进行成像,提供了活体生物组织结构和功能信息,已经在生物医学领域表现出巨大的应用前景。然而,很多与病理过程相关的特征分子的光吸收能力较弱,在活体环境中难以被光声成像系统所识别,从而限制了光声成像技术的应用范围。基于功能纳米探针的光声成像-光声分子成像极大拓展光声成像的应用范围,可以在活体层面对病理过程进行分子水平的定性和定量研究,将为实现目标疾病的早期诊断提供强大的技术支持。本文发展在近红外具有窄吸收线宽(半高宽仅为60 nm)的纳米金锥作为新型的光声探针。通过选择不同径长比的纳米金锥,可以任意调节纳米金锥的吸收峰。通过调谐激光器的波长,可实现对不同吸收峰纳米金锥的选择性激发。纳米金锥将有可能用于多光谱光声成像,实现对不同靶标的目标分子探测。     

利用连续光声成像监测动物脑部血液动力学变化

基于B型扫描超声诊断仪和线性阵列探测器的快速光声成像系统被搭建,并用于脑部血液动力学的监测研究。实验中,小鼠脑部皮层的全景血管网络分布图像通过光声探测器双扫描采集接收的方式被重建出来。然后,针对小鼠的脑中动脉,利用阵列电子扫描采集方式,光声成像实现了局部连续地监测由静脉注射生理盐水和吲哚菁绿引起的脑部血液动力学反应,成功地利用光声图像记录其光吸收的改变。实验展示了光声快速成像获取脑部功能信号的应用潜力。     

对硝基苯硫酚分子内嵌的星形表面增强拉曼散射金 "套娃 "纳米颗粒用于肿瘤拉曼影像的初步研究

目的:制备对硝基苯硫酚(4-Nitrobenzenethiol,4-NBT)分子内嵌的星形表面增强拉曼散射(Surface enhanced Raman Scattering,SERS)金"套娃"纳米颗粒,测定其拉曼增强效果和应用于细胞以及活体肿瘤拉曼影像的可行性。方法:以种子介导法先后制备金纳米星及星形SERS金"套娃"纳米颗粒,采用透射电镜观察其形貌,激光粒度分析仪测定其粒径及Zeta电位,拉曼光谱仪测定其拉曼光谱,考察其对A549细胞的拉曼成像效果,建立A549皮下瘤模型,考察其对活体皮下瘤的成像效果。结果:制备并优化的金纳米星粒径较小,为60.5 nm,其针尖密度较高,以此为核心制备的星形SERS金"套娃"纳米颗粒形态规整,粒径约为66.7nm,Zeta电位约为-16.6 m V,拉曼增强效果提升至其前驱体金纳米星的5.3倍,能够实现对A549细胞及A549皮下瘤的拉曼成像。结论:所制备的星形SERS金"套娃"纳米颗粒形态规整均一,拉曼增强效果较好,能实现对细胞及活体肿瘤的拉曼影像。     

一体化的光声-荧光显微镜用于活体肿瘤成像

报道了一种利用单一波长激发的同时产生光声和荧光信号的显微成像系统,本成像系统具有超高的成像分辨率(<6μm)。借助外源的造影剂在近红外的吸收特性,利用光声-荧光显微成像系统对活体肿瘤进行光声/荧光成像。实验结果表明,光声-荧光显微镜在早期肿瘤的成像和检测等方面具有潜在的应用价值。因此,通过研究和选择适当的双模态造影剂,该系统在不同病理模型中可以提供更准确的组织信息及生理参数。     

半导体型单壁碳纳米管用于近红外二区(NIR-Ⅱ)深层组织光声成像

传统光声成像外源对比剂的光吸收主要集中在可见光区和传统近红外区(NIR,750～900 nm),开发具有更高光学组织穿透能力的近红外二区(NIR-Ⅱ,1 000～1 700 nm)光吸收外源对比剂对活体深层组织光声成像具有重要意义。本文中,作者选取了光吸收峰在1 000 nm左右的半导体型单壁碳纳米管为近红外二区光学吸收外源对比剂,测试了其在近红外二区激光激发下能够产生较强的光声效应。进一步地,作者通过将该纳米材料包埋在仿体组织的不同深度的位置,获得了仿体组织的深层光声成像,成像深度可达1.5 cm。试验结果表明,具有近红外二区光吸收能力的半导体型单壁碳纳米管在活体深层组织光声成像中有很大的应用潜力。     

光声成像造影剂的研究进展

光声成像(PAT)是利用光声效应获得生物组织或材料的断层图像或三维立体图像的一种成像方法,它兼具光学和声学成像的优点,从而成为目前比较有应用前景的一种成像模式。光声成像造影剂是光声成像的对比增强剂,它通过改变局部组织的声学和光学特性,提高成像对比度和分辨率,从而显著增强光声成像的成像效果,成为当前生物医学领域研究的一个热点。目前常见的光声成像造影剂主要有金纳米材料,碳纳米材料,染料相关纳米材料以及其他纳米材料,这些材料有它们独特的优势,它们尺寸小,稳定性好,具有良好的生物相容性,但在临床应用时本身又存在一些问题。本文综述了光声成像造影剂的种类并简要概述了其研究进展,并对其未来在生物医学领域的应用前景做了进一步展望。     

微波热声实时成像系统及应用

本文建立了一套微波热声实时成像系统,该系统由脉冲微波发生器,多元环形探测器,多通道数据采集装置和数据重建装置共同组成。在实验中,利用填充盐水的两个塑料管验证其实时成像的性能,结果表明,该系统能够实现每秒16.7帧的成像速度。随后,对活体小鼠的正常区域和肿瘤区域分别进行热声成像,得到肿瘤和正常区域的对比度为1.7∶1,证明了该系统在肿瘤检测中有较高的对比度。最后,利用该系统监控细管趋近离体肿瘤的过程。因此该系统有望应用于实时监测。综上所述,该热声成像系统具有无损,成像速度快和大视场的良好性能,有望在生物医学中得到广泛的应用,尤其在肿瘤筛查和实时监控方面发挥作用。     

基于阵列式换能器的光声成像系统的实现

目的:本文设计了一套光声成像(photoacoustic imaging,PAI)系统,由脉冲激光、阵列换能器、临床超声(ultrasound,US)主机、软件平台以及成像样品组成。系统的图像质量、最大成像深度等重要参数需通过实验进行确定。方法:使用本系统对黑色头发丝横截面进行成像,比较、分析光声(photoacoustic,PA)信号幅值的半极大处全宽度以量化图像分辨率。此外,使用系统对特定的光吸收体和鸡胸肉组织进行成像,确定系统的成像深度。结果:实验结果证明了PAI系统的实现,其PA图像的平均轴向和横向分辨率分别约为0.18 mm和1.44mm,系统的最大成像深度达到4.6 cm。结论:本PAI系统PA图像分辨率优于US主机获得的US图像分辨率,系统最大成像深度与其他国际研究组的系统成像深度的数量级一致。通过进一步优化与活体组织实验的开展,本PAI系统将有望实现临床成像诊断。     

四氧化三铁–阿霉素纳米复合物对小鼠乳腺癌的靶向治疗效果

该文探究了四氧化三铁搭载的阿霉素纳米复合物对小鼠乳腺癌的靶向性和治疗效果。采用共沉淀法制备羧甲基壳聚糖修饰的纳米四氧化三铁,通过羧甲基壳聚糖的羧基和阿霉素的氨基的静电作用,组成纳米复合物。利用透射电镜、傅里叶红外光谱、超导量子干涉磁强计等对制备的纳米四氧化三铁和羧甲基壳聚糖修饰的四氧化三铁进行表征,观察其形貌特征。小鼠活体成像观察所制备的纳米复合物对荷瘤小鼠的靶向作用。荷瘤小鼠肿瘤生长抑制实验考察纳米复合物对肿瘤的治疗作用。结果显示,制备的羧甲基壳聚糖修饰的四氧化三铁粒径约为10 nm,搭载阿霉素后仍保留纳米四氧化三铁的超顺磁性。小鼠活体成像显示,纳米复合物能在肿瘤区域富集。小鼠肿瘤生长抑制实验显示,具有较单独使用阿霉素更好的抑癌效果。结果表明,所制备的四氧化三铁–阿霉素纳米复合物对肿瘤组织具有靶向性和更好的抑癌效果。     

光纤成像技术记录小鼠眶额皮层奖赏相关神经元活性的应用

目的:探讨光纤成像技术用于记录小鼠眶额皮层奖赏相关神经元活性变化的可行性。方法:应用光纤成像的方法记录自由活动小鼠在饮用糖水时,携带有钙离子荧光探针(GCaMP6m)的眶额皮层奖赏相关神经元的活性。首先,在小鼠的眶额皮层注射携带GCaMP6m的腺相关病毒,同时在相应位点植入提前做好的光纤陶瓷插芯;等待小鼠术后恢复,病毒表达2周。然后在记录前,给予小鼠36小时禁水处理并运用光纤成像记录接受糖水刺激的小鼠眶额皮层锥体神经元的反应活性。最后,记录数据读入matlab软件进行数据分析并对小鼠进行心脏灌流、取脑、脑组织冰冻切片并显微荧光成像观察记录位点是否正确,病毒是否正常表达。结果:成功记录到对小鼠施加糖水刺激时,其眶额皮层内与奖赏相关的神经元活性变化。数据分析结果用热度图和事件相关的平均线图来表示。组织学切片及成像结果证实记录位点正确,病毒正常表达。结论:光纤成像的记录方法可以监测自由活动的小鼠在饮用糖水时眶额皮层内奖赏相关神经元活性的变化。     

重组腺相关病毒小鼠骨骼肌中近红外荧光蛋白表达及活体成像

近红外荧光蛋白因激发光和发射光波长位于近红外区,在动物组织中光吸收和光散射最低,更适宜于动物活体组织的深层成像.构建了一种携带近红外荧光蛋白(near-infrared fluorescent protein,iRFP)713基因的重组表达质粒pAAV-iRFP713,将重组表达质粒与辅助质粒共转染AAV-293细胞,包装重组腺相关病毒(recombinant adeno-associated virus,rAAV)rAAV-iRFP713.重组腺相关病毒表达载体感染体外培养的癌细胞,48h后,荧光显微镜检测显示近红外荧光蛋白在癌细胞中高效表达,荧光明亮.重组腺相关病毒表达载体注射小鼠骨骼肌,48h后,用近红外荧光活体成像系统检测证明近红外荧光蛋白在小鼠骨骼肌中表达较强, 活体组织成像清晰.实验结果表明近红外荧光蛋白在体内体外均能很好地表达并荧光成像,为动物活体组织标记和成像的研究提供新方法.     

二甲双胍调节初级视觉皮层兴奋性和抑制性平衡及改善视觉功能的研究

大脑皮层中兴奋和抑制系统之间的动态平衡决定了皮层神经元对刺激的反应特性.已有研究表明,二甲双胍能够诱导 γ-氨基丁酸受体向突触后膜聚集,增强神经系统的抑制效果.本课题进一步探讨了二甲双胍对初级视觉皮层兴奋和抑制系统平衡的调节作用,以及其改善小鼠视觉功能的潜力.实验使用成年雄性小鼠,实验组(metformin)10只每天...     

光声结构与功能成像技术研究进展

光声成像技术利用短脉冲激光激发产生光声信号,可重建出组织的光吸收分布图像,它结合了纯光学成像的高对比度和纯声学成像的高分辨率特性.光声成像技术不仅能够有效的刻画生物组织结构,还能够精确实现无损功能成像,为研究生物组织的形态结构,生理、病理特征,代谢功能等提供了全新手段.本文简要分析了光声信号产生的机理,总结报道了目前实验室几套典型的成像系统及其最新应用进展,指出光声成像作为一种新型的生物医学成像方法,可望引发生物医学影像领域的一次革新.     

全光学光声/OCT双模态成像系统及其应用

本文提出了一种新型的全光学光声/OCT双模态成像系统。该系统利用同一个低相干迈克尔逊干涉仪即可实现非接触式光声成像和OCT于一体,系统装置结构简单,可同时获取生物组织的吸收与散射结构信息。通过模拟实验证明了该双模态成像系统的可行性及成像能力,并对活体小鼠耳朵同时进行光声/OCT成像测试,实验结果表明非接触式光声/OCT双模态成像系统可以实现生物组织内的微血管及散射结构的高分辨率成像。进一步地,我们将光声/OCT双模态成像系统应用于基底细胞癌的检测中,获得了初步的研究结果,表明了该系统在皮肤肿瘤诊断中的具有潜在的应用价值。     

阿尔兹海默病小鼠模型的磁共振影像学分析

目的分析和研究阿尔兹海默病（AD）转基因模型小鼠（APP/PS1）活体脑部影像学特征。方法本研究利用7.0 T高场强磁共振成像（MRI）技术,对1、3、5、7、9和11月龄AD转基因小鼠模型及对照组活体脑组织的微观结构变化进行对比研究。定量分析了脑组织顶叶皮层及海马区的横向弛豫时间（T2）、表观扩散系数（ADC）和各向异性分数（FA）随AD小鼠年龄变化情况。结果从9月龄开始AD转基因小鼠顶叶皮层及海马区可见散点状低信号区,并且随年龄增长逐渐增多;AD转基因小鼠顶叶皮层和海马区的T2磁豫时间在1～9月龄过程中有减小趋势,但与对照组无显著性差异;顶叶皮层及海马区ADC值的计算结果表明,7～11月龄AD转基因小鼠的ADC值明显下降（P≤0.05）;同样APP/PS1小鼠的FA值从5月龄就开始降低（P≤0.05）,并且这种差异一直持续到11月龄。结论高场强MRI能够显示AD病变出现早期小鼠顶叶皮层及海马区FA值的明显改变,揭示FA值对早期痴呆症临床诊断具有一定的参考价值。     

金纳米棒-聚苯胺核壳纳米材料的光学相干层析成像能力研究

对比试剂的使用能够显著提升光学相干层析(OCT)的成像效果。聚苯胺(PANI)是一种有机导电聚合物,在近红外(NIR)区有着很强的光吸收。本文采用PANI对常见的OCT成像对比试剂--金纳米棒(GNRs)进行修饰,合成了PANI/GNRs核壳粒子,并对其OCT成像对比能力进行了研究。PANI/GNRs展现出良好的NIR光吸收特性;同时,PANI对GNRs的包裹也显著提升了金纳米结构的稳定性、降低了GNRs原有的毒性。选用离体猪肝组织作为检测样本,发现纳米材料使用能够显著提升OCT的成像效果。与未修饰的GNRs及PANI粒子相比,PANI/GNRs的OCT成像对比效果明显更好。因此,PANI包裹的GNRs核壳纳米材料有望成为一种低毒性且效果良好的OCT对比试剂用于生物组织成像。     

纳米金在肿瘤成像和放射治疗领域的应用进展

纳米金颗粒以其优越的理化性质在医学领域发挥独特的作用.近年来越来越多的研究证实了纳米金在肿瘤早期诊断和治疗方面方面有重要作用,尤其是纳米金正被逐步应用肿瘤成像和治疗领域.本文从纳米金的性质,在肿瘤成像和放射治疗方面的应用进展等方面作一综述.     

小动物活体光学三维成像系统及其对乳腺癌的定量分析

乳腺癌具有高转移率。使用小动物活体成像技术对乳腺癌的生长及转移情况实时监测定量分析可以帮助了解疾病机制及进行药物研究。二维成像对光学信号的定位与定量是相对的。随着计算机技术的进步,可以实现对采集的图像进行三维重建,精准量化光学信号,获得空间分布的三维信息。IVIS Spectrum小动物活体光学三维成像系统同时具有高灵敏的生物发光、荧光、切伦科夫辐射二维成像及三维扫描重建功能,是小动物活体光学成像的顶级系统。本文对人乳腺癌细胞（MDA-MB-231）进行慢病毒感染,在体外稳定表达荧光素酶后,选取重度联合免疫缺陷（SCID）小鼠进行原位乳腺癌模型的建立,通过IVIS Spectrum小动物活体光学三维成像系统对小鼠进行生物发光二维成像,无创观测肿瘤的生长及转移情况。本文的创新点是利用生物发光成像断层扫描技术对小鼠模型进行定量三维成像,使用系统自带的算法直接进行三维重建,同时结合鲸鱼优化算法（WOA）优化后的三维卷积的深度编码器-解码器的网络模型进行重建。通过CT图像验证两者的重建效果,得到肿瘤的深度信息,实现对乳腺癌的精准定量分析。     

基于超微小ZnFe_2O_4纳米颗粒的新型T_1造影剂的制备及应用研究

非Gd型T_1造影剂的开发是近年来MRI造影剂的重要研究方向。本工作通过高温热分解法制备了粒径为(3. 02±0. 62) nm的掺杂Zn的氧化铁纳米颗粒(ZnFe_2O_4),其r1弛豫度为2. 5 L/(mmol·s),r2/r1比值为2. 2。合成方法简便、经济,容易实现大量制备。以生物相容性的PO-PEG分子对颗粒进行修饰,使颗粒相转移至水溶液中,可保持长期稳定分散。最后,以ZnFe_2O_4为造影剂,对小鼠肿瘤部位进行MR成像,获得～11%的信号增强。本研究工作显示ZnFe_2O_4@PO-PEG具备作为高安全性非钆型T_1造影剂并应用于实际MR造影成像的良好潜力。