研究背景原发性肝癌是常见的恶性肿瘤,总体5年生存率低于18%,肝细胞癌发病率占原发性肝癌80%以上。肝癌具有起病隐匿、早期症状不明显、早期影像学特征不典型等特点,患者确诊时多处于中晚期阶段,治疗疗效多不理想。因此探索肝癌形成的时间节点并进行有效的诊断和治疗具有重要意义。肝癌的发生发展涉及了分子、细胞和微血管的复杂变化。从分子、细胞层面对肝癌演进过程中关键分子和微血管的结构和功能进行可视化,有助于实现肝癌的早期诊断。传统影像学技术在空间分辨率或敏感性等存在不同程度的限制,无法清晰显示可疑病灶的分子和微循环信息。光声成像作为一种新兴的成像技术,具有灵敏度高、对比度高等优势,有望从分子、细胞、微血管层面实现对早期肿瘤进行精准成像。在对肿瘤进行早期诊断后,有效的治疗同样是改善患者预后的重要环节。然而,目前肝癌的治疗存在明显的局限,如手术治疗更依赖于主刀医生的经验、化疗和系统性治疗则会出现明显的副作用。放射治疗在肝癌治疗中具有其他方式不具备的优势,主要机制是通过活性氧杀伤肝癌细胞,但是其产生的活性氧最终会被转化为过氧化氢,因此限制了放疗疗效,芬顿反应具有将过氧化氢转化为羟基自由基的能力,从而提高放射治疗的疗效。因此,本实验初步研究了早期肝癌演进规律,并合成了一种肿瘤微环境的纳米探针,兼具放疗增敏和催化芬顿反应的功能,可以触发肝癌的芬顿增强放射治疗,还可用于光声和磁共振成像,有望为肝癌的诊断和治疗提供新思路。研究目的初步探索肝癌早期演进规律,并制备一种微环境响应的FePt-PEG纳米探针,可以选择性在肿瘤部位释放亚铁离子,兼具放疗增敏能力,以满足肝癌的芬顿增强放射治疗的要求,同时可以用于肝细胞癌的光声和磁共振成像,为肝癌的诊断和治疗提供新思路。研究方法通过光声断层成像、光声3D成像、生物发光成像、HE染色和CD31免疫组化验证肝癌形成过程中的关键时间节点。通过还原法合成FePt-PEG纳米探针。使用高分辨透射电镜观察纳米探针形貌、测量晶格间距;通过粒度仪对纳米探针的吸收光谱和水合粒径进行测量;在酸性环境下验证纳米探针的核磁共振转化能力。使用MTT法对纳米探针的细胞毒性进行评估,荧光倒置显微镜和流式细胞术评估在诱导细胞活性氧产生以及凋亡的能力。在体外验证了浓度梯度下FePt-PEG纳米探针的光声和核磁共振下的信号强度。活体层面,通过光声成像确定肝癌皮下瘤形成时间的节点,评估纳米探针用于肝癌的光声和核磁共振双模态成像效果,并验证纳米探针在肿瘤部位的磁共振转化能力;探究纳米探针用于活体肝癌芬顿增强放射治疗的效果。研究结果1.肝癌形成关键时间节点的初步探索:光声三维成像在96 h可见肿瘤区域的血管。生物发光成像在肿瘤接种后72h信号开始升高,但各时间点的定量没有统计学差异。HE染色可见随着时间的延长,肿瘤细胞逐渐排列致密;CD31免疫组化96 h开始可见阳性区域。2.FePt-PEG纳米探针表征结果:电镜下粒径约3.4 nm,晶格间距为0.22 nm,由铁和铂两种元素组成,铁质量约占总质量的18%,铂质量占82%,为面心立方结构,水合粒径约7.7 nm,在生理性水溶液中分散稳定性良好。吸收光谱在400～1000 nm范围内缓慢下降。3.体外酸降解实验结果:纳米探针具有酸敏感性,经酸孵育后解离,透射电镜下发生形貌改变,超滤液加铁氰化钾变蓝,说明释放亚铁离子。酸性环境下其核磁共振信号由T2加权向T1加权转变。纳米探针可以在体外将过氧化氢转化为羟基自由基。4.FePt-PEG纳米探针毒性实验结果:FePt-PEG具有良好的生物相容性,对正常细胞没有明显毒性。在活体层面,没有明显的生化指标异常和重要脏器病理改变。5.体外光声和核磁共振成像性能:探针的光声信号及核磁共振信号与探针浓度呈显著的线性关系。6.FePt-PEG纳米探针用于活体肝细胞癌光声和核磁共振成像诊断:FePt-PEG纳米探针在肿瘤部位的核磁共振成像中,观察到T2加权信号向T1信号转化的现象,可以作为亚铁在肿瘤内释放的检测依据。同时,纳米探针还具有良好的光声成像能力,注射纳米探针后肿瘤部位明显增强,具有用于肝细胞癌诊断成像的潜力。7.活体肝癌芬顿增强放射治疗:FePt-PEG纳米探针在芬顿增强的放射治疗中表现了良好的治疗效果的效果,治疗过程没有引起明显的副作用。研究结论光声三维成像在96h可见肿瘤区域的血管。生物发光成像在肿瘤接种后72h信号开始升高,但各时间点的定量没有统计学差异。HE染色可见随着时间的延长,肿瘤细胞逐渐排列致密;CD31免疫组化96h开始可见阳性区域。我们合成了FePt-PEG纳米探针,生物相容性良好,具有肿瘤酸性微环境响应的特性,可以选择性在肿瘤区域释放亚铁离子,同时具备放疗增敏的效果,可用于肝癌的芬顿增强放射治疗。FePt-PEG纳米探针具备优异的核磁共振和光声成像性能,可以用于肝细胞癌的成像。其在肿瘤部位的核磁共振转化效果可用于亚铁在肿瘤部位释放的检测,为影像学指导下芬顿增强的放射治疗提供可能。