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荧光纳米胶束用于细胞内金属离子成像和癌症治疗

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生物体内的许多微量金属元素在许多生物过程中起着至关重要的作用比如酶调节，神经信号传递，基因表达，细胞代谢和免疫功能等。而当这些金属元素（如铝）在体内浓度失衡后会使生物体功能发生紊乱，进而导致很多严重疾病。有的重金属元素比如铁，铜，锌与癌症的发生，发展以及转移有关。因此，开发一种分析方法来实现生物体内金属离子的检测尤其是能够在细胞内金属离子成像是非常重要的。 一些已经报道过的荧光探针用于检测金属离子时是在有机溶剂中，或是有机溶剂和水的混合溶剂中进行。这些限制了它们在水中的实际应用以及阻碍了在生物领域中的应用，特别是细胞内金属离子成像应用。现在大多数的努力是制备小分子探针，可它们制备复杂，细胞摄取低且有细胞毒性，限制了生物方面的应用。相比较于小分子材料，荧光纳米胶束由于有优越的稳定性和良好的水分散性以及生物相容性获得极大关注。尤其是荧光聚合物胶束备受欢迎。因为聚合物结构、形态和大小更容易以及更可行地通过共价或非共价方法得到优化，进而实现多功能化来满足应用的需要。荧光聚合物胶束表现出较好的细胞摄取，这在细胞成像的应用中是有前途的。此外，荧光聚合物胶束的参数如组成、粒径、表面性质、形貌等都能显著地影响体内血液循环、生物分布、细胞内化、细胞成像。因此，为了更好地实现在生物医学中的应用，在设计和制备聚合物胶束时，仍然需要考虑这些参数的可调性。 过渡金属螫合剂（铁，铜，锌）可以通过控制这些金属离子在肿瘤内的水平来达到抑制肿瘤生长的目的。由于荧光聚合物胶束有良好的长循环和肿瘤富集，作为这些金属的螯合剂用作抗癌治疗将是有效的。 基于此，本文制备了一系列高选择性和高敏感性的荧光纳米胶束不仅在水中检测金属离子，还能够实现细胞内金属离子成像。同时研究了荧光聚合物胶束粒径和形貌对细胞摄取，细胞成像，血液循环时间以及抗癌效果的影响。具体工作包括以下五个部分: 1、主要介绍了传统荧光探针和基于聚集诱导发光探针的特点，与金属离子的作用机理以及应用。还介绍了纳米粒子的理化性质对细胞摄取，血液循环及体内分布的影响。此外，还包括金属螫合剂在癌症治疗中的作用。 2、通过运用溶剂挥发法将一种疏水性的希夫碱荧光探针(Dye)成功封装到DSPE-PEG胶束中，获得荧光纳米胶束(DSPE-PEG-Dye)，改善了探针的水溶性和生物相容性。它在水中检测Al3+离子表现出高选择性和敏感性。而且DSPE-PEG-Dye在水中，PBS缓冲溶液中和细胞培养基中保存1个月都很稳定。它可以作为一个可逆地Al3+荧光探针且有较低的检测限。此外，此荧光纳米胶束在工作浓度范围对HeLa细胞没有表现出毒性，并有良好的细胞内在化，可以用于活细胞中Al3+离子成像。 3、首先制备了一个两亲性的希夫碱类聚合物mPEG-Dye，它可以在水中自组装形成胶束mPEG-Dye。此荧光胶束在水中检测Al3+离子表现出较高灵敏度和选择性。为了更好地实现在活细胞中成像Al3+离子，将聚合物mPEG-Dye和DSPE-PEG2000-biontin，通过薄膜水化法获得了有靶向的胶束mPEG-Dye-Biotin。生物素的加入不影响mPEG-Dye-biotin在水中选择性地检测Al3+离子。这两种荧光探针mPEG-Dye和mPEG-Dye-Biotin对HeLa细胞毒性很小，具有良好的生物相容性。此外它们都可以在细胞内成像铝离子，但是有生物素靶向的mPEG-Dye-Biotin对HeLa细胞有主动靶向作用，被细胞摄取量高于没有靶向的mPEG-Dye，有更多的机会与Al3+离子螯合，可以更好的实现在细胞内Al3+离子成像。 4.合成一个具有聚集诱导发光性质的两亲性聚合物即mPEG2K-AIE，且通过涡旋分散自组装法制备了AIE2KS26胶束。此荧光胶束可以实现在水中对Zn2+离子的选择性识别，并且此过程迅速完成。在此基础上，为了更好地实现在活细胞中成像Zn2+离子，将聚合物mPEG2k-AIE和DSPE-PEG2000-Biontin，通过薄膜水化法获得了有生物素靶向的胶束AIE2KS26-Biotin。它也能够在水中检测Zn2+离子。胶束AIE2KS26和AIE2KS26-Biotin对HepG2细胞毒性很小，具有良好的生物相容性，且都可以在细胞内成像锌离子，但是由于AIE2KS26-Biotin对HepG2细胞有主动靶向作用，细胞摄取量提高，增加了与Zn2+离子螯合，可以更好的用于活细胞中Zn2+离子成像。 5、我们利用上一章的合成方法制备了三个具有聚集诱导发光性质的两亲性聚合物即mPEG2K-AIE，mPEG1K-AIE和mPEG5H-AIE，它们有相同的疏水端十六烷基，而亲水端聚乙二醇的分子量不同。随后将这三个聚合物分别通过运用三种不同方法来制备胶束，最后获得了八个不同粒径和形貌的胶束，但电势电位都很相似。它们都有较低的临界胶束浓度(CMC)，并且在生理环境下表现出高稳定性。此外这些胶束对HepG2细胞是无毒的。随后研究这八个胶束的粒径和形貌对细胞摄取，细胞成像和长循环时间的影响。最后筛选出AIE2KS19和AIE2KS26有较好的长循环性能，同时利用它们和Cu2+，Fe3+，Zn2+离子螯合的能力，来研究体内抗肿瘤效果。结果表明这两个胶束表现出良好的抗肿瘤效果且AIE2KS19的抑制肿瘤生长的能力更强一些。

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