美國康奈爾大學Nat. Nanotechnol.：納米粒子作為電離輻射的多模態光子傳感器

【引言】

在生物醫學成像領域中，結合放射性核素與納米粒子能夠實現診斷成像、光子誘導治療等應用。在這些應用中，切倫科夫發光是研究的焦點之一，其中納米粒子經常被認為對放射性核素產生的電離輻射是惰性的，只是作為一種載體存在。然而，一些現象仍不能得到很好的解釋，比如納米粒子的熒光增強等。因此，探明電離輻射與納米粒子之間的直接相互作用是關鍵所在。

【成果簡介】

近日，美國康奈爾大學的Jan Grimm教授課題組，發展了考察放射性核素激發納米粒子機制的方法，證明β閃爍對某些納米粒子體系的激發和反應性具有顯著作用，而且放射性核素激發的納米粒子能夠產生X射線，從而實現多重成像。該成果以題為"Nanoparticles as multimodal photon transducers of ionizing radiation "發表在Nature Nanotechnology上。

【圖文導讀】

圖1?電離輻射和納米粒子間的相互作用

(a) 伽瑪和可見光子源被認為是納米粒子的激發機制；

(b) β和γ放射性核素引起納米粒子激發和電離的機制示意圖。

圖2 納米粒子與放射性核素的輻射輸出

(a) 添加或不添加低能量純β射線³H時納米粒子的孔盤圖像；

(b) γ和β閃爍的比較；

(c) (b)圖中計算得到的孔盤輻射量；

(d) Eu₂O₃納米粒子和放射性核素的輻射依賴于顆粒的納米結構而不是離子含量；

(e) 添加純γ射線或純β射線導致輻射增強；

(f) 三種尺寸的Eu₂O₃納米粒子的測試結果；

(g) 正電子發射體參與的納米粒子的輻射。

圖3 放射性核素與納米粒子在250至840納米范圍內的光譜

(a) 不同放射性核素條件下納米粒子的歸一化的光譜；

(b) 具有特定光譜發射的納米粒子；

(c) 使用純β發射體³²P的體內幻影設置圖；

(d) 打開濾光片時的成像圖；

(e) 僅使用620納米濾光片時的成像圖；

(f) 不同納米粒子條件下的體內幻影設置圖;

(g) 打開濾光片時的成像圖;

(h) Gd₂O₃在540納米的發射窗口；

(i) Gd₂O₃在620納米的發射窗口；

(j) Gd₂O₃在700納米的發射窗口。

圖4 放射性核素導致納米粒子電離的高能譜和成像

(a) 使用³²P純發射體條件下不同納米粒子的特征X射線光譜；

(b) 使用^99mTc純發射體條件下不同納米粒子的特征X射線光譜;

(c) ^99mTc、³²P和³⁵S激發的Eu₂O₃ 納米粒子的X射線生成曲線；

(d) ^99mTc 激發Eu₂O₃、HfO₂ 、Bi₂O₃ 在體外生成多色圖像的概念驗證；

(e) 使用³²P 激發Eu₂O₃或Bi₂O₃納米粒子獲得小鼠幻影圖像實現雙光譜成像；

(f) 使用Eu₂O₃納米粒子獲得的特征X射線成像；

(g) 使用³²P 激發Bi₂O₃納米粒子獲得的信號集中在納米粒子上。

圖5 特征X射線激發的臨床放射栓塞劑⁹⁰Y微球成像

(a, b) 1mCi微球注射進入BT-474原位乳腺腫瘤未顯示明顯信號；

(c, d) 微球與Eu₂O₃或Bi₂O₃納米粒子一同注射后在納米粒子注射區域周圍顯示選擇性信號；

(e) ⁹⁰Y標記的Eu₂O₃和Au 納米粒子在打開濾光片條件下的淋巴結成像圖；

(f) ⁹⁰Y標記的Eu₂O₃和Au 納米粒子在620和700納米條件下的淋巴結成像圖；

(g) SPECT-CT顯示出來自Au-PEG-DOTA(⁹⁰Y) 納米粒子的特征X射線；

(h) 基于非切倫科夫發光的光動力治療。

圖6 電離輻射與納米粒子之間的相互作用

【小結】

本文發現電離輻射與納米粒子之間的相互作用類型取決于放射性示蹤劑和納米粒子的自身特性：1. 低能量的放射性核素可以使納米粒子產生極化，而高能量β發射體能夠使納米粒子產生切倫科夫發光；2. γ輻射能夠產生特定X射線；3. 臨床使用的放射性核素能夠產生多種高能β和γ發射。這些研究對于核探測、光學成像以及設計用于成像和治療的納米粒子具有重要意義。此外，這些研究結果有望在環境和材料分析等方面得到應用。

文獻鏈接：Nanoparticles as multimodal photon transducers of ionizing radiation (Nat. Nanotechnol. 2018, DOI: 10.1038/s41565-018-0086-2)

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