【材料科技】上轉換奈米材料於生物醫學的應用(下)

圖片來源:Chen, G., Qiu, H., Prasad, P. N., & Chen, X. (2014). Upconversion nanoparticles: design, nanochemistry, and applications in theranostics.Chemical reviews, 114(10), 5161-5214.
圖片來源:Chen, G., Qiu, H., Prasad, P. N., & Chen, X. (2014). Upconversion nanoparticles: design, nanochemistry, and applications in theranostics.Chemical reviews, 114(10), 5161-5214.

■在本系列(上)(中)介紹了一大堆原理後,終於要介紹在生醫影像應用 (Bioimaging)啦!

撰文|方程毅

生醫影像目的是對生物體不同部分進行顯影,可以觀察或作疾病診斷。不像一般螢光發光需要能量較大的紫外光,上轉換現象最大的好處是光源能量毋須太強,波長700nm-1000nm紅外光即可,對生物體的傷害小,應用也較廣泛。如同本系列(中)所提,藉由修飾上轉換粒子使其與目標結合便可以衍生出各種不同的意用,以下我們將介紹幾個例子:

●全身螢光造影(Whole-Body Photoluminescent Imaging)
全身性造影基本上就是不針對特定目標,對全身血管或淋巴系統進行造影,本文圖中的例子皆屬於這個類別。

首先在注射前要先保證粒子們對生物體不會產生負面影響,美國普林斯頓大學(Princeton University)將 \ Y2O3: Yb^{3+} / Er^{3+} 粒子注射進線蟲體內進行顯影(如圖(a)),過程中線蟲並沒有產生任何異常情形。線蟲雖不比其他生物,但至少說明這些奈米粒子是具生物相容性的。

圖(b)為對小型動物進行尾靜脈注射或皮下注射的造影,圖中可以清楚看到上轉換粒子的所在位置。

美國國家癌症研究中心更是在2009年首次使用上轉換技術顯老鼠淋巴系統;2010年中國蘇州大學還可以讓老鼠的淋巴結分別顯現不同顏色(如圖(c)(d))。

而另一個例子為血管造影(Vascular imaging),圖(e)(f)所示,哈佛大學醫學院使用上轉換現象讓血管現形,幫助心血管疾病及其他癌症的診斷。

●細胞成像(Cellular Imaging)
全身性造影不需要考慮奈米粒子與特定目標結合的問題,但科學家當然希望能對特定細胞進行成像,2008年新加坡國立大學修飾 \ NaYF4: Yb^{3+} / Er^{3+} 粒子,使其可以與人類大腸癌細胞(HT29 adenocarcinoma cells)及卵巢癌細胞(OVCAR3 ovarian carcinoma cells)結合並顯影。對上轉換粒子進行修飾,讓粒子與特定目標結合是這類研究最重要的一環,透過上轉換現象觀察發光位置,即可知道其在生物體內或體外的分布。但未經修飾的粒子也可以經由細胞的內吞作用(cellular endocytosis)進行顯影,目前文獻中已有對乳癌細胞(SKBR-3及MCF-7)、小鼠胚胎纖維母細胞 (Mouse embryonic fibroblast cell line, NIH-3T3)或肝癌細胞(Huh-7 liver cancer cells)等等進行造影的例子。

●主動靶向造影(Active Targeting)
除了針對細胞成像,其他特定目標(例如腫瘤)的顯影也是生醫研究中不可或缺的一環,這類技術就必須仰賴更複雜的粒子表面修飾,才能讓粒子與特定目標結合顯影。上海復旦大學成功修飾 \ NaYF4: Yb^{3+} / Tm^{3} 粒子,顯影老鼠皮下的U87MG人類腦神經膠質瘤。

●深層組織成像(Deep Tissue Imaging)
至於更進一步的應用則為深層組織影像,上轉換集氣放大絕的中心思想便是入射能量較低的光子即可收到影像,以降低對生物體的傷害,但低能量光子還有一個好處:穿透能力。若我們希望對深層組織進行造影,除了要能讓上轉換粒子與目標結合外,也要能讓入射光穿得夠深才行,波長700nm-1000nm左右適用於本現象的紅外光正好位於生物組織光學窗口(又稱近紅外窗口、治療窗口),這段波長範圍剛好躲掉了人體血液、組織及水的吸收帶,讓光能夠抵達人體深處,激發上轉換粒子進行顯影。雖說穿的深,但訊號微弱及雜訊過大的問題卻依舊存在。

上述這些技術只是生物造影的冰山一角,其他應用更有核磁共振成像MRI、正電子發射計算機斷層掃描(Positron emission tomography, PET)及X射線電腦斷層掃描(X-CT)等等。這其中的每個細節都是靠研究人員不眠不休的投入換來的,才能讓生醫技術越加進步,造福人群,可以想見的是,利用上轉換現象所行的生醫造影在未來勢必還會是生醫研究的一大重點。

參考資料:

  1. Chen, G., Qiu, H., Prasad, P. N., & Chen, X. (2014). Upconversion nanoparticles: design, nanochemistry, and applications in theranostics. Chemical reviews,114(10), 5161-5214.
  2. Hilderbrand, Scott A., et al. "Upconverting luminescent nanomaterials: application to in vivo bioimaging."Chemical communications 28 (2009): 4188-4190.
  3. Lim, Shuang Fang, et al. "In vivo and scanning electron microscopy imaging of upconverting nanophosphors in Caenorhabditis elegans."Nano Letters 2 (2006): 169-174.
  4. Xiong, Liqin, et al. "High contrast upconversion luminescence targeted imaging in vivo using peptide-labeled nanophosphors."Analytical chemistry 21 (2009): 8687-8694.

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作者:方程毅 台大材料畢,目前於UCSD博士班掙扎中。科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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