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適用於不同醫學影像技術的奈米粒子

2015年1月,紐約州立大學水牛城分校的研究團隊於《先進材料》發表一篇論文:他們成功開發出一種特殊的奈米粒子作為顯影劑,可適用於六種不同的醫學影像技術,包括:電腦斷層掃描、光聲造影、螢光顯影、契忍可夫冷光成像和上轉換成像。其功能多樣,為醫學影像技術及診斷開啟了一條新的道路。
 
 
2015年1月19日 適用於不同醫學影像技術的奈米粒子
 
眼睛是靈魂之窗,亦是觀察這個多彩多姿世界最重要的工具。所謂「有圖有真相」,這句話在醫學領域頗為重要。19世紀物理學家威廉·康拉德·倫琴(Wilhelm Conrad Röntgen)發現了X射線,並為他的妻子拍下史上第一張X光片,開啟了「影像醫學」之先河。之後,各式非侵入性的技術紛紛崛起,今日的影像醫學技術與19世紀相比已不可同日而語,在醫療決策的應用上更是舉足輕重。現今醫學影像技術繁多,原理迥異且各有所長,而其中成像訊號的來源顯影劑(contrast agents)乃是至關重要的ㄧ環。
 
以往當發生急重症病情,需要不同醫學影像技術整合(如正子造影與斷層掃瞄)以進行疾病的診斷時,其過程往往曠日費時。但2015年1月,紐約州立大學水牛城分校的喬納森•洛弗爾(Jonathan Lovell)的研究團隊於《先進材料》(Advaned Materials)發表了一篇論文:他們成功開發出一種特殊的奈米粒子作為顯影劑,可適用於六種不同的醫學影像技術,包括:電腦斷層掃描(CT scan)、光聲造影(photoacoustic imaging)、螢光顯影(fluorescence imaging)、契忍可夫冷光成像(Cerenkov luminescence imaging)和上轉換成像(upconversion imaging)。其功能多樣,為醫學影像技術及診斷開啟了一條新的道路。
 
以前,研究人員發現卟啉(porphyrin)做為顯影劑可應用於螢光顯影與光聲造影;而由鈉、鐿、氟、釔、銩為組成核心的上轉換奈米粒子(Upconversion nanoparticles, UCNP)則可應用於電腦斷層掃描與上轉換成像。但洛弗爾的團隊運用熱分解形成與油酸結合的UCNP,將卟啉磷脂(porphyrin-phospholipids, PoP)與聚乙二醇脂(Polyethylene glycol-lipid)包覆在UCNP的外圍,並在水相中分散成穩定的奈米粒子。結合PoP和UCNP兩種已知的光影像化合物,他們創造出了更多功能性的顯影劑。
 
此外,藉由螢光造影和光聲造影,可以即時反應卟啉磷脂的結構變化,以了解該奈米粒子的吸收代謝。而卟啉磷脂也可以螯合放射性同位素銅64至奈米粒子中,賦予該粒子進行契忍可夫冷光成像與正電子顯影的能力。此外,UCNP本身也具有電腦斷層與上轉換成像的能力,因此六大醫學影像顯影功能一併俱全。若透過各種成像技術的整合,將可以全面探索生物體內不同深度的組織。為了驗證實驗成果,洛弗爾的團隊將研發出的奈米粒子,應用於六種不同的成像技術,結果發現UCNP確可將以往難以全面定位的老鼠淋巴結一一辨識出來了。此結果若再透過影像分析深入定位淋巴結這類重要癌症治療標的,將可望在與病魔的拔河中取得先機。
 
其實複合功能的顯影劑並不是新鮮事,臺灣亦有先驅的研究成果。如臺灣師範大學化學系陳家俊與成大醫學中心謝達斌所領導的研究團隊,就已成功研發出鐵鉑合金奈米粒子,並透過表面修飾使其成為具有癌分子標靶性的奈米藥劑。此藥劑能同時在核磁共振和電腦斷層掃瞄中標定癌細胞,也會同時顯示癌細胞內部的致癌分子表現。相信在不遠的未來,將會有更多針對各式醫學影像檢測的多功能顯影劑研發問世,將能有效察覺病灶並減少重複顯影劑帶給病患的痛苦和副作用,同時也可減少醫療支出,為影像醫學帶來一番新氣象。

參考資料
1. Rieffel J. Hexamodal imaging with porphyrin-phospholipid-coated upconversion nanoparticles. Adv Mater. 2015 Mar 11;27(10):1785-90.
2. University at Buffalo. "One nanoparticle, six types of medical imaging."  ScienceDaily, 20 January 2015.
3. Chou SW In vitro and in vivo studies of FePt nanoparticles for dual modal CT/MRI molecular imaging. J Am Chem Soc. 2010 Sep 29;132(38):13270-8. 
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