文献汇报2_文献汇报

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翻译

纳米医学是一个新兴的领域，在成像，诊断和治疗疾病的非侵入性的战略发展提供了巨大的承诺。适应广泛的潜在应用开发和平台技术至关重要的，因为在体内响应的复杂性和毒性研究也是费时和昂贵的性质。硅及其氧化物衍生物已成为一个潜在的针对手段和药物输送，可满足各种血管内和胃肠道的应用。到目前为止，在体内成像和跟踪硅粒子使用约束增强的光激活或通过掺入的成像剂，如荧光标记物，顺磁化合物（常规磁共振成像，核磁共振成像）或放射性核素（例如，已经实现正电子发射断层扫描）。

核磁共振成像技术在体内研究和临床诊断是一个有吸引力的，因为它是非侵入性的，产生高解剖分辨率，无需电离辐射。然而，由于小的磁矩的原子核，大量的晶核在常规条件下成像所需的。增加MRI信号的方法之一是增加远远超出了其均衡值，这种技术被称为极化偏

1315振。超极化惰性气体结构渐露头角的肺部成像，而超极化C和N的代谢物已被用于研究在肿瘤学中的代谢和pH。极化的关键要求是从一个高度极化源靶核的角动量转换。例如，在惰性气体实验角动量源是光学兴奋的碱金属蒸气。对于液体状态的代谢物这一势头源还代谢物（低温动态核极化，DNP），或与有机金属催化剂的组合仲氢结合的自由基（未成对电子）的自旋。

在MRI中使用硅是特别有吸引力的有以下几个原因。首先，核磁矩的Si接近的13C和15N，把它的商业多核MRI系统的调谐范围内。其次，直接成像的 Si本质上是无背景，因为身体只含有微量硅的自然。第三，由于原生硅由稀浓度（4.6％）在一个无原子核自旋的晶格原子核自旋为1 / 2的Si硅原子核之间的偶极相互作用，弱以及它们的结晶电场不敏感（唯一的自旋1/2核）的结果在相当长的弛豫时间T1（长达几个小时，在高纯度的样品）的相干时间T2几秒钟，晶格不敏感方向或旋转。第四，虽然很少有未成对电子的高纯度结晶硅的大部分范围内，含有未成对电子的表面缺陷是普遍存在于天然存在的硅/氧化硅（SiO2）的接口（图1a）。表面缺陷是理想的为DNP27，因为他们是远离大部分的硅核，他们不导致核极化迅速放松。

材料表征和核自旋动力学

在本研究中，我们使用商业上获得的高纯度硅颗粒的平均直径为2毫米（图1b角;补充节S1.1）。每个粒子由无定形硅和二氧化硅壳所包围的结晶核的数量（直径的？为350nm，由粉末X-射线衍射（XRD）分析;补充第S1.2和补充图。S1）。粒子，或者是用在他们所提供的条件或表面官能与3-氨基三乙氧基硅烷（APTES）和聚乙二醇（PEG）为增加的生物相容性和水稳定性（见方法）。复杂的表面结构的粒子（图1b）在高的表面tovolume比G21（0.9平方米，由氮吸附晶格弛豫。

我们使用了一个家庭组装DNP偏振器工作在磁场为2.9 T和温度为3.4 K位于相邻的4.7Ť动物的核磁共振成像系统（见方法，补充第S2.1和补充图。S2）。图2a呈现干燥颗粒，并在体内测量的MRI系统中，一个去极化时间TDEP的¼30分钟以下的超极化后的Si光谱的比较。两者的光谱显示一条线的宽度（半高全宽）400赫兹，符合偶极线宽度为晶体硅。轻微的额外扩大干样品，想必相应的硅核粒子表面。我们本附加属性的情况下，在体内的情况下，扩大在附近1H核自旋的体内环境，造成表面的Si核大致T1接壤1H核时间尺度放松。图2b示出使用可变的翻转角序列的超极化后的干燥和体内颗粒的Si极化衰减一时间TPOL¼18小时（见方法）。尽管绝对硅信号的特性去极化时间常数T1，两次测量之间的差异省大致相同的干Si（T1下降¼38 2分钟）和在体内的情况下，（T1下降¼39±3分钟）。绝对信号中的差异是由于在样品损失稀释和注射程序，硅粒子浓度降低有效区域内的线圈，以及从增强表面弛豫的贡献。通过比较信号强度，以，共同位于硅幻象（见方法），我们估计在Si核极化成像大约1％。

所观察到的去极化时间常数显着长于系综平均的特征自旋晶格弛豫时间常数的样品（T1 ¼ 29±5分钟），测定饱和恢复方法在2.9 T 300 K（补充第S2.2和补充图S3）。孤立的电子缺陷颗粒内芯是无效的DNP只作为局部松弛网站。一旦温度上升，降低磁场传输到成像仪，这些内部缺陷和表面缺陷用于DNP所有行为长处放宽当地的硅核。因此，DNP之后的去极化测量远离核局部松弛点贡献为主，给人特征时间较长常量比玻尔兹曼条件下极化去极化超极化状态。去极化时间常数随超极化时间（TPOL;图2c）被延长，并且通过提高偏振效率或改善颗粒内部晶体结构（补充第S2.3和补充图S4）可以进一步改善。无显着性差异观察到的Si超极化率作短暂的时间段（图2d），其中超极化附近的1H核内的官能化基团可能会受到影响。这并不意外，作为APTES链接器包含数spinful核，提供了一个缓冲区之间的颗粒表面和富1H-PEG。

在体外和体内成像

获得的MRI图像建立一个实际的时间，我们想像一个毫米尺度构造的分部分离由聚四氟乙烯侧墙（图3a）的干燥的硅粒子的幻像。图像被记录在延迟时间TDEP¼0，30，60，和90分钟后，将幻像在MRI成像器，为每个时间间隔中使用单独的超极化。TDEP= 0，30和60分钟的单次采集与信号噪声比（SNR）大于12，幻象图像清晰可见。90分钟后，只有最上面的三个部分是可见的（SNR.3），可能是由于整个样品产生不均匀的微波场分布的偏振器的偏振的变化。

图3b显示了对超极化颗粒的浓度灵敏度。图像中有66和5 mg/ml 的硅颗粒分散于乙醇中含有约250微升的均匀分布，并考虑到圆柱投影到平面上，这对应于一个可见的单个像素的浓度为10毫克每像素的超极化的硅粒子。对于直径为2毫米的颗粒，我们估计从4厘米的成像面在深度为1厘米的绝对灵敏度为5 × 105个粒子/像素，或粒子的摩尔灵敏度为4.2 × 63-82 mol / l的线圈。这对应于一个绝对的Si灵敏度为7× 10-3摩尔/升，这是可比的灵敏度与其他顺磁MRI的纳米粒子剂31，并显着优于F-标记的细胞。

我们已经进行了一些体内成像研究表明多功能超极化硅MRI。图4a示出了共同注册1H：通过导管进入胃肠道（GI）的鼠标的Si图像的超极化的硅粒子注入。紧随注射液（1分钟），则图像显示在胃和十二指肠的颗粒累积。30分钟后的29Si图像显示颗粒进一步移动到动物的小肠中，还阐明内部结构。交货超过40分钟（图4b;还补充图S6）成像的胃肠道进入腹腔（IP）腔揭示了详细的外部结构。

我们已经进行了一些体内成像研究表明多功能超极化硅MRI。图4a显示共同注册1H：极化硅颗粒注入硅图像通过导管进入小鼠胃肠道（GI）。紧随注射液（1分钟），则图像显示在胃和十二指肠的颗粒累积。30分钟后的29Si图像显示颗粒进一步移动到动物的小肠中，还阐明内部结构。交货超过40分钟（图4b;还补充图S6）成像的胃肠道进入腹腔（IP）腔揭示了详细的外部结构。

我们已经进行了一些体内成像研究表明多功能超极化硅MRI。图4a显示共同注册1H：极化硅颗粒注入硅图像通过导管进入小鼠胃肠道（GI）_。紧随注射液（1分钟），则图像显示在胃和十二指肠的颗粒累积。30分钟后，Si的图像显示颗粒进一步移动到动物的小肠中，还阐明内部结构。交货超过40分钟（图4b;还补充图S6）成像的胃肠道进入腹腔（IP）腔揭示了详细的外部结构。

对于静脉注射（IV）经尾静脉导管（图4c;补充图S7）的颗粒，可见腔静脉注射后立即，持续一到两分钟后可见。用于官能化的颗粒的PEG链的选择，因为它是已知的同样大小的粒子，以提高循环。高浓度的颗粒在腔静脉进行，腔静脉的摄像线圈接近，支配信号从其他领域中的动物在该信号中的结果。两分钟后，一些粒子积累观察器官中的单核吞噬细胞系统（MPS），与积累模式类似大小的材料像光学一致。

对于静脉注射（IV）经尾静脉导管（图4c;补充图S7）的颗粒，可见腔静脉注射后立即，持续一到两分钟后可见。用于官能化的颗粒的PEG链的选择，因为它是已知的同样大小的粒子，以提高循环。高浓度的颗粒在腔静脉进行，腔静脉的摄像线圈接近，支配信号从其他领域中的动物在该信号中的结果。两分钟后，一些粒子积累观察器官中的单核吞噬细胞系统（MPS），与积累模式类似大小的材料像光学一致。

作为一个极化硅MRI灌注成像的初步论证，我们给予极化硅颗粒进入前列腺肿瘤的转基因小鼠前列腺腺癌（流浪汉）鼠标（图4d;补充图。S8）。在这项研究中所使用的颗粒过大，无法进入肿瘤细胞结构，但它们能够准确地范围内的血管内的肿瘤的显微组织，以及肿瘤内的血流方向。最初的29Si核磁共振成像显示在右下象限的肿瘤积累，而购买的图像显示较高的浓度在右上象限。小硅信号的左侧观察到的肿瘤在任何成像时间，提示坏死的区域。这个观察目视确认验尸报告。

作为一个极化硅MRI灌注成像的初步论证，我们给予极化硅颗粒进入前列腺肿瘤的转基因小鼠前列腺腺癌（流浪汉）鼠标（图4d;补充图。S8）。在这项研究中所使用的颗粒过大，无法进入肿瘤细胞结构，但它们能够准确地范围内的血管内的肿瘤的显微组织，以及肿瘤内的血流方向。最初，Si的MRI显示在右下象限的肿瘤的积累，而购买的图像显示较高的浓度在右上象限。小硅信号的左侧观察到的肿瘤在任何成像时间，提示坏死的区域。这个观察目视确认验尸报告。

超极化硅MRI的一个关键优势是生物相容性。硅经常用作其他纳米探针的生物相容性涂层，一些研究已经报道的硅颗粒的毒性可以忽略不计。在这些调查的清除机制已被归因降解成可溶性硅酸，随后几天内排泄的硅和二氧化硅。我们的初步研究表明在体内的毒性，这些粒子成像浓度没有减少动物存活率超过两个星期内通过胃肠给药，IP或IV航线的颗粒。MPS器官组织切片收获三个小时后，静脉给药，两周后（补充图。S9）之间的比较表明，这些硅粒子出现在两个星期内被有效地清除。

超极化硅MRI的一个关键优势是生物相容性。硅经常用作其他纳米探针的生物相容性涂层，一些研究已经报道的硅颗粒的毒性可以忽略不计。在这些调查的清除机制已被归因降解成可溶性硅酸，随后几天内排泄的硅和二氧化硅。我们的初步研究表明在体内的毒性，这些粒子成像浓度没有减少动物存活率超过两个星期内通过胃肠给药，IP或IV航线的颗粒。MPS器官组织切片收获三个小时后，静脉给药，两周后（补充图。S9）之间的比较表明，这些硅粒子出现在两个星期内被有效地清除。

结论 我们已经证明了实时MRI MRI纳米探针和成像时间范围几个数量级的时间比其他的超极化材料相媲美的灵敏度的超极化的硅粒子。然而，这里提出的浓度阈值和成像时间范围在几个数量级的提升是可能的。消除孤立的内部的晶体结构，化学增强的表面缺陷密度的缺陷，将产生更有效的超极化和去极化时间常数显着较长。通过表面缺陷的极化机制是适用于任何大小的硅颗粒，最终定超极化核自旋极化有扩散到放松的时间和距离的成像时间窗口。以前的研究表明，观察到的去极化时间（40分钟）不显着降低，随着粒径减小了一个数量级低于 本研究中使用，最近，我们已设计为10nm的颗粒，与T1的时间大于10分钟。同位素富集，虽然还没有市售，降低了超极化和去极化时间常数将n2/ 3，其中n是同位素组分的理论因素，但带来直线上升信号。在其他研究中，我们已经研究了丰富的硅样品（92％硅）和观察超极化和去极化时间的跌幅同意定性理论。以前的研究表明，观察到的去极化时间（40分钟）不显着降低，随着粒径减小了一个数量级低于本研究中使用，最近，我们已设计为10nm的颗粒，与T1的时间大于10分钟。同位素富集，虽然还没有市售，降低了超极化和去极化时间常数将n2/ 3，其中n是同位素组分的理论因素，但带来直线上升信号。在其他研究中，我们已经研究了丰富的硅样品（92％硅）和观察超极化和去极化时间的跌幅同意定性理论。

因为表面功能不依赖于时间刻度去极化，针对战略为silicacoated纳米载体可应用于粒子优化极化硅MRI。表面掺杂可能允许非常大核极化快的时间尺度上产生通过组合光学微波技术。此外，作为在体内T1省的时间是至少两个数量级的时间比超极化13C（参考文献23）和Xe（参45,46），它可能是可以使用于颗粒核超极化存储极化（如电池），然后通过建立交叉极化技术具有更高的旋磁比，以读出的核极化转移。

其他几个背景成像方法目前正在开发中。最值得注意的是，这已经得到了广泛的调查毒品和全氟化碳纳米粒子作为造影剂100％纯天然丰度和高旋磁比，再加上缺乏体内背景信号使用19F，允许它被不成像极化。然而，在使用19F的体内研究通常需要大量的平均值，而不是单显示拍摄的图像。这样长的平均时间不使颗粒在体内的实时跟踪，和其中的粒子的位置已经达到一个稳定的状态在较长的时间段是最适合的累积研究。另外，与玻尔兹曼偏振光材料如19F的方法，其中信号是依赖于用于成像的磁场的强度不同，超极化的硅晶核可以容易地以高灵敏度成像在低使用负担得起的永久磁铁或感应线圈MRI的磁场系统。

关于极化硅成像临床应用的一个关键问题可能是特定吸收率（SAR）的相关问题与快速自旋回波成像技术的使用，在这项工作中。我们注意到，虽然自旋回波成像提供了一个显着增加的信号，我们也采用梯度回波成像技术对硅MRI（参见25）。作为功率沉积秤的拉莫尔频率的二次方与被成像的核，低旋磁比硅一起的可能性低场成像减轻许多这些关注。此外，研究快速磁共振成像技术，如禁区k空间采集和压缩感知，以及硬件的发展，最大限度地减少在成像线圈产生的电场，硅MRI是非常相关的。

总之，我们已经证明在体内超极化硅粒子的MRI成像，并调查了潜在的应用范围。通过选择粒子的结晶硅表面氧化保护的核心，在颗粒中产生的极化的影响的体内环境或粒子翻滚。磁共振提供不仅结构成像的可能性，但也流功能成像，粒子结合，或对当地环境通过表面功能。在体内Si背景的信号缺乏有潜在允许定量的Si核磁共振标签，开放的可能性下系统跟踪粒子的生物分布，类似于使用核示踪剂。

Methods 硅颗粒的制备。

硅粉（2毫米APS，99.9985％的元素纯度，阿法埃莎）用于提供及以下的表面功能，用PEG生物相容性。颗粒悬浮在酸化乙醇（pH为3.5，Sigma公司100％），并在超声浴中放置5分钟。APTES（Sigma公司99％）中加入上面的浓度为100ml，每克硅和24小时的板振摇器上振摇样品。多余的硅烷由centrifiguation除去，漂洗，和颗粒再悬浮在乙醇的缓冲液中。NHS-dPEG4（米-PEG12）-3-酯（广达Biodesign公司），加入浓度为100毫克每克硅和样品，振摇12小时，在458C。然后将颗粒在酸化乙醇缓冲液漂洗，并通过离心浓缩。样品（100毫克）被装成薄壁特氟隆管，经受住了快速热循环极化过程中所涉及的，然后被装入偏振片。

硅DNP。

DNP在一个定制的偏光操作在3.4 K2.9 T为极化倍TPOL的范围在4-24ħ。频率调制的应用微波辐射在80.83 GHz和80.91 GHz的（10千赫位于斜坡调制）与2 W微波源（Quinstar）在室温温度和经由毫米波导耦合到样品。的详细信息偏振器的建造和频率调制技术在别处描述。

样品转移和解散。

除去固体样品从偏振片并输送到面对的磁铁使之溶解。磷酸盐缓冲盐水（0.5-1）溶液或乙醇溶液中加入与样品悬浮由于手工搅拌。总运输和溶解时间约2分钟。NMR实验。的特征的去极化时间常数T1省，测定中使用的可变翻转角序列的动物扫描器保藏样品的内在T1衰减。对于N实验，倒装的第n个脉冲的角度进行了计算。

所有硅光谱出口伊戈尔临（V6.22 Wavemetrics），以供分析。5毫秒指数过滤器被应用到复杂的时域数据前傅里叶变换。

磁共振成像实验。

所有的幻象和动物磁共振成像实验在4.7 T在水平孔动物扫描仪（布鲁克BIOSPIN）配备高分辨率梯度集。控制实验进行了临床前软件Paravision的（V 3.0.2布鲁克BIOSPIN的）。双线圈设置用于共同注册1H ：硅成像。一个1H卷线圈用于样品的位置和解剖成像。的29Si成像和光谱进行腹部地区的动物被放置在一个定制的表面线圈（38毫米内径）。线圈的大小略有增加（45毫米内径）为TRAMP动物，因为肿瘤的大小。一个小（约1毫升）幻影三甲基硅醇（TMS，99％ Sigma公司）位于体积线圈在面对表面线圈的29Si光谱参考深度为1厘米。幻影成像，假体放置在支架集中在1厘米以上的表面线圈的面对线圈的垂直位移的体积。在图如图2a所示，幻象的大小是2×14像素或64 × 64成像矩阵（个别分部的2 ×2像素）。对于图。2B，幻象大小为6 ×22 64 × 64像素内成像矩阵。

解剖成像进行一个标准的1H多片multipleecho自旋回波序列。一个自定义的快速自旋回波脉冲序列被写入硅成像，利用特定的消相干特性孤子硅。的成像序列的详细信息，以及所使用的图像处理，是在补充资料。

老鼠处理。

所有动物工作进行在根据机构动物协议的指引，在亨廷顿医学研究所，研究所动物研究委员会审查和批准。雄性BALB/ c小鼠（20克，Harlan实验室的）被用于正常的实验。雄性的流浪汉小鼠（杰克逊实验室）用于前列腺肿瘤实验。动物麻醉面罩（1％异氟醚0.8升min-1的氧）和导管定位GI，IP或四，或肿瘤内。将动物放置到一个自定义的加热保持器兼容的MRI线圈，并用鼻锥在实验过程中保持麻醉。

悬浮于磷酸盐缓冲盐水（Baxter保健公司），与25号注射器通过导管注入前的超极化的硅粒子。暂停GI和IP量为0.3毫升，1毫升为四。此外，用于胃肠道的实验的未官能化的颗粒首先被悬浮于0.2毫升乙醇中，增强的表面稳定化。其次是0.2毫升生理盐水注射液，以清除导管。实验结束后，处死动物麻醉和内脏器官（脾，肝，肾），同时收集作进一步研究。