石墨烯应用新发现——基于石墨烯/银复合纳米材料的高灵敏肾病诊断技术

疾病诊断是临床治疗成功与否的关键因素,常见的成像技术包括:核磁、超声、X射线断层扫描成像(CT成像)等。其中CT成像利用机体组织对X射线吸收的差异性,实现其对疾病的高灵敏性原位成像,此外许多新发展起来的成像如单光子/正电子、荧光、热成像也需要联合CT成像,才能实现疾病的精确诊断,因此CT成像在临床诊断与治疗中具有不可替代的重要性。然而,因为正常组织对X射线的低吸收,通过常规CT技术很难实现非骨骼组织的高分辨清晰成像。因此,在临床中,病人需要使用CT影像增强剂以便提高CT成像对疾病组织的精确诊断,目前常见的CT影像增强剂为碘的化合物,然而化合物中的碘离子因为其对甲状腺的高毒性以及快速药物代谢等问题,给CT增强技术在疾病诊断中的应用与发展带来了一定的限制。因此有必要开发一种高X射线吸收、高生物兼容性、低毒性的新型CT影像增强剂。

Untitled氧化石墨烯作为一种著名的二维材料,已被广泛应用于疾病的治疗与诊断研究中。然而,几乎所有的研究都聚焦于其在浅层肿瘤疾病的诊断与治疗中,很少关注非肿瘤疾病的应用研究。此外,鉴于肿瘤疾病的复杂性,短期内氧化石墨烯可能很难应用于临床肿瘤疾病的诊断与治疗。而许多非肿瘤组织的疾病,往往具有清楚的发病机理以及成熟的治疗方案,因此研究氧化石墨烯在此类相关疾病的CT影像诊断将具有同样重要的意义。然而氧化石墨烯作为一种碳材料,其对X射线具有较低的吸收,很难直接用于疾病的诊断中。因此,中国科学院兰州化学物理研究所邱洪灯研究员课题组与兰州大学放射化学研究所吴王锁教授团队合作,将银纳米颗粒复合到氧化石墨烯表面以提高X射线的吸收效果,同时将辛伐他汀作为纳米毒性治疗药物与复合纳米材料联合使用,进而消除了氧化石墨烯/银复合纳米材料的体内毒性,从而将氧化石墨烯用于疾病的CT成像变为可能。

研究表明,静脉注射氧化石墨烯/银纳米复合物后,其主要分布于肺、肝和肾组织中。通过CT成像研究表明,氧化石墨烯/银纳米复合物的特异性分布有效增强了X射线在相关组织的吸收,进而得到高质量的CT影像资料。此外,辛伐他汀药物的使用既可消除纳米毒性,又不影响石墨烯/银纳米复合物的组织CT成像效果。在辛伐他汀的作用下,石墨烯/银纳米复合物作为一种CT影像增强剂可长期安全的滞留于相关组织中,并实现了相关组织的长时间高质量清晰成像(~24 h)。重要的是,通过一系列的优化筛选,研究者发现超低剂量氧化石墨烯/银纳米复合物(≈0.5 mg per kg bw)的使用,即可实现肾脏的高质量长时间CT成像,这为其用于肾病的临床诊断提供了可能。随后,研究人员利用肾静脉血管结扎技术成功了制备了右肾功能障碍模型鼠,并利用辛伐他汀与氧化石墨烯/银复合纳米材料的静脉注射,通过CT成像可清晰地观察到模型鼠体内右肾和左肾的图像差异,实现了氧化石墨烯/银复合纳米材料对肾功能障碍疾病的诊断。相关结果发表在Advanced Healthcare Materials上,论文第一作者为中科院兰州化物所的李湛博士。

该研究为石墨烯在生物医学领域的临床应用提供了一条新思路,同时为CT增强成像领域提供了一项新技术。当然,如果真要让氧化石墨烯/银纳米颗粒进入临床的诊断与治疗,为人类的安全与健康做出贡献,还需要进行更多的研究。