此前UPM研究人员参与了一种新型生物传感器的开发，该传感器可用于利用磁共振成像技术对老年痴呆症进行早期非侵入性诊断。大脑中铁沉积的存在是阿尔茨海默病患者的组织病理学特征。因此，由生物医学技术中心(UPM)的Milagros Ramos领导的一个来自不同机构研究小组开发了一种基于功能化磁性纳米颗粒的磁共振成像造影剂，它可以作为这种疾病早期诊断的生物标志物。这一结果可以为开发这种神经退行性疾病的早期非侵入性诊断方法的新研究铺平道路。阿尔茨海默病是一种进行性的神经退行性疾病，全世界约有4700万人受到影响。今天这种疾病的最终诊断只有在病人死亡后，当我们可以确定存在缠结和淀粉样斑块位于脑实质通过组织学技术。目前的诊断方法包括对病人的病史进行评估，以发现行为变化，以及提供阿尔茨海默氏症可能诊断的神经精神病学和神经影像学评估。
转基因小鼠的大脑切片显示淀粉样斑块(绿色)和铁蛋白(红色)的堆积。图片：ACS Chem. Neurosci., 2018, 9 (5), pp 912–924
博科园-科学科普：今天生物标志物既不能提供对该病的早期诊断的高准确性，也不能适当监测使用放射性同位素后该病的进展。因此，研究人员目前正在寻找新的生物标记物，利用非侵入性方法检测阿尔茨海默氏症的存在。磁共振成像比正电子发射层析成像(PET)有更好的空间分辨率，而且它不使用放射性示踪剂。大脑中铁沉积的存在是阿尔茨海默病患者组织病理学特征。然而，由于需要高浓度的铁积累和较长时间获取图像，因此很难在患者中使用这种技术来早期发现这种疾病。通过这种方式，似乎有必要开发出一种造影剂，使我们能够在磁共振中获得更大的灵敏度，以检测阿尔茨海默氏症患者大脑中与淀粉样斑块有关的早期铁积累。为了在寻找早期发现阿尔茨海默病的非侵入性生物标记物方面取得进展，CTB-UPM的米拉格罗斯·拉莫斯博士领导了一个研究小组，来自Severo Ochoa分子生物学中心(UAM-CSIC)、卡洛斯三世大学、Gregorio Maraón健康研究所(LISGM)和心理健康中心(CIBERSAM)以及生物工程、生物材料和纳米医学的CIBER(CIBER-BBN)。
这项研究描述了阿兹海默症转基因小鼠海马区积累的铁和储存铁(铁蛋白)的蛋白质。这些铁和铁蛋白聚集在淀粉样斑块周围，这是该病的特征。这一发现帮助开发了一种磁共振成像造影剂，该造影剂基于磁性粒子的功能化，使用一种可以识别铁蛋白抗体。因此，研究人员通过组织学分析表明，新纳米结合物以一种特殊的方式结合在阿兹海默症转基因小鼠的铁蛋白积累上。在特定区域的功能化纳米颗粒的积累导致通过磁共振获得的某些值显著降低，这表明这种新型造影剂在未来可以通过磁共振对这种病理进行早期非侵入性诊断。研究人员已经开发出一种新的纳米颗粒和相关成像技术，可以检测多种疾病的生物标记物，包括在人体深层组织中发现的乳腺癌标记物。发表在科学期刊《自然纳米技术》上的这项研究为微创疾病诊断开辟了一条新途径，并可能在生物医学研究和临床应用中得到广泛应用。
一幅程式化的癌症检测纳米粒子图像。图片：Yong Fan
麦考瑞大学ARC纳米生物光子学卓越中心(CNBP)的研究作者吕义清博士说：利用纳米颗粒进行疾病的生物成像是一个令人兴奋和快速发展的科学领域。特别设计的纳米颗粒可以放置在生物样品中，或者注射到身体的特定部位，然后通过引入的光线(如激光或光纤)‘激发’。这些纳米粒子瞄准的疾病生物标志物，然后通过发射它们自己的特定波长的信号来揭示自己，这些信号能够被识别和成像。然而，一个主要的限制是，一次只有一种疾病的生物标志物能够通过这种检测技术在体内被识别和量化。检测体内的多种生物标志物(称为多路复用)一直是研究人员面临的主要挑战。组织环境极其复杂，充满了吸收和散射光线的元素，如血液、肌肉和软骨。将多个纳米颗粒引入一个位点，在多个波长下工作以检测多个生物标志物，会产生过多的干扰。这使得精确确定是否存在一系列疾病生物标志物变得极为困难。
为了解决这个问题，研究团队设计出了一种新型纳米粒子，这种纳米粒子可以发出相同频率的光(近红外光)，但能够编码出特定时间段的光(在微秒到毫秒的时间范围内)。正是光发射的持续时间和生物标志物对这个定时数量的光的反应(被称为发光寿命)产生了一个清晰可识别的分子信号。基于这种方法，多种疾病生物标志物可以被清晰地识别和成像，因为没有重叠的波长干扰读数，这使得高对比度光学生物医学成像能够同时检测多种疾病生物标志物。在实验室测试的一个令人兴奋的突破中，这种创新的纳米颗粒已经能够在小鼠中检测多种形式的乳腺癌肿瘤。中国复旦大学的张帆教授说：我们对这项研究的成果感到非常兴奋，能够成功地检测和识别许多不同亚型乳腺癌的关键生物标志物。这项技术有潜力提供一种低侵入性的方法来确定乳腺癌是否存在，以及乳腺癌的形式，而不需要通过活检采集组织样本。
新型纳米颗粒将能够同时定量评估各种疾病和癌症生物标记物，这项技术将能够用于早期疾病筛查和综合治疗。麦格理大学(Macquarie University) CNBP节点负责人、论文作者吉姆?派珀(Jim Piper)教授对已经获得的结果也持同样乐观态度。这是麦考瑞大学中心长期努力的重大进展，该中心致力于开发创新技术，同时检测人类和动物的多种疾病标志物。研究合作的下一步是进一步细化纳米颗粒，检查与该技术临床推广相关的问题，并探索该技术最好应用的进一步应用和疾病领域。其研究发表在《自然纳米技术》上，参与这项研究的国际研究人员团队位于澳大利亚纳米级生物光子学卓越中心(ARC Centre of Excellence for Nanoscale BioPhotonics, CNBP)、麦格理大学(Macquarie University)和中国复旦大学。
博科园-科学科普｜参考期刊文献 :《ACS Chemical Neuroscience》,《Nature Nanotechnology》｜研究/来自：UniversidadPolitécnicadeMadrid，ARC纳米级生物光子学卓越中心，DOI: 10.1021/acschemneuro.7b00260，DOI: 10.1038/s41565-018-0221-0
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