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稀土材料:医疗领域大放光彩

2024-06-19 10:51:52
来源:科技日报 作者:符晓波 评论:0

  稀土材料作为一类金属材料,拥有独特的物理性质和化学性质。近年来,稀土材料在医学领域的应用日益广泛。

  日前,厦门市稀土光电功能材料重点实验室与厦门大学医学院、汕头大学医学院附属肿瘤医院通过多学科交叉合作,研发出基于稀土近红外二区发光的前哨淋巴结转移精准成像技术。该技术不仅能让癌细胞更早被发现,还能在手术中精准定位癌细胞,为医生“导航”。

  从疾病早期诊断到精准治疗,稀土材料正在助力医疗水平的进一步提升。

  多种诊疗技术“强助攻”

  稀土是元素周期表中镧系(镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥)15个元素和21号元素钪、39号元素钇共17个元素的总称。一直以来,科学家不断探索稀土元素的生物学效应。早在20世纪50年代,诺贝尔化学奖得主、美国化学家格伦·西奥多·西博格及其团队就通过实验验证了某些稀土化合物的安全性,并发现它们对生物具有独特效用。

  稀土元素拥有特殊的电子层结构,能够有效吸收和发射特定波长的光,从而能与其他类型材料结合,形成性能各异、品种繁多的新型光功能材料。这一特性为其在医学影像学中的应用提供了理论支撑。同时,部分稀土离子具有良好的稳定性和与生物分子结合的能力,为相关药物设计开辟了新途径。

  随着稀土分离技术进步,自20世纪60年代以来,稀土元素开始应用于医学领域。在医学治疗方面,以钆为基础的造影剂广泛应用,极大提高了图像对比度和诊断准确性;含有铕的荧光探针,则被用于细胞追踪和生物标志物检测;钐对于缓解骨转移癌患者疼痛,也能起到显著效果。

  此外,稀土在提高生物医用材料性能方面有得天独厚的优势。例如铈掺杂的磷酸钙可被用于骨骼修复,镧系元素掺杂的二氧化钛表面拥有优异的抗菌性能。不仅如此,陆续被发现的稀土化合物还具有一系列特殊药效作用,可用于治疗烧伤、炎症、皮肤病、血栓病等。

  “在精准医学免疫治疗领域,稀土材料有广阔前景。”厦门市稀土光电功能材料重点实验室副主任朱浩淼介绍,利用稀土材料有望研发出像导弹一样的靶向药物。目前,该团队正在研究采用稀土中的镥、钇等放射性同位素精准定位肿瘤细胞,再利用其放射性特质发射出高能粒子,定向杀死肿瘤细胞。

  取得诸多研究成果

  近年来,我国在稀土材料的诊疗应用方面取得诸多研究成果。

  提高药物的生物利用率、靶向定位准确度,以及降低毒副作用,一直是药物载体领域的研究重点。基于稀土元素开发的多功能复合材料作为药物载体,能精确控制药物在体内的释放,实现药物缓释,在提升疾病治疗效果方面展现出较大潜力。

  不久前,中国科学院福建物质结构研究所研究员卢珊、陈学元等研发出新型稀土纳米光学诊疗材料,在肺部感染小鼠模型中实现了非侵入性光学诊疗。研究人员介绍,这种新型材料采用独特的富集—包覆策略,将数百个超小纳米颗粒封装在介孔二氧化硅内核中,形成尺寸约220纳米的均匀、单分散性好、介孔负载量大的纳米杂化材料。其作为药物载体更易递送到肺部,提高了生物利用度。

  此外,以活体荧光成像法替代癌症病理诊断使用的活检样本体外检测技术,成为一种新型无创肿瘤病理诊断方法,受到临床医生青睐。其中,成像的关键一环离不开稀土。

  稀土材料之所以能在成像方面表现突出,主要得益于其优异的光学特性、高稳定性、多功能性以及深组织穿透能力等。厦门大学附属第一医院核医学科副主任医师、教授陈皓鋆介绍:“稀土元素特别是某些稀土同位素,如镥-177,具有独特的物理和化学性质,非常适合用于癌症靶向治疗和成像。”

  以上述基于稀土近红外二区发光的前哨淋巴结转移精准成像技术为例,该研究团队负责人、中国科学院海西研究院厦门稀土材料研究中心研究员张云介绍,他们研发的这种神奇的纳米探针并非一种针状物体,而是一种化学合成物质。研究团队利用近红外Ⅱb区发光的稀土下转换纳米颗粒作为发光元件,以肿瘤特异性靶点CXCR4的拮抗肽作为靶向元件,成功合成出新型近红外Ⅱb区纳米探针。在临床应用时,只需注射这种会发光的纳米探针,即可自动定位肿瘤;通过光学成像仪器,就能隔着皮肤和肌肉组织直观清晰观察到肿瘤的边缘、细胞的游走。

  为了提升肿瘤靶向能力,陈皓鋆团队尝试利用稀土纳米材料多光谱发射的特性,设计合成多色、多指标肿瘤免疫微环境精准识别探针,开展纳米刀治疗下肿瘤免疫微环境的多指标精准动态识别研究,实现对肿瘤免疫微环境的多层次多指标精准动态检测。“目前,我们已经搭建了纳米刀治疗平台,正在推进后续基于稀土纳米探针的纳米刀消融治疗诱发机体免疫效应动态识别研究。”陈皓鋆说。

  加快推动应用落地

  稀土材料在医学领域的应用并非没有挑战。如何确保这些材料在人体内安全使用,避免潜在生物毒性和不良反应,是科学家们必须面对的问题。此外,稀土材料的提取和制造过程相对复杂,成本较高,这也限制了其在一些资源有限地区的普及。

  推动更多安全可靠的稀土应用在医学领域落地,无疑需要大量扎实的基础试验数据。为此,一些科研团队及医疗机构纷纷布局,致力于探索稀土在医学领域的新用途,期望通过开发更多稀土新型材料,提升疾病诊断准确性与治疗有效性。

  2022年,长期从事无机化学研究的中国科学院院士洪茂椿与厦门大学附属第一医院合作成立中国稀土学会稀土医学临床研究中心,携手开展医工交叉创新合作,启动稀土元素在医学诊疗技术上的系列研究。

  洪茂椿表示,稀土的独特功能在生物医学领域有着广阔的应用前景,“我们希望研究出更多稀土离子或稀土化合物在生物体内的作用机理,用以开发医用材料和药物,实现疾病的精准诊疗。”

(责任编辑:韩梦晨)

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