微波驱动合成氧化铁纳米颗粒用于快速检测动脉粥样硬化

本实验方案的总体目标是利用微波技术快速合成并功能化修饰含双膦酸盐基团的氧化铁纳米颗粒，以实现对小鼠模型动脉粥样硬化在磁共振成像（MRI）中的快速检测。目前，微波技术在氧化铁纳米颗粒的合成与功能化修饰中的应用仍较为有限。然而，我们展示了如何利用该技术制备高质量的纳米颗粒，并开发出极为快速的实验流程。

该技术的主要优势在于，可在极短的时间内制备出高质量的功能化纳米颗粒，并用于导管介入以靶向动脉粥样硬化斑块中的微小钙化区域。开始该操作时，将0.5克三乙酰丙酮铁、1.4毫升油酸、0.6毫升油胺以及1.19克1,2-十六烷二醇加入一个适用于微波反应的烧瓶中。使用刻度移液管沿烧瓶壁小心加入10毫升苯基醚。

随后，将烧瓶放入微波反应器中，并通过在微波系统中加载动态研究程序来启动微波反应。反应完成后，待烧瓶冷却至室温，用玻璃移液管将反应混合物转移至锥形瓶中，并加入 10 毫升 98% 的乙醇。将烧瓶置于钕铌硼磁铁上方，静置 5 分钟后，用玻璃移液管移除上清液。

接下来，向烧瓶中加入10毫升乙醇。在室温下以40千赫超声处理样品2分钟。完成后，将样品置于磁铁上并移除上清液。

将油酸包覆的纳米颗粒分散于30毫升氯仿中，并在室温下以40千赫超声处理5分钟。超声处理后，取0.5毫升纳米颗粒溶液转移至玻璃比色皿中，加入0.5毫升氯仿。按照仪器制造商的说明，使用Zetasizer检测其流体动力学粒径。

此时，将44.3毫克高锰酸钾和150.4毫克苯甲酰三甲基氯化铵溶解于体积比为3:2的水和氯仿混合液中。将所得溶液加入含有油酸包覆纳米颗粒的5毫升Aliquat中，置于微波反应专用烧瓶内。启动微波反应程序以制备壬二酸纳米颗粒，设定温度为105°C，反应时间9分钟，压力250 psi，功率300瓦。

随后，向烧瓶中加入 10 毫升 pH 2.9 的磷酸盐缓冲液。重复微波处理步骤后，去除上清液，向烧瓶中加入 10 毫升水，并将混合物转移至锥形瓶中。最关键的步骤是壬二酸纳米颗粒的纯化。

接着，向锥形瓶中加入5毫升10%的亚硫酸氢钠，在25摄氏度下以40千赫超声处理2分钟。收集颗粒并去除上清液后，用1%氢氧化钠将纳米颗粒再洗涤三次。将颗粒重新分散于5毫升pH 7.2的磷酸盐缓冲液中。

为检测流体动力学粒径和Zeta电位，将0.7毫升的壬二酸纳米颗粒转移至一次性折叠毛细管池中，并将其放入Zetasizer中进行分析。在离心管中加入12毫克EDC和15毫克磺基-NHS，并加入2毫升壬二酸纳米颗粒的Aliquat溶液。在室温下涡旋混合35分钟。

将磁铁置于离心管下方以使纳米颗粒失稳后，吸除上清液，并用1.5毫升1毫摩尔的HEPES缓冲液洗涤颗粒。然后加入5毫克奈立膦酸，涡旋混合2小时。用磁铁分离纳米颗粒，并用1毫摩尔HEPES缓冲液洗涤。

最后，将奈立膦酸纳米颗粒分散于2毫升1毫摩尔的HEPES缓冲液中。为检测其流体动力学粒径和Zeta电位，取0.7毫升奈立膦酸纳米颗粒溶液加入一次性折叠毛细管池中，并将其置于Zetasizer中进行分析。所有纳米颗粒均表现出较小的流体动力学粒径，且粒径分布非常狭窄。

透射电子显微镜（TEM）图像显示，这些颗粒具有优异的结晶性。此外，经过四次重复合成后，所得水动力学粒径及分布结果一致，表明微波法最重要的优势之一是其良好的可重复性。通过弛豫度测定法检测了含于奈立膦酸纳米颗粒中的双膦酸盐对钙离子的结合特性，结果表明，由于纳米颗粒聚集物的形成，T2弛豫时间随钙离子浓度和孵育时间呈线性增加；而未加入钙离子的纳米颗粒则保持稳定。

对48周龄的apoe基因敲除小鼠进行了活体MRI实验，在注射后一小时，斑块信号较基线图像呈低信号。此外，斑块与肌肉的信号比在基线图像与注射后一小时的图像之间存在显著差异。注射含尼立酸纳米颗粒后还监测了肝脏信号，该纳米颗粒在20分钟后完全从循环中清除，证实了这些纳米颗粒对动脉粥样硬化斑块具有选择性积聚作用。

体外成像和组织学分析已实施，对含有和不含纳米颗粒的主动脉进行成像，结果显示信号强度存在差异，与体内实验结果一致。一旦掌握该技术，若操作得当，利用微波技术可在3小时内完成合成、表征及斑块检测。该方法的另一优势在于，仅需稍作修改，即可结合其他成像技术（如热成像）以回答更多科学问题，例如动脉粥样硬化的定量分析。

该技术问世后，为心血管成像领域的研究人员探索动脉粥样硬化的早期诊断提供了新的途径，其实验装置可轻松适应临床需求。观看本视频后，您应能够充分理解如何利用微波法制备亲水性氧化铁纳米颗粒，以及其在心血管成像中的应用。请注意，使用微波炉可能存在安全隐患，具体风险取决于所用设备，因此在操作过程中必须采取预防措施，例如对反应罐进行压力控制。