CN112326776B - P140靶向光学-磁性粒子成像细胞特异性融合装置 - Google Patents

P140靶向光学-磁性粒子成像细胞特异性融合装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供P140靶向光学‑磁性粒子成像细胞特异性融合装置，包括多模态纳米分子探针生成模块、多模态纳米粒子分子探针植入模块、成像模块、标记细胞收集模块和检测分析模块，该P140靶向光学‑磁性粒子成像细胞特异性融合装置采用了双模态分子影像信息导航流式细胞分析，有效地降低了实验用小鼠数量和抗体使用数量，提高了流式细胞分析效率。

Description

P140靶向光学-磁性粒子成像细胞特异性融合装置
技术领域
本发明涉及生物医学影像领域，尤其涉及一种P140肽靶向细胞特异性多模态融合的分子影像实现装置。
背景技术
分子成像技术可以为观察细胞、分子事件及其动力学过程提供可视化手段，它成为生物学、医学以及新药物研发等领域的重要工具，而小动物体是现代生物学和医学研究的主要实验手段，因此，小动物体影像检测成为分子成像研究的热点。现有的分子成像技术中，光学成像是一种传统的成像技术，光学成像的优势主要体现在特异性、多尺度、多参数、时空分辨率高、多模态复合、安全性高等几方面。而磁性粒子成像是一种新型的示踪剂成像技术，利用磁性纳米粒子示踪剂在零磁场中的非线性磁化特性，可视化被测物内的示踪剂质量分数，从而检测磁性纳米粒子示踪剂的空间分布。磁性粒子成像具有三维成像、高时空分辨率、高灵敏度和无组织穿透深度限制，且无电离辐射危害。近年来，被广泛应用于细胞跟踪、血管造影以及炎症成像等领域。
然而，上述两种成像技术均存在分辨率难以达到单细胞特异性水平的技术缺陷。光学分子影像具有高分辨率优势，但是光学信号在生物组织传播过程，存在生物组织穿透深度的物理局限性。磁性粒子成像具备高灵敏度、高分辨率、无组织穿透深度的限制，但是磁性粒子容易被免疫细胞内吞等作用，造成分子标记特异性脱靶问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种P140靶向光学-磁性粒子成像细胞特异性融合装置，包括多模态纳米分子探针生成模块、多模态纳米粒子分子探针植入模块、成像模块、标记细胞收集模块和检测分析模块；
所述多模态纳米分子探针生成模块首先采用荧光染料修饰磁性纳米粒子得到光学标记的磁性纳米粒子，再将磁性纳米粒子与P140肽相结合，得到多模态纳米分子探针；
所述多模态纳米粒子分子探针植入模块将多模态纳米分子探针植入待成像样本；
成像模块采用磁性粒子成像仪器对待成像样本进行在体成像，获取复杂组织特异性的多模态纳米分子探针的动态分布信息；
所述标记细胞收集模块根据动态分布信息，分离特定组织，采用磁性细胞分选仪，纯化并收集该特定组织内多模态纳米分子探针标记的细胞；
所述检测分析模块采用细胞分析仪，检测标记的细胞亚群，并提取免疫细胞亚群的单细胞多组学特征。
进一步的，所述荧光染料为AF647、BV421、Apc-H7或BV501；
进一步的，所述磁性纳米粒子包含Fe3O4、FeO、γ-Fe2O3或FeCo；
进一步的，所述多模态纳米分子探针生成模块通过光学标记的磁性纳米粒子表面的功能分子中性抗生物素蛋白与生物素共轭标记的P140肽相结合，形成多模态纳米分子探针；
进一步的，所述成像模块采用磁性粒子成像仪器，通过感应电压Un(t)反映多模态纳米分子探针的动态分布信息；
在体成像信息根据如下计算方法实现：
首先，建立与线圈中心轴相互平行的x轴，并在此基础上建立与之垂直的y、z轴，完成三维坐标系的建立；
其中，Z表示磁性纳米粒子的响应磁场强度，为单个磁性粒子的饱和磁矩，d为磁性粒子粒径，/>为磁性粒子的饱和磁化强度，T为绝对温度，μ0表示真空磁导率，m为磁性粒子的浓度，α为朗之万参数，且
其中kB为波尔茨曼常数，W为外加磁场强度；
MPI使用的磁场由时变驱动场WD(t)和静态梯度场WS(x)的叠加，
令静态梯度场WS(x)为均匀的，则WS(x)＝Qx，x表示在静态梯度场中坐标系对应的坐标值，Q表示施加的梯度磁场强度，Qx、Qy、Qz分别代表X、Y、Z方向的磁场梯度，而磁场梯度/>Δx为成像分辨率，时变驱动场WD(t)周期长度为TD，对于零磁场点FFP的位置，用XFFP＝-Q(-1)WD(t)来表示零磁场点FFP的坐标；MPI中的电压信号Un(t)表示为
其中，R代表实数集且x∈R，R3是代表三维激励磁场中的实数集且x∈R3；t代表时间；
其中sn(x,t)n∈{1，2，3}表示依赖于空间和时间的系统数，m(x)是空间SPIO分布，gn是第n个接收线圈的感应率，z表示一个纳米粒子的磁矩，表示朗之万函数，表示相对于第n个接收线圈的多维朗之万(Langevin)函数，因子xn FFP(t)表示FFP的第n个坐标，xn是第n个空间坐标。
进一步的，所述标记细胞收集模块纯化并收集的为单细胞悬液。
本发明与现有技术相比所具有的有益效果：
本发明提供了基于P140的光学成像—磁性粒子成像细胞特异性融合的多模态分子影像实现方法。本发明的有益效果主要体现在：在细胞分子水平，本发明采用了多模态纳米分子探针，此分子探针主要强调P140肽的组织特异性和细胞特异性，有助于靶向性标记T细胞以及进行脾、肺、肾、大脑等组织成像，有助于观察中性粒细胞胞外诱捕网(NETs)的形成过程。此外，在分子影像水平上，本发明采用双模态分子影像信息导航流式细胞分析，有效地降低了实验用小鼠数量和抗体使用数量，提高了流式细胞分析效率。
附图说明
参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：
图1本发明P140靶向光学-磁性粒子成像细胞特异性融合装置的组成示意图；
图2为本发明实施例中使用的多模态纳米分子探针P-AF647的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，但并不用来限制本发明的保护范围。
采用本发明的P140靶向光学-磁性粒子成像细胞特异性融合装置对小鼠的脾脏进行检测和分析：
(1)建立小鼠模型
首先采用5只健康雌性C57BL/6J小鼠，体重25g，7～8周龄，采用腹腔注射的方法，向每只小鼠体内注入0.5ml姥鲛烷，建立狼疮小鼠模型。
(2)合成多模态纳米分子探针
采用多模态纳米分子探针生成模块，通过光学标记的磁性纳米粒子表面的功能分子中性抗生物素蛋白(Neutravidin)与生物素(Biotin)共轭标记的P140肽相结合，形成多模态纳米分子探针。其中多模态纳米分子探针的粒径是10nm，而P140肽的氨基酸序列是Biotin-RIHMVYSKRpSGKPRGYAFIEY，其中pS指磷酸化的丝氨酸。
(3)植入多模态纳米分子探针
采用多模态纳米粒子分子探针植入模块将多模态纳米分子探针植入小鼠模型。
(4)分子成像
采用成像模块的磁性粒子成像仪器对对5只小鼠进行在体成像，获取脾脏的组织特异性的多模态纳米粒子动态分布信息(由感应电压Un(t)反映)。
在体成像信息根据如下计算方法实现：
首先，建立与线圈中心轴相互平行的x轴，并在此基础上建立与之垂直的y、z轴，完成三维坐标系的建立；
其中，Z表示磁性纳米粒子的响应磁场强度，为单个磁性粒子的饱和磁矩，d为磁性粒子粒径，/>为磁性粒子的饱和磁化强度，T为绝对温度，μ0表示真空磁导率，m为磁性粒子的浓度，α为朗之万参数，且
其中kB为波尔茨曼常数，W为外加磁场强度；
MPI使用的磁场由时变驱动场WD(t)和静态梯度场WS(x)的叠加，
令静态梯度场WS(x)为均匀的，则WS(x)＝Qx，x表示在静态梯度场中坐标系对应的坐标值，Q表示施加的梯度磁场强度，Qx、Qy、Qz分别代表X、Y、Z方向的磁场梯度，而磁场梯度/>Δx为成像分辨率，时变驱动场WD(t)周期长度为TD，对于零磁场点FFP的位置，用XFFP＝-Q(-1)WD(t)来表示零磁场点FFP的坐标；MPI中的电压信号Un(t)表示为
其中，R代表实数集且x∈R，R3是代表三维激励磁场中的实数集且x∈R3；t代表时间；
其中sn(x,t)n∈{1，2，3}表示依赖于空间和时间的系统数，m(x)是空间SPIO分布，gn是第n个接收线圈的感应率，z表示一个纳米粒子的磁矩，表示朗之万函数，表示相对于第n个接收线圈的多维朗之万(Langevin)函数，因子/>xn FFP(t)表示FFP的第n个坐标，xn是第n个空间坐标。
(5)收集标记的细胞
无菌条件下取出小鼠的脾脏，采用标记细胞收集模块，离心特定组织，通过磁性细胞分选仪，纯化并收集该特定组织内多模态纳米分子探针标记的细胞。
(6)提取单细胞多组学特征
检测分析模块采用流式细胞仪，对纯化后的脾脏组织中被多模态纳米粒子标记的细胞进行检测和多参数分析，并使用开源软件Cytoflow提取脾脏免疫细胞亚群的单细胞多组学特征。
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时本领域的一般技术人员，根据本发明的实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种P140靶向光学-磁性粒子成像细胞特异性融合装置，其特征在于：包括多模态纳米分子探针生成模块、多模态纳米粒子分子探针植入模块、成像模块、标记细胞收集模块和检测分析模块；
所述多模态纳米分子探针生成模块首先采用荧光染料修饰磁性纳米粒子得到光学标记的磁性纳米粒子，再将磁性纳米粒子与P140肽相结合，得到多模态纳米分子探针；
所述多模态纳米粒子分子探针植入模块将多模态纳米分子探针植入待成像样本；
所述成像模块采用磁性粒子成像仪器对待成像样本进行在体成像，获取复杂组织特异性的多模态纳米分子探针的动态分布信息；
所述标记细胞收集模块根据动态分布信息，分离特定组织，采用磁性细胞分选仪，纯化并收集该特定组织内多模态纳米分子探针标记的细胞；
所述检测分析模块采用细胞分析仪，检测标记的细胞亚群，并提取免疫细胞亚群的单细胞多组学特征；
所述成像模块采用磁性粒子成像仪器，通过感应电压Un(t)反映多模态纳米分子探针的动态分布信息；
在体成像信息根据如下计算方法实现：
首先，建立与线圈中心轴相互平行的x轴，并在此基础上建立与之垂直的y、z轴，完成三维坐标系的建立；
其中，Z表示磁性纳米粒子的响应磁场强度，为单个磁性粒子的饱和磁矩，d为磁性粒子粒径，/>为磁性粒子的饱和磁化强度，T为绝对温度，μ0表示真空磁导率，m为磁性粒子的浓度，α为朗之万参数，且
其中kB为波尔茨曼常数，W为外加磁场强度；
MPI使用的磁场由时变驱动场WD(t)和静态梯度场WS(x)的叠加，令静态梯度场WS(x)为均匀的，则WS(x)＝Qx，x表示在静态梯度场中坐标系对应的坐标值，Q表示施加的梯度磁场强度，Qx、Qy、Qz分别代表X、Y、Z方向的磁场梯度，而磁场梯度Δx为成像分辨率，时变驱动场WD(t)周期长度为TD，对于零磁场点FFP的位置，用XFFP＝-Q(-1)WD(t)来表示零磁场点FFP的坐标；MPI中的电压信号Un(t)表示为
其中，R代表实数集且x∈R，R3是代表三维激励磁场中的实数集且x∈R3；t代表时间；
其中sn(x,t)n∈{1，2，3}表示依赖于空间和时间的系统数，m(x)是空间SPIO分布，gn是第n个接收线圈的感应率，z表示一个纳米粒子的磁矩，表示朗之万函数，/>表示相对于第n个接收线圈的多维朗之万(Langevin)函数，因子/>xn FFP(t)表示FFP的第n个坐标，xn是第n个空间坐标。
2.根据权利要求1所述的P140靶向光学-磁性粒子成像细胞特异性融合装置，其特征在于：所述荧光染料为AF647、BV421、Apc-H7、或BV501。
3.根据权利要求1所述的P140靶向光学-磁性粒子成像细胞特异性融合装置，其特征在于：所述磁性纳米粒子包含Fe3O4、FeO、γ-Fe2O3或FeCo。
4.根据权利要求1所述的P140靶向光学-磁性粒子成像细胞特异性融合装置，其特征在于：所述多模态纳米分子探针生成模块通过磁性纳米粒子表面的功能分子中性抗生物素蛋白与生物素共轭标记的P140肽相结合，形成多模态纳米分子探针。
5.根据权利要求1所述的P140靶向光学-磁性粒子成像细胞特异性融合装置，其特征在于：所述标记细胞收集模块纯化并收集的为单细胞悬液。
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