人工神经网络在医疗诊断中的应用

本文以人工神经网络技术与其他行业结合的应用为出发点,旨在利用先进比较优秀的技术,为其他的行业带去便捷.而医学领域是一个经验至上的学科,拥有多年的临场经验的医师往往才能更加精准的诊断病情,而人工神经网络,恰恰可以利用超强的学习能力,而迅速积累起人类多年的经验,这对一些医疗行业新的从业人员是一种帮助极强的工具,同时也对改善那些医疗条件不那么好的地区的医疗水平提供帮助,具有很强的现实意义.如付诸大量的现实使用将降低医疗行业的运行成本,可有效提高医生的问诊效率与诊疗水平,同时实现医疗服务的高效率,高质量,帮助解决医疗行业面临的资源配置不均衡,医生培养周期长,疾病谱变化快和基层诊疗水平低等问题.

基于卟啉药物分子的谷胱甘肽响应型"无载体"自组装纳米药物用于乳腺癌治疗与成像的研究

诊疗一体化纳米技术因其具有良好的成像能力及高效递送水平和较好的疾病治疗效果,在抗肿瘤药物设计领域受到广泛关注.然而,现有的纳米诊疗系统对于肿瘤组织的时空特异性效应的局限性,使其高效治疗和精准成像的目标难以实现.因此,设计解决时空可控的高效诊疗一体化系统成为纳米药物研究的迫切需求.为了解决此类问题,我们利用二氢卟吩e6(Ce6)的光动力疗法(Photodynamic therapy,PDT)属性,及氯化血红素(Hemin)智能响应和亚铁离子转化特性,通过自组装技术合成全新纳米药物(HCNPs).初步实现时空可控的新型无创肿瘤治疗策略.针对荷瘤小鼠给药后,在特定波长光源照射下,一方面HCNPs通过PDT作用将氧气(Oxygen,O_2)转化为单线态氧(Singlet oxygen,~1O_2);另一方面通过化学动力学疗法(Chemodynamic therapy,CDT)的芬顿或类芬顿反应,将肿瘤微环境中的H_2O_2转变为高细胞毒性的羟基自由基(·OH),并伴随O_2的生成,O_2进入PDT循环进一步转化为~1O_2强化细胞毒作用.令人欣喜的是我们观察到Hemin在响应微环境后释放亚铁离子,触发铁死亡(Ferroptosis).因此,所设计的纳米诊疗剂,既提高了对肿瘤组织的局部光特异性细胞毒作用,协同增强肿瘤治疗效果,同时也降低全身性毒副作用.目的设计粒径可调节,血液循环中稳定性和生物相容性良好的肿瘤TME响应型的纳米诊疗系统,探究其体内外抗肿瘤活性及活体肿瘤成像效应,实现多模态治疗与成像一体化策略,为纳米诊疗系统在癌症领域的发展奠定理论和实验基础.方法1.HCNPs的制备与表征:通过简单一步法自组装策略,将二氢卟吩e6(Ce6)与氯化血红素(Hemin)结合形成自组装纳米药物(HCNPs).通过透射电镜,粒度分析仪检测HCNPs的粒径大小及分布.利用X射线光电子能谱仪分析HCNPs元素组成及铁元素价态.采用紫外分光光度法和分子动力学模拟技术,对HCNPs的自组装机理进行深入探究.对HCNPs的体外产氧,GSH消耗,~1O_2生成,亚铁离子(Fe~(2+))释放,及·OH生成能力,体外稳定性及溶血作用进行检测.2.HCNPs的体外抗肿瘤活性研究:通过流式细胞仪评价HCNPs被4T1细胞摄取的能力.通过CCK-8法验证HCNPs的单一疗法和多模态疗法的治疗效果,并通过荧光染色法验证HCNPs产生活性氧(ROS)的能力.利用GSH检测试剂盒和Western blot方法,分别评价HCNPs消耗细胞内GSH能力及引发铁死亡的作用.3.HCNPs的体内抗肿瘤活性和成像能力的研究:以荷4T1瘤的雌性Balb/c小鼠为动物模型,通过尾静脉注射HCNPs后,评价其肿瘤部位蓄积作用,体内分布及荧光成像能力,并且确定肿瘤部位光照时间点.记录小鼠肿瘤体积变化,体重变化及肿瘤切片和重要脏器切片的病理学检测来评价HCNPs的肿瘤生长抑制效果和生物安全性.使用全自动生化分析仪,对给药后小鼠血液进行血液生化指标的分析,进一步考察HCNPs的生物安全性.结果1.制备的HCNPs具有粒径可调节性能,当前体分子浓度比为2:1时(Hemin:Ce6),HCNPs呈现均匀球形形貌,粒径均一(120nm左右),具有良好的稳定性,可长时间储存.HCNPs通过疏水作用力,π-π堆叠作用力,配位相互作用力及分子间和分子内的氢键相互作用力驱动形成.HCNPs可催化H_2O_2产生O_2,提高~1O_2的生成效率.HCNPs可以有效的消耗GSH,并且释放Fe~(2+),促进·OH生成;HCNPs未引起红细胞溶血现象,具有良好的生物相容性.2.细胞实验表明,HCNPs能够有效的被4T1细胞所摄取,并且利用GSH在肿瘤细胞和正常细胞中表达量的不同,可精准识别肿瘤细胞,发挥杀伤作用;HCNPs可在细胞内有效的产生大量ROS,并消耗细胞内GSH,引发GPX4蛋白活性降低,诱发Ferroptosis;在低剂量给药浓度下,与单一疗法相比,HCNPs联合PDT/CDT/Ferroptosis实现最大程度抑制肿瘤的活性.3.体内抗肿瘤活性和成像实验证明,相较于游离Ce6,HCNPs能够有效的提高药物在肿瘤部位的蓄积能力,且具有一定的肿瘤成像能力.在荷4T1瘤小鼠模型中,采用多模态治疗策略的HCNPs对小鼠肿瘤具有最明显的肿瘤生长抑制作用,且对重要脏器无明显器质性损伤,小鼠体重无明显变化,小鼠血液生化指标无明显异常,证明HCNPs在保证有效的抗肿瘤活性下,具有良好的生物安全性.结论本论文通过简单一步法自组装策略构建了对肿瘤TME响应的纳米诊疗一体化递送系统.通过深入探讨HCNPs的自组装机制,为基于卟啉分子的自组装纳米药物研究奠定理论与实验基础.新合成的HCNPs首次实现了"无载体"的药物输送,增强了药物在肿瘤部位的蓄积,通过HCNPs所具备的PDT,CDT和诱导Ferroptosis性能,实现抑制肿瘤增殖的多模态诊疗一体化治疗策略,为针对实体瘤实施多种机制的精准,高效协同治疗提供了新的思路.