中文摘要：

恶性肿瘤发病率和死亡率日益提高，而常规放化疗存在着效率低、难根除和产生毒副作用等问题。磁性靶向治疗有望解决这些问题，但由于对治疗过程中磁性纳米颗粒的在体输运规律尚不清楚而限制了其临床应用和推广。本项目从实验、理论和数值仿真三个方面系统研究外磁场作用下磁性纳米颗粒的在体输运规律，揭示磁性纳米颗粒在血液中输运、血管壁附着、血管外渗、肿瘤组织内扩散和肿瘤细胞内吞五个子过程的本质，建立滞留率、附着率、外渗速率、扩散系数和内吞速率等关键参数的数学模型，并利用数值方法求解部分模型。其中，关键实验技术和方法包括荧光共聚焦显微镜的在体观察、MRI分子影像、生理切片和对获取图像的定量化后处理技术等。在充分认识各子过程的基础上，建立一个治疗过程中磁性纳米颗粒在体输运的综合性预测模型，对肿瘤内部药物的时空分布和肿瘤细胞存活率进行计算，并与动物实验结果相比较，修正优化后用于肿瘤治疗效果的预测和治疗方案优化。

结论摘要：

恶性肿瘤发病率和死亡率日益提高，而常规放化疗存在着效率低和毒副作用大等问题。磁性靶向治疗有望解决这些问题，但磁性纳米颗粒（magnetic nanoparticles, MNPs）的在体输运规律尚不清楚。本项目从实验、理论和数值仿真方面研究MNPs在体输运规律，揭示MNPs在血液中输运、血管壁附着等子过程的本质。在体外实验研究方面，利用永磁体、蠕动泵、硅胶管路、天平等搭建了MNPs体外实验系统，实现了系统控制、信号测量、显示、存储和分析，定量考察了溶液流速、MNPs浓度和磁感应强度对MNPs吸附作用的影响。在磁体设计仿真方面，提出并设计了一种凸凹磁极闭合磁路，磁场强度分别是开放磁路和平面磁极闭合磁路的两倍和1.2倍，在三种磁体中它具有最大磁场梯度。高斯计测量和初步试验表明仿真结果是可信的，凸凹磁极可有效吸附MNPs，可为MNPs运动轨迹模拟提供准确输入条件。血管中MNPs运动轨迹决定了吸附率和最终磁性靶向治疗的有效性。首先，提出了MNPs运动轨迹的理论模型。然后，利用磁场分布作为输入，确定了MNPs的运动轨迹，并揭示了MNPs直径、流速和磁场强度对轨迹的影响。发现凸凹磁极比开放磁路具有更高的MNPs吸附率。提高MNPs直径和磁场强度，降低流速对于MNPs吸附是有利的。磁性靶向治疗一个重要特点在于可利用磁共振成像定量化地在体测量MNPs浓度与分布，即T2-manpping技术。项目对初始回波、回波数、重复时间和回波间隔进行了优化分析，确立了三个准则。在此基础上，发展了多成分T2分析方法，对于研究脱髓鞘化相关疾病具有重要意义。利用磁共振成像和T2-mapping对MNPs在体输运规律开展研究。内容包括（1）注射MNPs后同时磁共振血管造影，无法观察到血管内T1-W信号的明显增强；（2）在注射MNPs前、注射MNPs后四个不同时间采集肝、胃等组织T2-W信号。发现MNPs在注射后短时间内对肝组织T2持续降低，但T2强化率随时间逐渐降低；MNPs在注射后短时间内对其余组织无明显增强效应；（3）注射MNPs 1h后，将磁铁放置在腿部肌肉组织一侧，吸引20 mins后采集T2-W信号，发现肝部T2强化无明显差异，腿部肌肉组织平均T2无明显降低。在医学图像处理和分析方面，开展了结节提取和多模融合等工作，为利用影像研究在体物质输运规律打下了良好基础。