Carbon Nanotubes as Multi-functional Spectroscopic Markers and Delivery Agents fo

碳纳米管作为多功能光谱标记物和递送剂

基本信息

  • 批准号:
    8239924
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 31.91万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2008
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2008-05-12 至 2013-09-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

DESCRIPTION (provided by applicant): One of our long-term objectives in the nano-biotechnology area is to develop highly biocompatible carbon nanotube biological conjugates for targeted imaging, drug delivery and cancer therapy. In this proposal, we plan to develop new functionalization chemistry for single-walled nanotubes (SWNTs) to achieve tumor specific delivery of chemotherapeutics. We also plan to utilize the intrinsic optical properties (Raman & photoluminescence) of nanotubes for detection and imaging for monitoring and understanding the biodistribution and treatment efficacy of SWNT-drug complexes. We hope to fully demonstrate the novelty of using carbon nanotubes for biomedical applications owing to the unique structural, chemical and physical properties of SWNTs including, (1) one-dimensional structure (diameter ~1nm, tunable length) and high surface area ~1000m2/g, (2) non-toxic chemical composition: carbon, (3) strong Raman spectroscopic lines for raman tags and (4) band-gap fluorescence or photoluminescence properties in the near IR (NIR) for fluorescence imaging and detection. These distinguish SWNTs from various other nanomaterials and make them ideally suited for biological applications. We have promising preliminary results showing that SWNTs can be functionalized to render biocompatibility in vivo in mice. SWNTs are non-toxic when administered intravenously at high doses. Nanotubes retained in the reticuloendothelial system (RES) and are gradually excreted out of the body via the biliary and renal pathways. Our preliminary data also indicate that paclitaxel- SWNT conjugate is superior to the Cremophor ELP solubilized paclitaxel (PTX) for cancer therapy. In this R01 proposal we will extend such efforts and perform systematic studies to identify an optimal nanotube functionalization scheme using branched hydrophilic molecules. We will then attach paclitaxel via cleavable ester bonds to the functionalized nanotubes for tumor treatment with low side toxicity effects to normal organs. We will investigate in vivo blood circulation, biodistribution, tumor uptake, and distribution within tumor for functionalized SWNTs and SWNT-drug conjugates, for understanding the treatment results and identifying the best SWNT-PTX conjugate with the optimal tumor treatment efficacy and lowest side effect toxicity. We will investigate the tumor treatment efficacy of SWNT-PTX by passive targeting and compare with Cremophor ELP and Abraxane in mice xenograft tumor models. We will also carry out targeted drug delivery for highly efficient tumor killing using SWNT-PTX conjugates co-functionalized with RGD peptide for specific integrin recognition and binding to tumors. Finally, we will combine heat-shock protein 90 (Hsp90) inhibitions and SWNT-PTX treatment to investigate if Hsp90 inhibitor affords enhancement of paclitaxel tumor treatment efficacy. PUBLIC HEALTH RELEVANCE: This project will use a novel one-dimensional molecule, single-walled carbon nanotube (SWNT) for cancer drug delivery and for cancer imaging using their intrinsic optical properties. These nano-technological advances will lead to new formulations for chemotherapy drugs such as paclitaxel to afford higher cancer treatment efficacy and lower toxic side effects than currently FDA approved Taxol and Abraxane, providing doctors with better drugs to battle cancer using nanotechnology.
描述(由申请人提供):我们在纳米生物技术领域的长期目标之一是开发高度生物相容性的碳纳米管生物共轭物,用于靶向成像、药物输送和癌症治疗。在该提案中,我们计划开发新的单壁纳米管(SWNT)功能化化学,以实现化疗药物的肿瘤特异性递送。我们还计划利用纳米管的固有光学特性(拉曼和光致发光)进行检测和成像,以监测和了解 SWNT-药物复合物的生物分布和治疗功效。我们希望充分展示碳纳米管在生物医学应用中的新颖性,因为单壁碳纳米管具有独特的结构、化学和物理性质,包括:(1)一维结构(直径~1nm,长度可调)和高表面积~1000m2/ g,(2)无毒化学成分:碳,(3)用于拉曼标签的强拉曼光谱线和(4)近红外(NIR)中的带隙荧光或光致发光特性用于荧光成像和检测。这些将单壁碳纳米管与其他各种纳米材料区分开来,使其非常适合生物应用。我们有希望的初步结果表明,单壁碳纳米管可以功能化以在小鼠体内提供生物相容性。高剂量静脉注射时,单壁碳纳米管是无毒的。纳米管保留在网状内皮系统(RES)中,并通过胆道和肾脏途径逐渐排出体外。我们的初步数据还表明,紫杉醇-SWNT 缀合物在癌症治疗方面优于 Cremophor ELP 溶解紫杉醇 (PTX)。在这个 R01 提案中,我们将扩展此类努力并进行系统研究,以确定使用支化亲水分子的最佳纳米管功能化方案。然后,我们将通过可裂解的酯键将紫杉醇连接到功能化纳米管上,用于肿瘤治疗,对正常器官的副作用低。我们将研究功能化单壁碳纳米管和单壁碳纳米管-药物偶联物的体内血液循环、生物分布、肿瘤摄取和肿瘤内分布,以了解治疗结果并确定具有最佳肿瘤治疗功效和最低副作用毒性的最佳单壁碳纳米管-PTX偶联物。我们将通过被动靶向研究 SWNT-PTX 的肿瘤治疗功效,并在小鼠异种移植肿瘤模型中与 Cremophor ELP 和 Abraxane 进行比较。我们还将使用与RGD肽共功能的SWNT-PTX缀合物进行靶向药物递送,以实现高效杀伤肿瘤,以实现特异性整合素识别并与肿瘤结合。最后,我们将结合热休克蛋白90(Hsp90)抑制和SWNT-PTX治疗来研究Hsp90抑制剂是否能增强紫杉醇肿瘤治疗功效。 公共健康相关性:该项目将使用新型一维分子单壁碳纳米管(SWNT)进行癌症药物输送,并利用其固有的光学特性进行癌症成像。这些纳米技术的进步将催生紫杉醇等化疗药物的新配方,与目前 FDA 批准的紫杉醇和 Abraxane 相比,具有更高的癌症治疗功效和更低的毒副作用,为医生提供更好的药物来利用纳米技术对抗癌症。

项目成果

期刊论文数量(29)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
A route to brightly fluorescent carbon nanotubes for near-infrared imaging in mice.
  • DOI:
    10.1038/nnano.2009.294
  • 发表时间:
    2009-11
  • 期刊:
  • 影响因子:
    38.3
  • 作者:
  • 通讯作者:
Ag2S quantum dot: a bright and biocompatible fluorescent nanoprobe in the second near-infrared window.
Ag2S 量子点:第二个近红外窗口中的明亮且生物相容性荧光纳米探针。
  • DOI:
    10.1021/nn301218z
  • 发表时间:
    2012-05-22
  • 期刊:
  • 影响因子:
    17.1
  • 作者:
    Zhang Y;Hong G;Zhang Y;Chen G;Li F;Dai H;Wang Q
  • 通讯作者:
    Wang Q
Carbon Nanotubes in Biology and Medicine: In vitro and in vivo Detection, Imaging and Drug Delivery.
  • DOI:
    10.1007/s12274-009-9009-8
  • 发表时间:
    2009-02-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    9.9
  • 作者:
    Liu, Zhuang;Tabakman, Scott;Welsher, Kevin;Dai, Hongjie
  • 通讯作者:
    Dai, Hongjie
PEG branched polymer for functionalization of nanomaterials with ultralong blood circulation.
  • DOI:
    10.1021/ja809086q
  • 发表时间:
    2009-04-08
  • 期刊:
  • 影响因子:
    15
  • 作者:
    Prencipe G;Tabakman SM;Welsher K;Liu Z;Goodwin AP;Zhang L;Henry J;Dai H
  • 通讯作者:
    Dai H
Optical Properties of Single-Walled Carbon Nanotubes Separated in a Density Gradient; Length, Bundling, and Aromatic Stacking Effects.
  • DOI:
    10.1021/jp106453v
  • 发表时间:
    2010-10-28
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Tabakman, Scott M.;Welsher, Kevin;Hong, Guosong;Dai, Hongjie
  • 通讯作者:
    Dai, Hongjie
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