基于X-射线、声波、电磁波、光等信号的现代影像技术如计算机辅助X-射线成像技术(CT)、正电子发射计算机断层显像术(PET)、超声成像(USG)、磁共振成像(MRI)、光学成像(OI)等在疾病的诊断和药物研发方面发挥越来越重要的作用。在这些成像技术中磁共振成像和光学成像由于没有辐射伤害,并且分别具有高软组织分辨率和高灵敏度的优点,引起广泛的研究兴趣,在疾病诊断和药物研发方面得到了大量的应用。MRI需要造影剂(探针)提高其诊断疾病特别是肿瘤的灵敏度,而光学成像需要荧光探针提供光学信号。探针在成像过程中发挥至关重要的作用,但是普通的小分子探针存在清除快、成像效果差等缺点,无法满足疾病诊断和药物研发的要求。将小分子探针与载体结合,构建纳米探针是克服上述问题的一个切实有效的解决方案,在此基础上可实现探针的功能化,大幅提高其成像效果。目前纳米尺寸的树枝状大分子MRI造影剂(探针)存在无法降解、难以排出体外以及合成复杂、难以大量生产等问题。对此,本论文建立一种高效合成树枝状大分子造影剂的方法,合成了多种纳米尺寸的可生物降解树枝状大分子造影剂(纳米探针)。首先以含21个羟基的环糊精作为核,利用不对称单体丙烯酰氧基甲基丙烯酸乙酯(MAEA)和半胱胺之间的交替点击化学反应,合成出了一种可降解的聚酯树枝状大分子。此方法合成简单,只需几代就可以高分子量、大尺寸的树枝状大分子,而且分离提纯简单,只需通过简单的沉淀就可获得纯的产品。以这种聚酯树枝状大分子为基础,键合Gd螯合物制备出了聚酯树枝状大分子造影剂,发现它们的尺寸在2.8-8.6nm之间可调,弛豫率为临床使用的造影剂马根维显的2.5-2.7倍。将其两性离子化后可以改善树枝状大分子造影剂水溶性和生物相容性。小鼠的体内活体成像实验表明,该纳米造影剂有很好的血池造影效果,信号强度优于马根维显,并能够维持较长时间的造影窗口,对身体各组织器官均有较好的增强。同时由于单体中含有大量的酯键,此树枝状大分子造影剂能够在生理pH和酯酶催化下水解。小鼠体内Gd残留实验表明该造影剂在体内各组织器官中的残留量很低,只有传统不可降解树枝状大分子造影剂的几分之一到几十分之一,而与小分子造影剂的残留量相当,成功解决其他不可降解大分子造影剂因为滞留产生的系统毒性问题。为了获得更高分子量、更大纳米尺寸的树枝状大分子造影剂。本论文以线性聚乙烯亚胺(PEI)为核,合成了分子量更大的蠕虫状大分子造影剂。此蠕虫状大分子造影剂随着代数的增长,其粒径从10nm增加到25 nm。论文考察了蠕虫状大分子造影剂在小鼠体内的代谢及分布情况。结果表明,大尺寸的蠕虫状大分子造影剂对肾脏造影效果不明显,但都具有较好的血池造影效果,其体内循环时间的长短与代数的增加呈正相关。有趣的是,本文发现肝脏对纳米颗粒选择性吞噬的阈值在10 nm左右。当粒径小于10nm时,肝脏对纳米颗粒的摄取量非常低；但当粒径大于10nm时,肝脏对纳米颗粒的粒径非常敏感,其吞噬作用随着粒径的增大而迅速增加。本论文还将聚乙二醇(PEG)及肿瘤靶向基团叶酸连接到树枝状大分子造影剂表面,制备了一种肿瘤靶向树枝状大分子MRI造影剂。该造影剂的粒径约为7.6 nm,驰豫速率17.1 mM-ls-1,约为马根维显的4倍。荷瘤裸鼠的活体造影实验表明,叶酸靶向的大分子造影剂显示出极高的肿瘤成像灵敏度,注射后150 min时其肿瘤信号强度是非靶向型造影剂的3倍,远远高于临床用造影剂马根维显,能够非常清晰地示踪肿瘤位置及肿瘤边界,帮助实现肿瘤的早期诊断。肿瘤细胞中谷胱甘肽(GSH)的含量远高于在血液中的浓度。因此,研究者们设计开发了多种GSH响应的含二硫键前药和药物输送体系,但是目前二硫键在体内的GSH响应断裂行为还不清楚。对此,本文利用二硫键连接近红外花菁染料与抗癌药物喜树碱,制备了一种具有GSH响应的诊疗一体化荧光探针,并使用聚乙二醇-聚乳酸(PEG-PLA)包裹形成纳米前药探针。该前药探针能够发射825 nm的近红外荧光,且能够被GSH打开其二硫键,释放出一分子的喜树碱(CPT)药物并改变其荧光波长至650nm。由于两个波段的波长均较长,具有较大的穿透深度且能够有效避免体内自发荧光的干扰,因此,可以用于实时监控二硫键前药在体内的分布与活化过程。基于此荧光前药探针的活体荧光实验显示,带有二硫键的纳米药物确实能够在肿瘤部位富集并快速释放,但由于体细胞中均含有大量的GSH,绝大部分药物仍然进入正常组织并被其中的GSH裂解。二硫键的意义在于其能够维持前药在血液中的稳定性,并促使其在肿瘤细胞中更有效率的释放,产生更大的毒性。荷瘤裸鼠抑瘤实验证实了荧光成像的结果,此荧光前药探针显示出了远高于临床药物伊立替康的抑瘤能力。这一研究结果对于设计含二硫键的前药和载药系统具有重要的指导意义。