摘要
癌症由于其高发病率和致死率，已经成为全球性的医学难题。“早发现，早治疗”是降低其发病率和致死率的有效策略。近年来，纳米医学作为纳米科技和药物科学相结合的产物，为癌症的精准诊断与高效治疗带来了新的契机。例如，可将诊断和治疗两个分离的过程/功能集成，构建诊疗一体化的纳米平台，用于实时、精准诊断病情并同步治疗。其关键技术是构建一个合适的纳米载体平台整合治疗剂和/或造影剂并高效地输送到病灶部位。在众多纳米载体中，纳米水凝胶（NGs）因其强大的负载能力、良好的稳定性、易于功能化、多重响应性以及易被细胞吞噬等优点，在药物递送和组织工程领域得到了广泛的应用。其中，聚乙烯亚胺（PEI）NGs和聚N-乙烯基己内酰胺（PVCL）NGs作为高分子NGs中的两类典型代表，其凭借易合成、尺寸可控、易于掺杂无机纳米成分组成多功能杂化体系等特点，在纳米生物医学，尤其是肿瘤诊疗领域展示出了良好的应用前景。 基于此，本论文拟利用高分子NGs为载体，构建了一系列智能型杂化NGs平台，用于探究肿瘤精准诊断和高效治疗的策略。首先，构建了基于PEI的智能型杂化NGs平台，研究了其在磁共振（MR）/光声（PA）成像以及光热治疗（PTT）方面的应用。其次，考虑到制备PEI NGs所用的反相微乳液法缺乏物理/化学性质调控的灵活性，采用灵活性较好的单体沉淀聚合法制备了一系列具有不同物理/化学性质的PVCL NGs，并构建了体外3D肿瘤细胞球模型，探究了不同物理/化学性质对PVCL NGs在3D肿瘤细胞球中的渗透性能的影响。最后，针对肿瘤的放疗耐受性的问题，对上一部分中制备的具有良好肿瘤渗透性能的PVCL NGs进一步功能化，构建了智能型PVCL NGs平台，用于计算机断层扫描（CT）/MR双模态成像引导的肿瘤“全过程”放疗增敏研究。本论文主要研究内容如下： （1）PEI纳米水凝胶的功能化及其肿瘤MR/PA双模态成像及光热治疗应用 生物体内的各类屏障常常会导致纳米药物在体内过早被代谢清除以及在肿瘤部位递送效率低等问题。对纳米粒子进行两性离子修饰有利于使其逃避血液循环过程中各类生物分子的特异性吸附，从而延长其血液循环时间。另外，靶向修饰则有利于帮助纳米平台高效地识别肿瘤细胞，更好地在肿瘤部位富集。基于上述背景，本研究利用PEI易于修饰性，制备了叶酸（FA）和两性离子1,3-丙磺酸内酯（1,3-PS）修饰的、同时负载钆（Gd,MR成像元素）和硫化铜（CuS,PA成像剂和PTT治疗剂）的PEI NGs平台。该纳米平台有望高效富集于肿瘤部位实施肿瘤模型的MR/PA双模态精准成像和基于NIR-II吸收的高效PTT。 首先，通过反相微乳液的方法制备PEI NGs；随后，在其表面修饰Gd螯合物、靶向基团FA和1,3-PS；最后，以此为纳米反应器原位合成负载CuS纳米颗粒，得到具有抗蛋白吸附性能的FA靶向杂化NGs平台Gd/CuS@PEI-FA-PS NGs，用于人口腔上皮癌（KB）细胞肿瘤模型的MR/PA成像引导的PTT研究。纳米平台性能表征结果显示，制备得到的Gd/CuS@PEI-FA-PS NGs尺寸约为85nm，具有良好的溶液分散性和抗蛋白吸附性、较高的T1弛豫率（11.66mM-1s-1）、出色的NIR-II光吸收性能以及光热转换效率（26.7%）。另外，由于修饰了靶向分子FA，Gd/CuS@PEI-FA-PS NGs能够对FA受体高表达的细胞进行特异性靶向。体内实验结果表明，Gd/CuS@PEI-FA-PS NGs能够高效地在小鼠肿瘤部位富集，实现增强的MR/PA成像效果。同时，配合NIR-II（1064nm）激光照射，Gd/CuS@PEI-FA-PS NGs能够有效烧蚀肿瘤并抑制其生长。因此，通过拓展靶向试剂类型，该智能型杂化PEI NGs平台有望实施多种肿瘤的MR/PA成像引导的高效PTT。 （2）PVCL纳米水凝胶的性能调控及其肿瘤渗透研究 目前，大多数纳米载体材料缺乏理想的肿瘤穿透能力，这大大限制了其临床转化进程。而纳米材料的物理/化学参数（如尺寸、柔软性和表面修饰等）是影响其肿瘤穿透性能的重要参数。基于此，本研究利用PVCL NGs合成工艺简单，表面物理化学性质调节方便以及生物相容性良好等特点，制备了一系列具有不同物理/化学参数的PVCL NGs。同时，建立了体外3D肿瘤细胞球模型高度模拟体内肿瘤环境，探究了不同物理/化学参数的PVCL NGs在其中的渗透性能。 首先，以N-乙烯基己内酰胺（VCL）为主要单体，低聚乙二醇丙烯酸酯（OEGA）和甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）为次要单体，通过调节表面活性剂含量、反应温度、交联剂含量以及单体种类制备了一系列不同尺寸、交联密度以及化学成分的PVCL/OEGA/GMA NGs；随后，通过构建体外3D肿瘤细胞球模型，探究了NGs的不同物理/化学参数对其在肿瘤部位渗透性能影响。体外2D细胞实验表明，制备的PVCL/OEGA/GMA NGs具有良好的细胞相容性，且细胞对PVCL/OEGA/GMA NGs的摄取表现出尺寸依赖性，尺寸越小的NGs越容易被HeLa细胞吞噬。体外3D肿瘤细胞球模型渗透性能实验结果表明，PVCL/OEGA/GMA NGs的渗透性能同样表现出了对尺寸的依赖性。Rh≤200的NGs可以轻松地渗透进入3D HeLa细胞球内部；而Rh≥300nm时，NGs在3D HeLa细胞球内的渗透性能大大降低。此外，单纯改变NG的交联密度、OEGA的含量或种类并不会对NGs的渗透能力产生明显影响。该研究结果有望对设计具有优良肿瘤渗透性能，从而高效输送造影剂或治疗剂到肿瘤内部的新型NGs载体平台提供理论指导。 （3）PVCL纳米水凝胶的功能化及其肿瘤CT/MR双模态成像及“全过程”放疗增敏应用 调节肿瘤微环境，从而增强肿瘤对射线的敏感性是提高肿瘤放疗效果的重要手段。基于此，本研究利用PVCL NGs生物相容性好，且易于掺杂无机纳米成分等特点，在其内部负载具有造影功能与放疗增敏效果的金纳米颗粒（Au NPs）以及具有调节肿瘤微环境从而增强肿瘤细胞对射线敏感的二氧化锰（MnO2）NPs，用于放疗耐受肿瘤模型的分子影像精准诊断和“全过程”放疗增敏的高效治疗研究。 首先，采用沉淀聚合法合成PVCL NGs（合成过程和第二部分同）；随后，以PVCL NGs为纳米反应器，先后原位合成Au和MnO2NPs，得到智能型杂化NGs平台PVCL-Au-MnO2NGs；最后，将纳米平台用于胰腺导管腺癌（Pan02）肿瘤模型的CT/MR双模态影像诊断和“全过程”放疗增敏治疗。NGs性能表征结果显示，得到的PVCL-Au-MnO2NGs尺寸约为121.5nm，并且表现出了良好的胶体稳定性。体内外实验结果表明，在放疗前，PVCL-Au-MnO2NGs可通过类芬顿反应产生活性氧，从而调节肿瘤细胞周期处于对射线辐射最为敏感的G2/M期。在X射线照射过程中，PVCL-Au-MnO2NGs可以有效地在肿瘤细胞中沉积辐射能量，增强射线引起的DNA损伤。在放疗后，PVCL-Au-MnO2NGs在细胞内可以持续释放氧气，进而有效地阻止受损DNA的自修复进程，达到“全过程”放疗增敏的效果。另外，PVCL-Au-MnO2NGs在体内可对肿瘤进行CT/MR成像，为精准的放疗提供影像指导。本研究结果为开发新型纳米平台用于“全过程”放疗增敏的高效治疗提供了理论依据。 综上所述，本论文通过对高分子NGs进行不同功能化，从不同角度，包括诊疗一体化（MR/PA成像引导PTT、CT/MR成像引导放疗）、增强纳米材料在肿瘤部位的富集（延长血液循环时间、实施受体介导靶向肿瘤细胞、合成合适纳米尺寸的材料增强肿瘤渗透性）以及多重放疗增敏（肿瘤微环境调节、光电效应增强肿瘤细胞中辐射能量的沉积、阻止受损DNA自修复进程），探讨了肿瘤精准诊断和高效治疗策略。本研究成果将有力推进高分子NGs在生物医学，尤其是肿瘤的精准诊疗上的应用，为指导基于高分子NGs平台的临床转化提供了新的思路。
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