具有聚集诱导发光特征的高分子纳米载体用于光动力/声动力治疗研究

Both of photodynamic therapy (PDT) and sonodynamic therapy (SDT) to treat cancer have attracted much attentions in the past two decades. A variety of photosensitizers and sonosensitizers have been applied in vitro and in vivo. On the other hand, nanomaterials with aggregation-induced emission (AIE) charateristics were designed for biosensing, bioimaging and photodynamic therapy. The disadvantage of current AIE photosensitizers, exited with visible light, include the limited tumor penetration depth. The typical tissue penetration depth of red light in living tissue used for PDT is only 1−3 mm. However, the tumor penetration ability of ultrasound (US) is much higher than that of light. The aim of this project is to design and synthesize salicylaldehyde azine-based amphiphilic polymers with AIE characteristics for tumor PDT and SDT. US is to be applied to activate the polymeric micelles and tumor-targeted polymeric micelles to yield reactive oxygen species (ROS), such as singlet oxygen, for tumor ablation. Furthermore, AIE polymeric micelles/ UV-emitting upconversion hybrid nanoparticles will be constructed by coating of amphiphilic polymers on the surface of upconversion nanoparticles. The NIR light triggers the emission of ultraviolet (UV) light from upconversion nanoparticles and further mediate to the light cytotoxicity of AIE polymer. The deep understanding of the relationship between the structures of AIE micelles and AIE/upconversion hybrid nanoparticles and PDT/SDT antitumor ability is expected to provide the chance to develop the new generation of nanomedicine for cancer therapy.

本项目旨在发展基于水杨醛吖嗪的两亲性高分子用于肿瘤的光动力/声动力治疗新方法。研究两亲性高分子的组成、结构对聚集诱导发光性质和光动力、声动力性质的影响；构建聚集诱导发光两亲性高分子/上转换杂化纳米载体，研究上转换杂化纳米载体的组成、结构对活性氧的量子产率的影响；在细胞水平研究聚集诱导发光高分子胶束和杂化纳米载体与肿瘤细胞的相互作用、细胞摄取行为及其在肿瘤细胞内的转运等；在整体动物水平研究载体分布、光动力/声动力抗肿瘤生长能力；进一步将具有肿瘤靶向特性的靶向基团引入聚集诱导发光两亲性高分子和上转换杂化纳米载体，构建具有肿瘤靶向能力的高分子胶束和杂化纳米载体，发展具有聚集诱导发光特征的肿瘤靶向性光动力/声动力治疗方法。

为了发展新的癌症治疗方法，本项目在具有聚集诱导发光特征的纳米胶束在光动力/声动力体内外抗肿瘤性能及抗肿瘤机制和氧化响应聚合物胶束在光动力癌症治疗和检测等方面进行了系统的研究。主要包括：（1）构建了具有聚集诱导发光特征的聚合物胶束，并成功应用于光动力癌症治疗。聚集诱导发光胶束的暗毒性极低，光照下，在溶液中以及细胞内产生大量的ROS，杀死癌细胞。发现这种纳米胶束主要通过网格蛋白介导的内吞途径进入细胞，可在细胞膜及线粒体富集，光照下诱导细胞凋亡和坏死。（2）构建了八种不同的聚集诱导发光胶束，它们对细胞无毒。研究了粒径和形貌对细胞摄取、细胞成像和长循环时间的影响。发现其中两种具有良好的长循环性能，同时具有螯合Cu2+，Fe3+，Zn2+ 能力，两种胶束均抑制肿瘤血管生成，表现良好的体内抗肿瘤效果。（3）构建具有聚集诱导发光和癌细胞靶向的混合纳米胶束。发现生物素化聚集诱导发光胶束被癌细胞主动摄取，显著增加癌细胞内摄取。超声辐射后在癌细胞中产生更多的单线态氧，对癌细胞的毒性更强。超声处理生物素化靶向和非靶向纳米胶束在体外和体内均可诱导癌细胞表达钙网蛋白 和分泌高迁移率蛋白，产生免疫原性细胞死亡。还可以在体内诱导树突细胞 (DCs)成熟，进一步激活宿主的免疫反应，增强体内声动力治疗。（4）发展了一种特异性、可视化检测的磁共振成像探针，用于肿瘤光动力治疗中产生的单线态氧。由单线态氧特异性响应的两亲性聚合物制备了一种基于四氧化三铁的纳米胶束MRI探针。在光照射下，聚合物胶束中的光敏剂和氧气产生单线态氧触发聚合物裂解，导致四氧化三铁纳米粒子聚集，增强横向摩尔弛豫率。这种氧化响应性MRI探针不仅可用于可视成像体内光动力治疗产生的单线态氧，也可以定性地评估新的光敏剂在体内产生单线态氧的能力，进而预测光动力治疗的体内抗癌效果。（5）提出双步光辐射增强光动力治疗的新策略。利用氧化响应两亲性聚合物构建负载光敏剂的纳米胶束。在低剂量第一次照射下，产生少量单线态氧，触发光敏剂释放；释放出来的光敏剂在第二次高剂量光辐射下产生大量单线态氧，显著增强体内外抗肿瘤能力。