探索富氧纳米气泡介导的声动力疗法

Sonodynamic therapy (SDT), based on the synergistic effect of low intensity ultrasound and sonosensitizer, is a novel noninvasive targeted approach for cancer treatment. Recently, SDT has made significant progress and demonstrated excellent potential for clinical translation. Under low intensity ultrasound irradiation, SDT induces a series of physical and chemical reaction to generate localized therapeutic effects. Specially, singlet oxygen, converted from oxygen, plays the key role on tumor cell necrosis and apoptosis. Therefore, local oxygen level, as a crucial substance, determines the therapeutic efficacy. However, Tumor hypoxia is a common micro-environment, and represents a major challenge to effective SDT treatment. The successful delivery of oxygen to the vicinity of the tumor increases the local oxygen partial pressure and the possibility of singlet oxygen production. Based on such, we propose to use oxygen-loaded nano gas vesicle (oxy-NGV), decorated with sonosensitizer, to increase local oxygen level in hypoxic tumor tissue to optimize SDT cancer treatment. The efficacy of this new SDT strategy will be studied on three scenarios: hypoxic solution, hypoxic cell assays and hypoxic mouse tumor model. Apart from the efficacy, the mechanisms of this novel treatment strategy will also be studied to understand: (1) relation between NGV oxygen concentration and singlet oxygen production; (2) therapeutic efficacy of oxy-NGV SDT on cancer cell and animal tumor model; (3) the effect of NGV oxygen level on oxygen partial pressure of tumor microenvironment.

声动力疗法是一种无损靶向的肿瘤治疗新方法，近年来国内外相关研究取得了瞩目的进展，其临床转化趋势明显。声动力疗法利用低能量超声辐射下，声敏药物和氧分子的一系列物理化学反应对肿瘤细胞产生杀伤作用。超声、声敏药物和氧分子被认为是声动力疗法的三个关键要素。其中氧含量难以被调控，而且肿瘤细胞普遍存在于缺氧的微环境中，因此实现氧含量调控是声动力疗法的基础研究和临床转化中的关键问题。本研究拟开发新型声敏富氧纳米载体，并探索由其介导的富氧声动力疗法。本研究有望在缺氧的溶液体系、缺氧的离体细胞模型和缺氧的活体小鼠肿瘤模型中，实现声动力疗法的氧含量调控，并探索以下几个科学问题：（1）单线态氧产量和纳米气泡内氧含量的关系；（2）富氧声敏纳米气泡在离体肿瘤细胞和活体肿瘤模型中的声动力治疗效果；（3）富氧纳米气泡对肿瘤微环境中氧含量的调节作用及其与疗效的关系。从而为提高声动力治疗的效果提供现实和理论依据。

声动力疗法（SDT），基于低强度的超声与声敏剂的协同效应，是一种无创性、无损的靶向肿瘤治疗新方法，其临床转化趋势明显。声动力疗法利用低能量超声辐射下，声敏药物和氧分子的一系列物理化学反应对肿瘤细胞产生杀伤作用。超声、声敏药物和氧分子被认为是声动力疗法的三个关键要素。..在声动力治疗中，肿瘤细胞普遍存在于缺氧的微环境中，克服肿瘤缺氧的关键策略是增加肿瘤部位的氧气含量。在本项目中，我们探讨了气体囊泡（GVs）作为一种新型氧气载体用来缓解肿瘤部位缺氧。GVs是来源于蓝藻中天然形成的充满气体的蛋白壳囊泡。我们首先使用脂质体对其蛋白质外壳进行修饰，得到了可以载氧的lipid-GVs。我们发现充氧的lipid-GVs（O2）会使低氧溶液，低氧细胞以及皮下肿瘤中的氧浓度得到显着改善。在lipid-GVs（O2）存在的情况下，光动力疗法（PDT）的肿瘤细胞出现凋亡和坏死的显着增强。同时，lipid-GVs（O2）对体外细胞活力无明显影响，同时注射lipid-GVs（O2）的小鼠也未见明显病理异常。因此，我们可以得出结论，lipid-GVs（O2）在体内肿瘤氧气运输上显示出令人鼓舞的性能，在未来减轻肿瘤缺氧及与缺氧相关的临床治疗上显示出了巨大的潜力。..此外，在声动力治疗的过程中，空化作用产生大量的活性氧（ROS）产生细胞杀伤作用。我们发现GVs的存在可以显著增强空化现象的发生，并且明显增加了超声作用下溶液中单线态氧的含量。在体外SDT实验中，GV的存在增加了ROS的产生并增强了SDT细胞毒性,增加了凋亡细胞的比例。而接下来在体内实验中，我们将GVs的表面进行了修饰来帮助GVs逃避免疫系统的清除并且赋予GVs主动靶向CD44阳性细胞。我们通过实验证明了表面修饰后的GVs(PH-GVs)可以大量聚集在CD44阳性细胞（SCC7）周围，尾静脉注射后的PH-GVs会在1h后聚集在肿瘤部位，并且在12h达到峰值，聚集效果可以持续至48小时。我们对小鼠进行SDT处理，发现GVs的存在可以明显抑制肿瘤生长并产生更大的肿瘤损伤。我们也对GVs与PH-GVs的毒性进行了检测，我们发现高/低浓度的GVs和PH-GVs对细胞没有明显的损伤，并且对小鼠没有明显的副作用，也不会造成小鼠内脏的损伤。因此，我们认为，GV可以充当稳定的纳米级的气核来提高SDT的靶向性及杀伤力。