基于多功能纳米氧化铈细胞核靶向基因调控的辐射防护效应及其机制研究

Cell nucleus is the main target of ionizing radiation (IR) damage. Reducing cellular oxidative damage induced by IR and promoting the DNA damage repair are great significant to exploring new radiation protective agents. Since the excellent pharmacological potential of nanoceria, as well as the existing literatures and works, we proposed a new radioprotective strategy based on the nuclear targeting and gene regulated effect of the multifunctional nanoceria system. The targeting modification and nucleic acid loading are engineered to the multifunctional nanoceria drug delivery system with high stability, excellent biocompatibility and minimal toxicity propose. The TAT peptides give nanoceria nuclear targeting properties, which play a highly efficient and reproducible free radical scavenging activity, and effectively reduce DNA oxidative damage induced by IR. Otherwise, the locked nucleic acid (LNA) adsorbed on nanoparticles can effectively inhibit the expression of radiosensitivity miRNA, and regulate downstream genes, resulting in the decrease of cell apoptosis induced by IR and promoting DNA damage repair. In addition, the radioprotective effect of above mentioned strategy will be verified and the biological safety of the materials will be evaluated using an animal model. This research is great significant to the exploring of new radiation protective drugs and the improvement of the quality of life of patients with radiation damage.

细胞核是电离辐射损伤最主要的靶点，减轻细胞氧化损伤并促进DNA损伤修复对研究新型辐射防护剂具有重要的意义。本申请项目结合纳米氧化铈优秀的药理学潜能，在已有的文献报道和工作基础上，提出基于纳米氧化铈细胞核靶向基因调控的辐射防护新策略。通过靶向性修饰及核酸搭载，拟构建稳定性高、生物相容性好、毒性小的多功能纳米氧化铈载药体系。一方面，TAT穿膜肽赋予纳米氧化铈细胞核靶向定位，发挥高效可再生的自由基清除活性，能有效减轻电离辐射诱导的DNA氧化损伤；另一方面，纳米颗粒表面吸附的锁核酸能有效抑制辐射敏感miRNA的表达，实现对下游基因的调控，从而降低电离辐射诱导的细胞凋亡并促进DNA损伤修复。最后，通过动物实验验证该体系对辐射损伤防护治疗的实际效果并评价材料的生物安全性。此项目工作对研究新型抗辐射药物，提高辐射损伤患者的生存质量具有重要的科学意义。

研究项目旨在探索新型、有效、副作用小的电离辐射防护剂，探讨基于纳米材料及基因调控的电离辐射防护新策略。（1）完成聚乙烯亚胺修饰的纳米氧化铈（PPCNPs）的构建及抗氧化活性分析研究。采用微乳液合成及化学键合的方法，构建聚乙烯亚胺（PEI）修饰的纳米氧化铈（PPCNPs）。PPCNPs尺寸均一（3-5 nm），物理化学性质稳定。与天然酶相比，PPCNPs具有较高的超氧化物歧化酶酶、过氧化氢酶及羟自由基（•OH）清除活性，且其活性具有选择性，在肿瘤酸性环境下活性较低。带正电的PPCNPs能有效被细胞摄入，并有效降低电离辐射诱导的细胞超氧阴离子自由基(O2•-)、过氧化氢（H2O2）、•OH等活性氧的产生。（2）实现纳米颗粒搭载寡核苷酸链用于辐射敏感基因调控的策略。利用PEI的静电吸附特性，PPCNPs可有效搭载寡核苷酸链，其细胞转染效率接近脂质体。采用PPCNPs搭载siRNA、miRNA抑制剂、miRNA模拟剂等，可有效调节电离辐射敏感的非编码RNA（如miR-193a-3p、lnc-RI）的表达及功能，从而调节下游基因及蛋白的表达，实现基因调控功能。（3）探讨了基于纳米颗粒搭载miRNA抑制剂用于协调抗辐射的可能。基于抗氧化活性与基因调控的协调作用，与单纯PPCNPs相比，PPCNPs@miR-193a-3p inhibitor能有效促进细胞抗凋亡蛋白Mcl-1及同源重组蛋白RAD51的表达，减轻细胞DNA氧化损伤，降低电离辐射诱导的细胞凋亡及增殖抑制。静脉注射PPCNPs@miR-193a-3p inhibitor能有效减轻电离辐射诱导的小鼠血液细胞DNA损伤，提高动物存活率，其抗辐射效应强于单纯的PPCNPs。（4）初步探索了用于药物搭载的放射性皮肤损伤的温敏性水凝胶。项目还采用基因测序的方法，检测了电离辐射诱导的基因组、转录组及lncRNA表达的改变，分析了辐射敏感基因参与的生物过程及信号通路，为研究电离辐射生物效应机制及防护策略提供理论基础；研制了具有温敏特性的水凝胶，可作为基于纳米氧化铈的放射性皮肤损伤防护膏剂的载体，实现药物缓释。总之，本研究提出了基于纳米材料和基因调控的电离辐射防护新策略，为研究新型抗辐射药物，提高电离辐射损伤患者生存质量具有重要的科学意义。