肿瘤细胞自噬过程的分子调节与量热学研究

Autophagy is a frontier in the field of life sciences.Autophagy occurs in the sub-cellular level, and it is a biological process responsible for the degradation of biological macromolecules and organelles within the cytoplasm. Autophagy can regulate cytoplasmic proteins and organelles updated to provide substance and energy for metabolism, and to maintain cell homeostasis. Under the stimulation of exogenous drugs, autophagy generally involves several organelle stages including the formation of phagophores, autophagosomes and autolysosomes, and the cleavage of autophagosomes. The regulation (induction or inhibition) of autophagy process of tumor cells may provide a new target for the treatment of tumors. In this project，the human HeLa cells of cervical cancer will be chosen as the model cell lines. The targeted drugs, such as rapamycin, 3-methyl adenine and some typical anticancer drugs, will be used to regulate the autophagy of HeLa cells. The calorimery methods will be used to systematically determine the thermal spectra for the autophagy of HeLa cells with the existence of different drugs. The thermokinetic model will be established, and the corresponding thermodynamic parameters will be calculated to explore the variation of autophagy and its various stages from the energy point of view. Microscopy, spectroscopy and cell biology methods will be used to observe the phagophores, autophagosomes and autolysosomes, and to detect the cell proliferation and protein expression changes. The development process of autophagy will be analyzed with the combination of cell morphology, energy change and material change, and the molecular mechanism and biological effects on the regulation of autophagy process of tumor cells will be discussed. It is hoped that the results obtained from this project can provide an important theoretical basis for the design and application of autophagy-based anticancer drugs.

细胞自噬是生命科学的前沿研究领域。自噬发生在亚细胞水平，是胞浆内生物大分子和细胞器代谢降解的生物学过程，它可调控蛋白和细胞器的更新，提供物质和能量再循环，维持细胞稳态。在外源物质刺激下，可呈现出自噬膜、自噬体、自噬溶酶体形成和自噬体裂解等阶段。肿瘤细胞自噬过程的调节（诱导或抑制）可为治疗肿瘤提供新的靶点。项目以人宫颈癌HeLa细胞作为模型细胞系，以雷帕霉素、3-甲基腺嘌呤和典型抗癌药等药物分子靶向调节肿瘤细胞的自噬；用量热学方法研究肿瘤细胞在不同药物环境中自噬的热谱特征，建立热动力学模型，解析热动力学参数，从能量角度探讨细胞自噬及其各阶段的变化规律；用显微、光谱和细胞生物学等方法检测自噬囊泡、自噬体、自噬溶酶体、细胞增殖和蛋白表达的改变；从形态、能量和物质变化等角度对比分析自噬过程的发生发展，探讨肿瘤细胞自噬过程的分子调节机制和生物学效应，为基于自噬设计和应用抗肿瘤药物提供重要理论基础。

细胞自噬是生命科学的前沿研究领域。自噬发生在亚细胞水平，是胞浆内生物大分子和细胞器代谢降解的生物学过程，它可调控蛋白和细胞器的更新，提供物质和能量再循环，维持细胞稳态。在外源物质刺激下，可呈现出自噬膜、自噬体、自噬溶酶体形成和自噬体裂解等不同阶段。肿瘤细胞自噬过程的调节（诱导或抑制）可为治疗肿瘤提供新的靶点。因此，本项目主要以HeLa、HepG2、HEK293细胞等作为模型细胞系，以雷帕霉素、3-甲基腺嘌呤和典型抗癌药物顺铂、纳米粒子等作为调节剂，靶向地调节肿瘤细胞的自噬，以把握自噬过程的规律，设计有效的载药系统。. 研究了钯纳米粒子（PdNPs）对HeLa细胞自噬及自噬流的影响。低浓度PdNPs处理后，自噬体的积累主要通过自噬诱导下自噬体的产生；高浓度PdNPs处理后，则由溶酶体-自噬体融合障碍和溶酶体损伤引起的自噬流阻断主导。通过调控PdNPs的粒径大小和作用浓度，可以有效调节细胞的自噬强度，甚至使细胞发生自噬性死亡。. 基于沸石咪唑酯骨架纳米粒子（ZIF-8 NPs）、自噬抑制剂氯喹二磷酸(CQ)、3-甲基腺嘌呤（3-MA）、抗氧化剂表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG），以及靶向分子叶酸（FA）、聚乙二醇（PEG）等，设计并合成了智能药物输送系统3-MA@ZIF-8、FA-PEG/CQ@ZIF-8、PEG-FA/PEGCG@ZIF-8等。这些智能给药系统具有pH响应和肿瘤靶向性，可以控制药物释放并增强自噬抑制的效率，将靶向识别与药物控制释放相结合的智能纳米粒子有望拓宽MOF和自噬抑制剂在药物输送领域的应用。. 用量热学方法研究了肿瘤细胞在不同药物环境中自噬的热谱特征，建立了热动力学模型，解析了热动力学参数，从能量角度探讨了细胞自噬及其各阶段的变化规律；用显微、光谱和细胞生物学等方法检测了自噬囊泡、自噬体、自噬溶酶体、细胞增殖和蛋白表达的改变；从形态、能量和物质变化等角度对比分析了自噬过程的发生发展，探讨了肿瘤细胞自噬过程的分子调节机制和生物学效应，为基于自噬设计与应用抗肿瘤药物提供了重要理论基础。. 项目执行期间，发表学术论文27篇，参加会议交流5篇，申请发明专利3项。