自吸附气体超声响应性载药MSN的构建及其多靶点抗肿瘤效应的实验研究

Many studies verified that ultrasound targeted microbubble destruction (UTMD) can be used to treat tumors by disrupting tumor vascular and deliverying chemo drugs. However, microbubbles as drug carriers usually have a short cavitation duration, low drug payload and poor stability. Mesoporous silica nanoparticles (MSN) as drug carriers have the merits of high drug payload and stability. Our previous studies found that superhydrophobic mesoporous silica nanoparticles (F-MSN) made from MSN by fluorination with perfluorodecyltriethoxysilane can spontaneously adsorb air from water, and can initiate durable cavitation and generate cytotoxic reactive oxygen species (ROS) under focused ultrasound. This project intends to take advantage of the high drug payload and stable merits of MSN, to construct an ultrasound-responsive Dox-loaded superhydrophobic MSN (F-MSN-Dox), and to optimize the F-MSN-dox properties by analyzing the relations between cavitation intensity and drug payload and the degree of degradation of F-MSN. A window chamber tumor model on mouse dorsal skin is further applied to optimize ultrasound parameters by analyzing the size of vascular disruption, dox distribution areas with F-MSN. At last, the synergetic tumor inhibition on subcutaneous prostate tumor in mice with the cavitation activities, and resultant vascular disruption, dox release and ROS. This study will provide a new idea in designing novel ultrasound-responsive delivery systems.

研究证实，超声靶向破坏微泡（UTMD）可靶向破坏肿瘤血管并释放化疗药物治疗肿瘤，但载药微泡存在空化时间短，载药量低且稳定性差等问题。介孔硅纳米粒（MSN）作为载体具载药量大稳定性好的优点。本课题组研究发现，MSN经全氟癸基硅烷修饰成为超疏水（F-MSN）后，可自发吸附水中空气，并在超声作用下长效引发空化效应产生具细胞毒性的活性氧ROS。本研究拟结合MSN载药量大且性能稳定的特性，构建超声响应性载Dox超疏水氧化硅纳米粒子（F-MSN-Dox），通过分析超声空化强度与载药量、材料降解程度的关系优化材料性能。利用小鼠背部皮窗模型分析F-MSN-Dox破坏肿瘤血管的尺寸、药物递送范围优化体内超声参数。最后，以小鼠前列腺癌为模型，评估利用超声空化靶向破坏肿瘤血管并释放Dox，协同ROS抑制肿瘤生长的机制和效果。本研究将为设计集抗血管、化疗及ROS毒性于一体的新型药物载体提供新的思路。

本项目针对超声靶向破坏微泡技术中载药微泡存在空化时间短，载药量低且稳定性差等问题，设计了新的超声响应性载体。依据申请人前期的研究发现，超疏水纳米材料可自发吸附水中空气，并在超声作用下长效引发空化效应产生具细胞毒性的活性氧ROS。结合MSN载药量大且性能稳定的特性，构建了超声响应性载超疏水氧化硅纳米粒子，研究了超疏水修饰对MSN的载药量及释放行为的影响，以及载药和超疏水修饰对其接触角、空化声压阈值以及空化剂量的影响。进一步分析了该载体在不同超声参数下产生空化泡的特性，以及和超声参数对破坏肿瘤微血管的尺寸大小分布、以及体内引发空化的持续时间。用小动物活体荧光成像评价了载体的生物分布及在肿瘤内累积特性，以及联合超声对小鼠前列腺癌的治疗效果。我们发现超疏水修饰显著降低超声空化的阈值并增强了超声的空化效应，降低药物的释放速率，但空化本身并不引起其装载药物的显著释放。β-环糊精和红细胞膜包被都提高了超疏水的阿霉素的分散性，阿霉素小幅度提高了空化效应的阈值，但高声压下这些影响可忽略不计。体内破坏肿瘤血管的研究结果显示，吸附的界面气泡在超声作用下会随着时间累积增加肿瘤血管破坏及出血程度。声压愈大愈有明显的血管破坏效果，其中4-5MPa所造成的出血面积差不多，6 MPa不管是初次击破或是后续累积击破，均造成明显出血面积增加，且90分钟仍看到明显的出血面积上升，血破坏管效应在体内超过120分钟以上。对比空化治疗前后肿瘤内超声造影灌注结果发现，超声响应性介孔硅空化引起血流灌注大约下降50%。声光共焦高速摄像系统证实，在6MPa超声刺激下，F-MSN 在体外200微米的血管仿体中可以持续产生空化气泡，其尺寸大约为20-40 微米。体内的结果显示，6 MPa对21-40 微米的血管有着更显著的击破效率，5 MPa在21-30微米的管径下有更明显的击破效率，体内破坏的血管直径与体外具有一致性。进一步，F-MSM注入并超声时可以看出超疏水材料所产生的空化效应会持续7天以上，并指导第14天才逐渐消退。体内抗肿瘤结果发现，仅注射一针该载体后，单纯通过超声，就显著抑制了肿瘤生长，不仅破坏肿瘤血管，并增强了ROS的产生，也融合了药物的杀伤作用。相较于微气泡与相变液滴等载体，自吸附气体超声响应性载药MSN具有显著的优势，为肿瘤的聚焦超声介入治疗提供了新工具。