负载光敏药物生物自发光纳米胶囊的组装与光动力效应研究

In this project, bioluminescent nanocapsules were fabricated via molecular assembly for the delivery and activation of photosensitizers. The photodynamic effect and relevant physichemical mechanisms of these nanocapsules were studied, to provide a practical basis for the application in the field of biomedicine. In detail, photosensitizers were coprecipitated with mesoporous templates, and luciferase was assembled onto their surface via a layer-by-layer technique. After the removal of templates, nanocapsules uploading photosensitizers which could emit visible light in the presence of ATP were obtained. Experiments will be carried out to investigate the bioluminescent property, biocompatibility, and singlet-oxygen quantum yield. Then, experiments in vitro and in vivo were employed to demonstrate the effect of photosensitizer-loaded nanocapsules on the activity of tumor cells and cell reproduction capacity. The nanocapsules are expected to be applied in clinical photodynamic therapy of cancers, providing an innovative approach for assemblying functional new drug carriers with high efficiency.

本项目申请主要是利用分子组装技术，制备生物自发光纳米胶囊并用其来携带光敏药物，研究该体系产生光动力效应的物理化学机理，为其在生物医药领域方面的应用提供重要的实验依据。主要研究思路是通过模板法和层层组装技术,将光敏药物与多孔模板共沉淀，并在其表面组装荧光素酶，除去模板后，获得载有光敏药物且能够被ATP诱导产生生物自发光的纳米胶囊。研究其生物自发光性、生物兼容性以及体系中单线态氧的量子产率，进一步通过体外细胞实验和移植性肿瘤动物实验研究载药纳米胶囊对细胞活性及繁殖能力的影响，确定其光动力效果。最终所获得的组装体期望能够直接应用于临床的光动力治疗，为开发具有功能性的高效率光动力治疗药物制剂提供创新思路。

恶性肿瘤是一类严重危害人类健康的疾病。据世界卫生组织报道，全球每年有超过700万人死于癌症。肿瘤的联合治疗是指在肿瘤的治疗过程中，同时使用包括化学疗法，放射疗法，光动力疗法，光热疗法等多种治疗手段，并通过不同疗法间的协同效应来提高肿瘤细胞针对治疗的敏感程度，可在不降低疗效的前提下减少药物的使用剂量，从而减轻治疗过程中所产生的毒副作用，提高患者的生存质量。本课题的主要研究内容包括利用分子组装技术，制备具有良好生物兼容性或生物可降解性的功能化纳米结构，随后在其表面构建蛋白、聚合物、多糖、磷脂等多层膜，赋予上述纳米结构靶向性、多重响应性、光热性等理化性质。功能化的纳米结构可用于负载小分子化疗药物及光敏药物，通过静电作用、氢键、共价键等分子间相互作用将药物组装到纳米结构内部或其表面，得到了高载药量及载药率的复合载药体系。进一步通过载药体系与肿瘤细胞的相互作用，借助流式细胞仪、激光共聚焦显微镜等手段研究了载药纳米粒子在肿瘤细胞中的分布、药物释放、治疗过程中肿瘤细胞的凋亡情况。目前已得到了尺寸均匀可控的多孔碳酸钙纳米粒子，人血清白蛋白纳米粒子、金纳米棒、片状石墨烯、具有光动力效应的二肽纳米球，负载目标药物及靶向分子后，成功的应用于肿瘤的联合治疗中。与传统的治疗手段相比，功能化的纳米载药体系可以提高肿瘤细胞对抗肿瘤药物的内吞效率，促使药物在细胞内富集，同时通过协同效应提高了肿瘤细胞对不同治疗方法的敏感程度，因此在很大程度上减少药物的使用剂量，提高了肿瘤细胞的杀伤率，实现了兼具靶向功能的肿瘤高灵敏诊断和高效光化疗、光热疗或热化疗。