基于肿瘤缺氧调控的药物靶向输送系统及其荧光成像的研究

Anticancer prodrug, containing a single drug molecule, a cancer cell targeting ligand and a fluorescent reporter, is able to improve therapeutic efficiencies due to the higher selectivity to cancer cells, compared with the drug alone. In this project, we design a novel anticancer drug delivery system, composed of a fluorescent reporter (e.g. squaraine dyes), a cancer targeting ligand, an anticancer drug and a linker ( azo group) that can be reduced into amine under hypoxia condition, resulting in the activation of the anticancer drug and the optical spectral alterations of the fluorephore. The first step is to select a suitable azo-substituted squaraine dye (azosquaraine) with the highest sensitivity to hypoxia environment by differently structural modifications. Then various tumor targeting ligands will be conjugated to the azosquaraine dye assisting in localizing solid tumor in vivo; and anticancer drug (e.g. SN-38) will be finally attached to the optimized imaging system to provide the prodrug molecule. Various properties of the obtained prodrug will be studied, including the hypoxia sensitivity, selectivity and toxicity to tumor cells, and the inhibiting effect in tumor growth, which will become a promising candidate for drug delivery and provide theoretical support for the design of new drug delivery systems in the future.

抗癌前体药是对药物单分子进行化学修饰：由肿瘤定位基、荧光信号团与药物分子组成，可显著增加对肿瘤细胞的选择性，降低药物分子对正常组织细胞的毒性，提高抗癌效率。本项目设计合成一种新型肿瘤缺氧调控抗癌药释放的靶向输送系统，由荧光信号团，肿瘤定位基，抗肿瘤药及偶氮基团（-N=N-）四部分组成，其中偶氮基在缺氧环境中能还原切断释放出活性药物分子与光谱变化的方酸菁染料。首先研究结构与性能的关系，考察不同取代基团对偶氮缺氧响应的影响，筛选出灵敏度最高染料分子；对染料结构进行修饰，连接不同肿瘤定位基，考察分子对肿瘤的定位识别与成像能力，筛选出成像效果最好的目标分子；进一步做结构修饰，连接上抗癌药物分子，研究其对缺氧响应的灵敏度，考察对肿瘤细胞的选择性与毒性，研究对肿瘤的生长抑制效果；为提高抗癌效率开发新工具，拓展抗癌药输送系统的范围，为设计新型抗癌药输送方法提供理论依据。

恶性肿瘤已经发展成为危害人类健康的主要疾病之一，对单肿瘤细胞甚至亚细胞层面的研究对其发病机理、早期诊断及有效治疗具有重要意义。细胞内微环境粘度对细胞内营养物质及代谢产物的运输影响显著；一些蛋白质在细胞生命活动中起着非常重要的作用，如线粒体膜上邻位二巯基蛋白质，可以清除细胞内活性氧，平衡氧化还原环境，同时这类蛋白质在线粒体膜上调控线粒体膜孔通道开关，控制线粒体基质与细胞质之间离子交换，维持细胞代谢与生理平衡，这类蛋白质的异常表达会导致癌症的发生。为了研究细胞微环境及线粒体膜上蛋白质的生物学功能，本项目主要围绕与肿瘤相关蛋白质如酪氨酸酶、邻位二巯基蛋白质在细胞内的分布与功能，设计了几种荧光探针进行了蛋白识别与标记，具体如下：（1）设计了酪氨酸酶活性荧光探针，探针荧光淬灭，与酪氨酸酶作用后荧光增强，具有很好选择性，并实现活细胞的荧光成像；（2）针对高分辨率荧光成像，总结了超分辨成像原理与用于超分辨成像荧光材料设计及应用；（3）设计了一类探针可选择性标记活细胞线粒体膜上的VDAC2蛋白质，并进行STED超分辨成像进行了研究，保证活细胞下获得90nm左右的成像分辨率；（4）设计了一类新型荧光探针标记活细胞线粒体膜上邻位二巯基蛋白质，并进行了活细胞STORM超分辨成像，研究该蛋白质在线粒体膜上的分布及动态成像，获得45nm的成像分辨率；（5）设计了一种对微环境粘度敏感的小分子探针标记内质网新合成的蛋白质，可引起内质网自噬，溶酶体与内质网融合，通过荧光成像观察到这一动态过程，并且通过荧光寿命成像进行了验证。在本项目的支持下，发表SCI论文2篇JCR1区，投稿1篇ACS Sensors，还有2篇论文正处在写作阶段，近期将投稿；另外，申请发明专利及PCT专利各2篇，1项已经提交专利局[申请号：201711388815.1]，另1项正处于修改阶段近期也将提交专利局，协助培养硕士研究生1名，完成任务书要求的内容。