基于FRET技术的两级响应基因干预/检测一体化载体的构建及其在肿瘤治疗中的作用

Currently, Imaging-guided site-specific delivery systems based on nanomaterials for cancer theranostics have been recognized as promising alternatives to traditional therapies in clinic. However, the theranostic nanomedicines must go through a cascade of three-stage biological barriers (blood-tissue-cell) to achieve targeted site. Therefore How to fabricate a nanomedicine with bio-responsive shielding structure for synchronizing non-specific interaction resistance and tumor-specific imaging is still a challenge. In our project, a two-stage responsive nanomedicine is prepared by glutathione-responsive hyperbranched poly(amidoamine)s as the core and enzyme-responsive hyperbranched polyglycerol as shielding shell through supramolecular host-guest interaction for synchronous gene therapy and near-infrared imaging. The shielding shell is endowed both charge shielding and fluorescence quenching abilities, while the polycation core is loaded with therapeutic gene and NIR probe. Such a core/shell assembly exhibits non-specific adsorption resistance with probe in quenched state in blood, and then displays enzyme-triggered shell detachment from the core in tumor microenvironments, leading gene transfection and imaging capacity recovery. Therefore this nanomedicine with “photoswitch” integrates blood compatibility, tumor microenvironment triggered targeting and imaging abilities and gene delivery efficiency. It will direct the design and synthesis of novel theranostic nanomedicines for clinical application.

目前，影像介导的、肿瘤特异性的纳米载体用于肿瘤的诊疗一体化是肿瘤精准医疗的一个新发展方向。然而经静脉递送的诊疗制剂往往要经过血液，组织和细胞三级生理屏障才能达到靶部位。因此如何利用肿瘤微环境来设计具有生物响应性的遮蔽结构来减少非特异作用并同步实现肿瘤特异性的医学成像是一个挑战。本项目拟制备一种具有酶响应的超支化聚缩水甘油醚遮蔽外壳与具有胞内谷胱甘肽响应降解的超支化聚酰胺-胺内核，通过主客体作用而组装成的两级响应基因治疗/成像一体化载体。其遮蔽外壳具有电荷遮蔽和荧光淬灭的双重作用，其聚阳离子内核同时负载治疗基因和近红外探针。该核壳组装体经血液递送时抗非特异性吸附并使内核荧光淬灭，在肿瘤微环境的酶解下脱去外壳并恢复基因转染和成像活性。这一微环境驱动“光开关”载体兼顾血液递送安全性、肿瘤微环境响应的靶向性和成像能力、基因胞浆递送高效性。因此，该两级响应智能载体为诊疗一体化载体的分子设计提供思路。

影像引导、肿瘤特异性的治疗剂递送是肿瘤精准诊疗的发展方向，然而经静脉递送的诊疗制剂往往要经过血液，组织和细胞三级生理屏障才能达到靶部位。因此如何利用肿瘤微环境来设计具有智能响应性的精巧载体结构来同步实现时间上长循环、空间上特异性是一个挑战。本项目围绕“复杂层级化拓扑结构的构建与肿瘤诊疗运用问题”展开探索，将层级化设计结合血液-肿瘤组织-细胞级联智能响应特性，来实现结构上的模块化，功能上的整合化，响应上的时空级联化。具体地，我们采用支化聚合物与仿生材料为基元，通过可逆的物理作用（主客体作用或者生物膜包覆）来构建了一系列层级化纳米组装体：包括基于的超支化聚缩水甘油醚遮蔽外壳与具有响应降解能力的超支化聚阳离子形成的超分子核壳组装结构，以及由细胞膜外壳与生物大分子内核组成的仿生核壳结构。这两类层级结构都能在血液递送中依靠外壳实现长循环，而在肿瘤靶部位表现出级联式的微环境智能响应性，而实现靶部位滞留、治疗剂呈时空贯序的方式逐级释放、影像剂的点亮，从而发挥治疗（基因、光热、气体、化学动力）与成像（荧光、CT、核磁）的效果。总之，我们按研究计划完成了层级化核壳结构载体的构建、体内外级联响应能力表征、生物安全性评价和在肿瘤诊疗领域中的运用，从而完成了“层级化智能响应递送系统”从技术到理论的积累。.除了预期计划以外，我们还获得了以下额外的工作进展及新发现：(1) 拓展了原有基于超支化聚合物构筑基元的超分子组装结构，进一步探索了基于生物膜外壳和生物大分子内核的仿生核壳组装载体；(2) 所设计的肿瘤微环境点亮的“光开关”载体，还能够采用外界光场来调制生理信号的强度，从而达到光调制增强荧光信号并克服肿瘤的成像异质性；(3) 我们偶然发现可生物降解的超支化聚阳离子本身能够杀伤耐药细胞并干扰肿瘤细胞代谢，为开发非载药的纯聚合物治疗剂这一全新方向提供了新的线索。