基因/光动力协同治疗肿瘤的多级双向调控可视化靶向纳米递送系统

Systemic gene delivery is a complicated and multistep process that confronts numerous biological barriers. There is an urgent need to develop smart nanovehicles that can address multiple physiological obstacles synergistically. A real time traceable and multi-stimuli responsive nanovehicle is fabricated in this project for synergetic gene/photodynamic therapy. This may provide a synergetic way for overcoming tumor penetration, photo-triggered endosome escape without cargo gene damage, balancing protection and release of DNA, to achieve targeted gene delivery. This nanovehicle is composed of two parts. One is Zinc (II)-coordinative peptide dendrimer with low molecular weight, which possesses superior compaction ability of nucleic acid and can be cleaved by reactive oxygen species (ROS) to release nucleic acid. The other one is the photosensitizer Ce6 modified O-carboxymethyl chitosan, further combined with tumor-penetrating peptide (iRGD) and charge conversional nuclear localization sequence (NLS), to construct a smart multiple pH responsive and multi-target integration envelope. The implementation of this project will put forward the design principle of multifunctional nanovehicles, and establish the construction techniques and methods, revealing the mechanism for synergetic gene/photodynamic therapy. This project paves the way to develop multifunctional nanocarriers.

针对肿瘤基因治疗中非病毒基因载体需克服胞内外的多重生理屏障，难以实现外源基因在靶点高效表达的现状，亟需开发一类能够协同克服多重生理屏障的纳米递送系统。本项目拟设计构筑一类多级双向调控可视化的靶向纳米递送系统，协同克服肿瘤靶向渗透、光激活内涵体逃逸中核酸损伤、核酸的压缩与释放的生理屏障，实现核酸定点可控释放，通过基因/光动力协同治疗肿瘤。该系统由两部分组成：一是具有低分子量高核酸压缩性的ROS响应功能化肽类树形分子；二是光敏剂修饰的羧甲基壳聚糖，联合肿瘤靶向渗透肽PEG2K/iRGD和柠康酐核定位序列PEG1K/NLS(Cit)，所构建的集pH双响应、內外源ROS双向调控和多级靶向以及实时示踪功能于一体的智能外包膜。通过项目实施，提出多级双向调控可视化靶向纳米递送系统的设计原理，并建立其构建技术与方法。揭示该系统的基因/光动力协同治疗肿瘤的原理及作用机制，发展构筑多功能纳米递送系统的新方法。

通过利用具有独特功能的生物材料以克服肿瘤微环境对肿瘤治疗疗效的制约，实现安全高效的肿瘤治疗，已成为生物材料与纳米医学领域的重要研究课题。在肿瘤的基因治疗中，非病毒基因载体需克服来自胞内外的多重生理屏障，难以实现外源基因在靶点高效表达的现状，亟需开发一类能够精确调控自身结构变化以协同克服多重递送屏障的基因载体。然而，精确调控基因载体的结构变化以克服递送屏障仍然是一个巨大挑战。外源性刺激如光等不受机体生理、病理因素影响，为精确调控基因载体的结构变化提供了一种在时空上可控制的方法。此外，光动力治疗是在病变组织内产生具有细胞毒性的活性氧，引起靶细胞的凋亡和坏死。因此，联合内源性刺激如微酸、还原性、酶和乏氧等和外源性光刺激构建可激活的响应性纳米载体平台有望实现肿瘤的基因/光动力协同高效治疗。.本项目设计构筑了一类基于肽类树枝状大分子的功能化纳米载体材料，通过精确调控肽类树状大分子的代数、敏感交联（活性氧、氧化还原）及外围功能化基团（功能短肽、胍基、甘露糖、全氟烃链、吡啶胺）的数量及其分布等，阐明了材料结构与粒径、表面电荷、形貌、智能响应性能、核酸压缩和释放及其对巨噬细胞极化等功能的关系、影响规律、及调控方式。同时，围绕肿瘤基因和光动力治疗中的瓶颈问题，开发了病毒启发的双重pH响应模块化和细菌启发的多级靶向智能外包膜，结合上述功能化纳米载体材料，构建了多级双向调控可视化的靶向纳米递药系统。研究结果证明递药系统的pH双响应电荷翻转有助于逐步恢复靶向功能，內外源ROS双向调控则达到了光激活内涵体逃逸且避免核酸被损伤，和核酸定点可控释放的效果，并揭示了内外源刺激下材料结构与其生物学行为的关系和作用机制。以肿瘤坏死因子TRAIL为治疗基因，二氢卟吩Ce6为光敏剂，进一步证明了该多功能系统介导基因治疗和光动力治疗实现了对肿瘤的协同高效治疗。