智能组装-解组装诊疗一体化平台用于恶性肿瘤成像与治疗的研究

Theranostics that integrates diagnostic and therapeutic capabilities holds great potential in the early diagnosis of tumors, assessing the accumulation of therapeutic agents at diseased sites, and intelligent “turn-on” therapy, providing opportunities for precise medicine. However, most of the developed theranostic probes show “always-on” diagnostic signals and curative effects, and cannot be intelligently activated in response to the environmental stimulus, thereby leading to poor targeting ability and high toxic side effects. Therefore, it is particularly important to design intelligent theranostic probes, which turn on their diagnostic signal and pharmacological action in response to a targeted biomarker. In this proposal, we will design an intelligent dual-responsive system to realize the self-assembly-swelling-disassembly process. Such system swells in acidic microenvironment of tumor, followed by being hydrolyzed by protease overexpressed in tumor (for example, urokinase plasminogen activator, the uPA), and eventually turns on the diagnosis signal and therapeutic effects to achieve precise control of theranostics. This proposal provides new ideas and strategies for the advancement of theranostics.

诊疗一体化在肿瘤早期诊断，评估治疗剂在疾病部位的积累，智能开启治疗等方面具有巨大的潜力，并为精准医学提供了机会。然而，大多数被开发的诊疗一体化探针的诊断信号和疗效始终处于开启状态，不能依据环境的变化智能启动诊疗效果，因此靶向性差，毒副作用大。基于此，设计智能诊疗一体化探针，即能够与生物标志物作用后产生特异性的诊断性信号和药理学功效，就显得尤为重要。本项目中拟设计智能双响应体系实现自组装-溶胀-解组装过程，即首先通过肿瘤弱酸性微环境溶胀纳米粒子，从而促进后续肿瘤高表达的蛋白酶（比如，urokinase plasminogen activator, uPA）对底物的水解，并最终启动诊断和治疗，实现精确调控诊疗一体化的目标，有望为智能诊疗一体化提供新的思路和策略。

肿瘤一直是本世纪威胁人类健康的重大恶性疾病之一，其中，女性癌症病发率排在第一位的是乳腺癌，极大的威胁了人类的生命健康。因此，为了降低乳腺癌的病发率和死亡率，亟需发展更加先进的诊断、治疗以及诊疗一体化的方法或手段。本研究围绕构建多功能探针用于肿瘤诊断与治疗这一问题，通过构建多功能探针并利用肿瘤高表达蛋白酶，实现光学信号的开启，并利用开启的信号实现对肿瘤细胞定性、定量检测的性能。同时构建肿瘤模型，考察了探针在活体层面对肿瘤多模态影像诊断的性能。基于上述设计与构想，我们开发了一种肾脏可清除的聚合物分子探针，它通过激活近红外荧光和光声信号对恶性乳腺癌细胞进行成像。聚合物分子探针 (P-Dex) 包含肾脏可清除的葡聚糖骨架，该骨架与近红外染料 (CyN3OH) 通过氨基甲酸酯自消除基团与 uPA 可切割底物偶联。将葡聚糖引入 P-Dex 不仅增强了亲水性和肾脏清除率，而且比小分子对照探针具有更高的酶促反应。由于探针对uPA高效的酶响应动力学以及高的特异性，P-Dex 可以清楚地区分高恶性乳腺癌细胞（即 MDA-MB-231）与其他乳腺肿瘤细胞（即 MCF-7细胞）。全身给药后，P-dex 在肿瘤内被动蓄积，特异性激活其荧光和光声信号，随后进行有效的肾脏清除，最大限度地提高探针的生物安全性。由于肿瘤中uPA表达水平与临床统计较短的总生存期和无复发生存期密切相关，因此 P-Dex 不仅有潜力可以用于评估恶性肿瘤和预后，还可以用于以uPA 作为指标监测和评估恶性肿瘤的全身治疗策略。此外，相关研究已发现 uPA 在转移性乳腺肿瘤病变中存在并过表达，因此 P-Dex 具有进一步用于乳腺肿瘤转移成像的潜力。