多功能共轭聚合物复合材料的设计、合成及其抗肿瘤与抗菌活性研究

Design of novel materials with the functions of selective recognition, imaging and killing capabilities is of great significance on fighting against drug resistance and treatment of major diseases. This project will focus on the design and development of multifunctional conjugated polymer materials with selective recognition, imaging and cell-killing ability. The main research work includes: (1) To design a series of conjugated polymer materials and conjugated polymer-nanoparticles (such as, quantum dots ), further study their interactions with cells, biological compatibility and the information associated with the biological process of these systems; (2) To study the generation mechanism of reactive oxygen species (ROS) from oxygen molecules sensitized by conjugated polymer materials and the killing activity of different ROS; (3) To design photodynamic therapy (PDT) systems based on conjugated polymers with targeted identification and imaging capability; (4) To design novel light-activated targeted antitumor and antibacterial systems without requirement of outside light irradiation. This project not only can obtain new conjugated polymer systems with anti-tumor and anti-microbial activities, but also provide new concepts and technology to fight against drug resistance for the treatment of major diseases.

设计集选择性识别、成像及杀伤性能于一体的多功能新材料对于重大疾病治疗具有重要意义。本项目充分发挥化学与生物学科交叉研究的优势，主要研究方向是设计、发展新型的集选择性识别、成像及杀伤性能于一体的多功能抗肿瘤以及抗菌共轭聚合物复合材料新体系。具体研究内容如下：（1）设计、合成、表征系列不同主链与侧链结构的共轭聚合物材料，构建共轭聚合物-金属配合物（或量子点）杂化材料体系，研究它们与细胞的相互作用、材料的生物相容性以及这些体系中的重要生物信息；（2）研究共轭聚合物复合材料体系敏化产生活性氧（ROS）过程的机理并分析ROS种类对肿瘤细胞与病原菌的杀伤活性；（3）设计具有靶向识别与成像能力的共轭聚合物光动力治疗新体系；（4）发展无需外界光源的共轭聚合物光激活抗肿瘤与抗菌新体系。该项目不仅可以发展新型的具有抗肿瘤以及抗菌活性的共轭聚合物复合材料体系，而且可以为克服药物耐药性以及重大疾病治疗提供新思路。

按照申请书所提出的研究任务，立足化学与生物学学科交叉前沿，围绕新型的集选择性识别、成像及杀伤性能于一体的多功能抗肿瘤以及抗菌共轭聚合物复合材料新体系研究展开工作。首次构建了基于电化学发光（ECL）驱动的抗菌新体系以及水凝胶抗菌器件。ECL代替物理光源，激发光敏剂产生的活性氧（ROS）可高效的杀伤致病性细菌。利用ECL在水凝胶中独特的长余辉特性，抗菌器件0.6伏电压通电5秒钟，便可持续抗菌10分钟，为传统的光动力抗菌提供了新的治疗模式。设计制备了一种新型共价连接共轭寡聚分子与巯基的紫杉醇体系（OPV-S-PTX），通过细胞内选择性原位自组装技术提高了紫杉醇疗效，OPV-S-PTX的IC50值相比PTX本身降低145倍，对紫杉醇耐药的肿瘤细胞株A549/T，IC50值也降低90倍，降低毒性并克服了耐药性，为肿瘤的高效治疗提出了超分子化疗的新思路。构建了表面修饰血红蛋白的自发光、自供氧共轭聚合物纳米粒子，解决了光动力治疗过程中存在的光源穿透深度的限制及肿瘤细胞微环境乏氧问题，为肿瘤的高效光动力治疗提供了一种新策略。构建了可逆抗生素超分子组装体系，通过组装与解组装过程，抗菌治疗时“开启”抗生素活性，治疗后“关闭”其抗菌活性，该策略能有效地延缓耐药性病原菌的进化过程。设计合成了反应性的新型共轭寡聚物（OPV-pfp）及共轭聚合物（PPV-NP），利用OPV-pfp优异的光学性质及对细胞内不同亚结构组分反应活性差异，首次实现了对细胞亚结构的原位区分成像，利用PPV-NP与Aβ中赖氨酸侧链的氨基化学键合调节/抑制淀粉样蛋白组装，为解决淀粉样沉积相关的疾病提供了新思路。发展了一种新型细胞表面聚合策略，利用细胞表面原位形成的生物钯催化剂介导细胞表面的sonogashira聚合反应，实现了对细胞功能的调控。设计构建了一系列多功能共轭聚合物复合体系，成功应用于细胞内的光响应基因表达调控及可控药物释放，获得了对肿瘤细胞的特异性杀伤效果。这些研究成果为重大疾病的诊断与治疗，特别是克服肿瘤细胞以及细菌耐药性提供了新思路与新技术。