仿生界面多功能无机纳米晶的简捷构筑及其诊治肿瘤的分子机制

Currently, the development of theranostic biomaterials for the diagnosis and therapy of critical illnesses, and understanding their molecular mechanisms are gaining intensive attention. In this project, the novel theranostic inorganic nanocrystals for target, diagnosis and therapy of cancer cells are planed to be synthesized, based on the bio-inspired interface strategies via mimics of the sophisticated structures or functions of biological systems. The theranostics nanocrystals are concisely constructed in a reduced amount of synthetic steps, where the functional molecule are assembled or grafted on the surface of nanocystals to simultaneously obtain the specific identification, cancer response and high biocompatibility. Besides, the adding functionalities are intended to improve diagnostic and therapeutic efficacy synergistically, which is due to the unique physicochemical properties of inorganic nanocrystals, such as fluorescing, surface plasmon, photon-to-heat conversion and so on. Furthermore, evaluation of the chemical reaction, the released metal ions, cell-image and phototheray in micro-environment of cancer are investigated in vitro. The influence of intrinsic properties of core/surface of nanocystals on cell behaviors, including of selective uptake, proliferation and differentiation, apoptosis and necrosis etc, is highlighted in detail to investigate the molecular mechanisms of theranostic inorganic nanocrystals. The studies provide quantitation data for understanding the nano-bio interface interactions both in vitro and in vivo, which contributes to designing the novel biocompatible nanocrystals for enhancing theranostic efficacy. This research project is essential groundwork for the application of the functionalized inorganic nanocrytals in cancer diagnosis and clinical treatment.

当前，研制重大疾病诊断与治疗所需的关键材料，探索其作用机理，备受关注。本项研究基于结构仿生与功能仿生原理，在无机纳米晶的表面组装或接枝对肿瘤细胞具有识别、响应、治疗作用的界面分子，简捷构筑具有生物特异识别性、生物相容性的纳米-生物界面，利用无机纳米晶的荧光、等离子共振、光热等理化特性，实现靶向肿瘤细胞的识别、显像和治疗功能。通过体外细胞实验及动物模型，研究无机纳米晶在肿瘤微环境中的化学活性、离子释放性、细胞成像、光诊治性能的机理，以及纳米晶本体和晶体界面性质与细胞选择性摄入、细胞增殖与分化、细胞凋亡与坏死等生物效应的内在关系，阐明仿生界面多功能无机纳米晶的适配肿瘤细胞光诊治的分子机制。本项研究的实施将有助于理解“生物-纳米”的界面作用机理，创新诊治型无机纳米晶的界面设计，指导制备安全、高效的无机纳米生物材料，为解决肿瘤诊断与治疗提供基础理论知识和新材料。

构筑诊断与治疗所需的关键生物材料，探索其作用机理，备受关注。该项研究基于结构仿生与功能仿生原理，以无机纳米晶等基质材料进行设计和组装，简捷构筑对肿瘤细胞具有生物特异性识别性强、生物相容性高、具有诊断与治疗功能的纳米诊疗剂，实现对肿瘤细胞的靶向识别、显像、载药和光治疗等功能；阐释无机纳米晶等纳米诊疗剂在肿瘤微环境中的化学活性、细胞成像、光诊断与治疗性能的分子机理，揭示纳米诊疗剂本体及纳米-生物界面性质与细胞选择性摄入、细胞增殖与分化、细胞凋亡与坏死等生物效应的定量关系；顺利完成项目任务。该项目研究提出：（1）仿生人工金属蛋白纳米类似物的新概念，以卵清蛋白结合二氧化钌纳米粒金属中心，构建新型人工金属蛋白纳米类似物，深入揭示其原位增强肿瘤光免疫治疗机制。（2）仿生细胞外基质，组装构筑新型三维网络骨架响应近红外二区光-温敏双重智能响应水凝胶，实现“单次注射，多重治疗”的功能。（3）创新经典无机纳米晶材料的表面/界面，简捷构筑纳米普鲁士蓝、三氧化钼、五氧化二钒、二氧化钛、二氧化锆，三氧化钨，铁以及铜的配合物、碳纳米材料等诊疗型无机纳米晶，在细胞和小动物活体层面显示对恶性肿瘤具有多功能协同的诊断和治疗。该项研究有助于理解“生物-纳米诊疗剂”的作用机理，指导制备安全、高效的纳米生物材料，为解决肿瘤诊断和治疗提供基础理论知识和新材料。该项目资助期，累计在Small、Chemical Science、ACS Nano、ACS Appl. Mater. Interface、Carbon、Acta Biomater.、Chem. Commun.、Chem. Eur. J、Langmuir、中国科学 等国际权威学术期刊发表学术论文32 篇；获国家发明专利授权4项；作为主要完成人，项目主持人获2019年广西自然科学二等奖（第一完成人）、2017年广西自然科学二等奖（第三完成人）、2017年广西科学技术特别贡献奖（第四完成人）。项目执行过程中，充分发挥国家自然科学基金项目对人才的培养和吸聚作用，项目主持人以优秀等级通过“教育部新世纪优秀人才支持计划”结题验收，获广西自然科学基金创新团队项目支持；培养广西首批高分子化学（生物材料方向）博士2名，硕士9名；为西部国家重点实验室引进和培养副教授4名，教授2名。