腫瘤微環(huán)境響應(yīng)型磁性納米粒子組裝用于肝癌的可視化治療

凌代舜孔學(xué)謙孫曉蓮

（1. 浙江大學(xué)藥學(xué)院，杭州 310058；2. 浙江大學(xué)化學(xué)系，杭州310058；3. 廈門大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，廈門 361005）

腫瘤微環(huán)境響應(yīng)型磁性納米粒子組裝用于肝癌的可視化治療

凌代舜1孔學(xué)謙2孫曉蓮3

（1. 浙江大學(xué)藥學(xué)院，杭州 310058；2. 浙江大學(xué)化學(xué)系，杭州310058；3. 廈門大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，廈門 361005）

肝癌是我國最常見的惡性腫瘤之一，死亡率居第二位。早期診斷與個(gè)體化治療是提高肝癌治愈率的關(guān)鍵?？梢暬委熡型麑?shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的個(gè)體化治療：在治療前期，成像技術(shù)提供較準(zhǔn)確的信息，如腫瘤的大小、位置、和周圍組織之間的關(guān)系，利于擬定治療方案；治療過程中，直觀把控治療進(jìn)程，可以及時(shí)調(diào)整或更換治療方案；治療結(jié)束后，進(jìn)一步監(jiān)測(cè)疾病后續(xù)發(fā)展［1，2］。

磁性納米粒具有優(yōu)異的磁共振成像（MRI）性能以及磁致發(fā)熱性能，在腫瘤診斷與治療領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。超順磁性氧化鐵納米粒（SPIO）是少數(shù)在美國和歐洲獲批用于肝癌等臨床疾病診療的無機(jī)納米材料。然而，由于其尺寸不均導(dǎo)致體內(nèi)分布不佳、強(qiáng)磁化率效應(yīng)產(chǎn)生負(fù)對(duì)比度信號(hào)干擾等缺陷，大部分SPIO 臨床產(chǎn)品已經(jīng)不被廣泛使用。近年來，在提升醫(yī)藥用磁性納米材料質(zhì)量方面，國內(nèi)外課題組做了大量研究。韓國首爾國立大學(xué)Taeghwan Hyeon教授課題組［3］報(bào)道了可用于小鼠T1型血管磁共振成像的3 nm 四氧化三鐵納米造影劑的制備。韓國延世大學(xué)Jinwoo Cheon教授［4］合成了一類金屬摻雜的磁性氧化鐵（MFe2O4）超敏磁共振納米探針，表面偶聯(lián)人類表皮生長因子受體2特異性抗體赫賽汀（Herceptin）后，實(shí)現(xiàn)了乳腺癌早期靶向診斷；該課題組還報(bào)道了一種夾心球結(jié)構(gòu)的磁性納米粒，其磁致發(fā)熱性能高于一般磁性納米粒10倍以上，在腫瘤磁熱治療方向也取得重大突破［5］。美國國立衛(wèi)生研究院Xiaoyuan Chen 教授［6］制備了不同尺寸的聚天冬氨酸包裹的磁性氧化錳納米粒，用于肝MR靶向成像。中國科學(xué)院化學(xué)研究所高明遠(yuǎn)研究員課題組［7］。利用修飾后的氧化鐵納米粒作為miRNA 的轉(zhuǎn)染載體對(duì)胃癌診治有重要意義中山大學(xué)帥心濤教授［8］分別制備了葉酸配體包裹的磁性氧化鐵納米粒，增加了對(duì)葉酸受體過表達(dá)的肝癌細(xì)胞的靶向富集。

磁性納米粒的尺寸、組分、形貌和表面配體對(duì)其磁學(xué)性質(zhì)有很大影響；同時(shí)其診療性能與其聚集狀態(tài)關(guān)系緊密。由于磁性材料的原理復(fù)雜性以及材料科學(xué)與生物醫(yī)學(xué)學(xué)科的交叉整合難度，目前國內(nèi)外對(duì)磁性納米組裝體在活體環(huán)境下的精確調(diào)控，仍沒有完整有效的技術(shù)體系和平臺(tái)。因此，如何設(shè)計(jì)與制備磁性納米組裝體，以實(shí)現(xiàn)在活體環(huán)境下對(duì)腫瘤診療效果的有效調(diào)控是目前需解決的重大科學(xué)問題。具體有以下幾個(gè)方面有待產(chǎn)生理論革新和技術(shù)突破：（1）腫瘤精準(zhǔn)靶向和微環(huán)境精確響應(yīng)的納米組裝體系構(gòu)建和優(yōu)化。（2）響應(yīng)型磁性納米組裝體成像機(jī)理研究和效果提升。（3）響應(yīng)型磁熱、光敏等協(xié)同治療手段的探索和創(chuàng)新。（4）生物安全性的分析評(píng)估和臨床轉(zhuǎn)化。

1 研究?jī)?nèi)容和目標(biāo)

針對(duì)以上關(guān)鍵問題，我們組建了一支在磁性納米材料合成、組裝、表征以及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域具有交叉學(xué)科背景的研究團(tuán)隊(duì)，由凌代舜研究員（浙江大學(xué)）擔(dān)任項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，孔學(xué)謙研究員（浙江大學(xué)）和孫曉蓮教授（廈門大學(xué)）共同組成。將以磁性納米組裝體系為核心，利用微觀的核磁共振譜學(xué)技術(shù)優(yōu)化分子、納米結(jié)構(gòu)，同時(shí)配合宏觀的MRI、PET成像手段進(jìn)行藥代藥理分析和評(píng)估療效，最終實(shí)現(xiàn)肝癌可視化治療的關(guān)鍵性突破。

項(xiàng)目依據(jù)國家新型納米藥物的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化的重大需求，以實(shí)現(xiàn)肝癌可視化治療為研究目的，提出開發(fā)集合多級(jí)響應(yīng)功能與多模式診療方法優(yōu)勢(shì)的腫瘤微環(huán)境響應(yīng)型磁性納米組裝體的科學(xué)手段。擬通過對(duì)磁性納米粒的可控性表面修飾和組裝，研制腫瘤微環(huán)境響應(yīng)型磁性納米組裝體用于肝癌的可視化治療，創(chuàng)新性地將靶向、成像和治療效果都與腫瘤微環(huán)境刺激結(jié)合起來，構(gòu)建一種可以在腫瘤組織微環(huán)境酸度響應(yīng)下定點(diǎn)靶向腫瘤細(xì)胞，并對(duì)腫瘤細(xì)胞微環(huán)境如胞內(nèi)胞外酸度響應(yīng)獲得磁共振、熒光等成像信號(hào)加強(qiáng)以及藥物控釋等協(xié)同治療的智能化磁性納米組裝藥物。研究以開發(fā)基于對(duì)磁性納米粒的可控性表面修飾和組裝的原創(chuàng)制備技術(shù)為重點(diǎn)，加強(qiáng)對(duì)磁共振成像和磁熱治療的可控性技術(shù)攻關(guān)。同時(shí)推進(jìn)核磁共振技術(shù)對(duì)納米組裝體形成過程和結(jié)構(gòu)變化的精細(xì)表征，從而構(gòu)建相應(yīng)的結(jié)構(gòu)與功能分析平臺(tái)；利用同位素標(biāo)記和分子影像技術(shù)對(duì)納米組裝體的體內(nèi)分布、遷移和轉(zhuǎn)化等行為進(jìn)行檢測(cè)，完成在分子、細(xì)胞、組織水平的多尺度評(píng)價(jià)。通過載入不同治療機(jī)制的藥物，優(yōu)化多模式診療方案；通過將靶向、成像和治療效果與腫瘤微環(huán)境刺激結(jié)合，提高對(duì)肝癌診治的靶向性和特異性，創(chuàng)新完成多級(jí)響應(yīng)功能；通過完善納米組裝體的生物安全性評(píng)價(jià)研究，優(yōu)化納米藥物系統(tǒng)，加快推進(jìn)我國納米生物醫(yī)藥產(chǎn)、學(xué)、研的結(jié)合。

項(xiàng)目將磁性納米粒可控合成與組裝、微環(huán)境響應(yīng)性成像、微環(huán)境響應(yīng)性治療、多模式診療一體化、驗(yàn)證評(píng)價(jià)和生物安全性評(píng)估串成一條主線，創(chuàng)建一套完整的基于磁性納米組裝體的肝癌可視化治療理論、方法和技術(shù)體系，思路明確清晰。目標(biāo)將在納米組裝體的制備、表征、性能調(diào)控、生物醫(yī)藥應(yīng)用轉(zhuǎn)化，以及惡性腫瘤的診斷與治療等研究方面取得一系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、國際領(lǐng)先水平的新成果，提高我國納米科技轉(zhuǎn)化生物醫(yī)藥領(lǐng)域研究水平，并對(duì)其他納米生物醫(yī)藥材料和其他重大疾病診治產(chǎn)生重要影響。物各組分嵌段比、酰胺聚合物的交聯(lián)密度和納米粒表面鍵合結(jié)構(gòu)等參數(shù)進(jìn)行定量表征。

（2）磁性納米組裝體的各項(xiàng)性能評(píng)估：可引入小分子藥物，如化療藥物DOX、光敏藥物Ce6等，研究載藥量、包封率及不同條件下的藥物釋放和光敏藥物活性激活。可選擇合適的放射性元素對(duì)磁性納米粒、聚合物或小分子藥物分別進(jìn)行標(biāo)記。逐級(jí)在溶液、細(xì)胞水平，對(duì)制備的納米材料進(jìn)行診療性能評(píng)估，以確定同時(shí)具備各項(xiàng)性能并達(dá)到最優(yōu)化水平的配體/磁性納米粒/藥物組分比例，研究該材料對(duì)肝癌的特異性，考察該材料的生物安全性。初步完成磁性納米組裝體的優(yōu)化及各項(xiàng)評(píng)估實(shí)驗(yàn)的條件摸索。

（3）磁性納米組裝體用于原發(fā)性肝癌的可視化治療評(píng)價(jià)：分別以皮下和肝內(nèi)注射肝癌細(xì)胞建立異位和原位荷瘤動(dòng)物模型，通過MRI、熒光、PET協(xié)同的多模式成像，評(píng)估納米組裝體在肝癌裸鼠的體內(nèi)分布及代謝情況，對(duì)肝癌的靶向和響應(yīng)效果，并可做定量分析，確認(rèn)腫瘤處的聚集度和藥物的可控釋放；考察體內(nèi)長期抑瘤效果及肝癌裸鼠生存期，評(píng)價(jià)每個(gè)時(shí)間段內(nèi)腫瘤大小、裸鼠體重變化等，從而完成磁性納米組裝體的制備和相應(yīng)的肝癌治療方案。

2 研究方法

（1）磁性納米組裝體的可控制備與表征：合成磁性納米粒作為組裝單體，通過控制其組分、尺寸和形貌，優(yōu)化其診療特性；針對(duì)磁性納米粒的表面性質(zhì)設(shè)計(jì)對(duì)腫瘤微環(huán)境信號(hào)（pH值降低、組織缺氧和間質(zhì)滲透壓增高等）有高度響應(yīng)性的聚合物配體；優(yōu)化配體介導(dǎo)磁性納米粒組裝體的制備。采用TEM、DLS等方法進(jìn)行表征，并利用1H、13C、15N等多維核磁共振譜學(xué)為主要手段從分子層面對(duì)聚合

3 預(yù)期成果及展望

本項(xiàng)目圍繞“腫瘤微環(huán)境響應(yīng)型磁性納米組裝體的開發(fā)及其對(duì)肝癌可視化治療的應(yīng)用”的科學(xué)目標(biāo)，預(yù)期將研發(fā)出一系列適用于肝癌可視化治療的多靶點(diǎn)、多功能、高特異性納米藥物；創(chuàng)建一套適用于納米組裝體體內(nèi)示蹤和在體療效連續(xù)評(píng)價(jià)多模態(tài)融合成像新方法；促進(jìn)納米組裝體在體療效的多模式協(xié)同治療新方法；產(chǎn)出針對(duì)惡性腫瘤診療一體化的新原理、新技術(shù)、新方法，提高重大難治疾病治療水平；在納米組裝體的制備、調(diào)控、表征與生物醫(yī)藥應(yīng)用轉(zhuǎn)化，以及惡性腫瘤的診斷與治療等研究方面爭(zhēng)取形成一系列原創(chuàng)性重大成果，使我國納米生物醫(yī)藥研究達(dá)到國際領(lǐng)先水平；探索納米藥物產(chǎn)業(yè)鏈，促進(jìn)催生相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。同時(shí)，培養(yǎng)一批高素質(zhì)、高層次、多學(xué)科交叉綜合研究人才，建立高水平納米和生物醫(yī)藥交叉研究隊(duì)伍；凝聚和培養(yǎng)一批年輕、具有發(fā)展?jié)摿Φ募{米科技轉(zhuǎn)化研究隊(duì)伍，有力推動(dòng)我國納米生物醫(yī)藥材料研發(fā)與臨床醫(yī)藥學(xué)應(yīng)用研究領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。

［1］ Lammers T, Aime S, Hennink WE, et al. Theranostic nanomedicine［J］. Accounts Chem Res, 2011, 44（10）：1029-1038.

［2］Janib SM, Moses AS, MacKay JA. Imaging and drug delivery using theranostic nanoparticles［J］. Adv Drug Delivery Rev, 2010, 62（11）：1052-1063.

［3］Kim BH, Lee N, Kim H, et al. Large-scale synthesis of uniform and extremely small-sized iron oxide nanoparticles for high-resolution T1 magnetic resonance imaging contrast agents［J］. J Am Chem Soc, 2011, 133（32）：12624-12631.

［4］Lee JH, Huh YM, Jun Y, et al. Artificially engineered magnetic nanoparticles for ultra-sensitive molecular imaging［J］. Nat Med, 2007, 13（1）：95-99.

［5］Lee JH, Jang J, Choi J, et al. Exchange-coupled magnetic nanoparticles for efficient heat induction［J］. Nat Nanotechnol, 2011, 6（7）：418-422.

［6］Xing R, Zhang F, Xie J, et al. Polyaspartic acid coated manganese oxide nanoparticles for efficient liver MRI［J］. Nanoscale, 2011, 3（12）：4943-4945.

［7］Hong G, Yuan R, Liang B, et al. Folate-functionalized polymeric micelle as hepatic carcinoma-targeted, mri-ultrasensitive delivery system of antitumor drugs［J］. Biomed Microdevices, 2008, 10（5）：693-700.

［8］Maeng JH, Lee DH, Jung KH, et al. Multifunctional doxorubicin loaded superparamagnetic iron oxide nanoparticles for chemotherapy and magnetic resonance imaging in liver cancer［J］. Biomaterials, 2010, 31（18）：4995-5006.

（責(zé)任編輯 馬鑫）