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乏氧是恶性实体肿瘤内普遍存在的一种微环境特点,是导致肿瘤发生治疗耐受、侵袭和转移等恶性进展的重要因素。探索精确且可靠的乏氧检测手段,并制定个性化且高效的肿瘤治疗方案,将有助于实现恶性实体肿瘤的精准治疗及不良预后的改善。近年来,随着纳米技术的迅速发展,物理化学性质丰富的功能化纳米材料为肿瘤精准诊疗提供了新的解决思路,而肿瘤特殊的乏氧微环境也为纳米材料的功能化设计提供了无限空间。因此,借助于纳米材料的功能化设计,将有望实现对乏氧肿瘤的精准诊断及高效治疗,以期获得最优的抗肿瘤效果。本论文基于肿瘤乏氧微环境的独特生物学特性,设计并制备了多种新型的功能化无机纳米材料,初步实现了对肿瘤乏氧的实时监测和精准定位,并借助于“克服乏氧”、“规避乏氧”和“利用乏氧”三类肿瘤治疗新策略,实现了对乏氧肿瘤的高效治疗。具体研究内容如下:1.锰基纳米诊疗剂用于乏氧肿瘤的精准诊疗:化疗作为癌症最常见的治疗手段之一,在临床应用中存在无法实现药物在瘤区的最大富集、乏氧肿瘤疗效差、以及无法实现精准的按需治疗等瓶颈问题;此外,探索切实可行的乏氧诊疗手段,且通过单药同时实现乏氧肿瘤的实时无创精准成像和乏氧自适应的高效治疗,仍是一个巨大的挑战。基于此,本研究以上转换发光纳米颗粒(upcoversionnanoparticle,UCNP)为功能内核,在其表面包覆空腔介孔二氧化硅(hmSiO_2)层,用于实现对化疗药物阿霉素(doxorubicin,DOX)的高效率装载,及对乏氧肿瘤微环境敏感的MnO_2纳米片的表面富集,最终获得诊疗一体化的DOX-UCHSM-DOTA功能纳米材料。该纳米材料到达肿瘤区后,片层MnO_2响应乏氧酸性微环境分解生成Mn~(2 ),继而被修饰于外层的大环螯合物DOTA快速鳌合,实现响应增强型T_1-MRI乏氧检测;同时,MnO_2的快速响应分解,削弱了其对装载于hmSiO_2空腔中DOX的“封孔”作用,进而实现了DOX的肿瘤微环境响应释放;DOX的释放也可通过内核UCNPs上转换发光强度的变化实时监测。值得一提的是,MnO_2同时具备催化分解乏氧肿瘤细胞内H_2O_2产生O_2的功能,继而克服了乏氧对化疗药物的耐受性,重塑乏氧细胞对化疗药物的敏感性。本研究在HeLa细胞和皮下荷瘤鼠上,系统评估了该多功能纳米诊疗剂的乏氧影像诊断和治疗的效果,结果显示其可实现对乏氧肿瘤的精准监测和高效治疗。这类基于“克服乏氧”策略构建的锰基多功能纳米诊疗剂,将为其它用于乏氧肿瘤精准诊疗的新型多功能诊疗的构建提供借鉴性研究思路。2.近红外光引发的氯自由基(Cl·)应激用于乏氧肿瘤的高效治疗:活性氧物种(reactiveoxygenspecies,ROS)是目前抗肿瘤治疗中应用最为普遍的自由基种类。然而,肿瘤区普遍存在的O_2和H_2O_2供应不足,严重地限制了基于ROS的抗肿瘤治疗效果。基于此,本研究提出了基于氯自由基的新型肿瘤治疗策略:氯自由基应激治疗。利用UCNP作为光调节器,在其表面均匀包覆实心SiO_2,并将Ag~0/AgCl异质纳米晶点缀于SiO_2外表面,构建了Cl·纳米发生器UCSAP。在近红外(near-infrare,NIR)光激发下,UCNP的上转换短波发射光催化Ag~0/AgCl产生强氧化性Cl·。Cl·的产生无需依赖于周围环境中的O_2和H_2O_2,因此可同时实现对常氧和乏氧肿瘤的高效杀伤;值得一提的是,相较于传统活性氧自由基,Cl·不仅具有较强的氧化性,且具有极强的亲电性,使其更易于攻击富电子基团的生物分子,可以无差别地引发常氧及乏氧细胞内剧烈的应激反应,造成脂质过氧化及DNA双链损伤,最终引发常氧和乏氧肿瘤细胞的凋亡。这类由Cl·引起的剧烈氧化应激损伤,被定义为氯自由基应激治疗。这类基于“规避乏氧”的新型氯自由基应激治疗策略,克服了乏氧对活性氧自由基抗肿瘤治疗的限制,为新型非氧自由基抗癌药物的研发提供了借鉴性研究思路。3.钙基纳米材料诱发的内质网应激用于乏氧肿瘤的高效治疗:多数恶性肿瘤均伴随有内质网应激(endoplasmicreticulumstress,ERstress),并且会通过激活未折叠蛋白反应(unfoldedproteinresponse,UPR)通路缓解内质网应激。乏氧肿瘤细胞中因缺乏O_2,将通过激活氧气(O_2)敏感的UPR信号通路,以提高肿瘤在内质网应激的乏氧条件下的适应性和存活率。因此,利用乏氧肿瘤固有的内质网应激作为乏氧肿瘤治疗的切入点,将有望克服常规通过重塑乏氧激活还原性前药的乏氧治疗策略促进耐药性和恶性进展等弊端。基于此,本研究利用气相沉淀法合成了载有蛋白酶体抑制剂硼替佐米(bortezomib,BTZ)的CaCO_3纳米颗粒(CaCO_3-BTZNPs),提出了“钙基纳米材料诱发的内质网应激策略”,即利用未折叠蛋白反应通路上调的乏氧肿瘤微环境诱发肿瘤细胞发生严重的内质网应激,导致细胞发生内质网应激死亡实现乏氧肿瘤治疗的策略。CaCO_3-BTZ纳米颗粒胞吞进入细胞后,分解产生大量的Ca~(2 );胞内急剧增加的高浓度Ca~(2 ),将扰乱内质网钙库内的离子稳态,敏化蛋白错误折叠的内质网环境,促进常氧及乏氧肿瘤细胞内质网应激的产生;同时,胞质中大量的Ca~(2 )将干扰线粒体的电子传递链,促进ROS的产生,进一步加剧内质网应激。更重要的是,伴随CaCO_3纳米颗粒的分解,BTZ被释放至胞质中,将高效抑制未折叠蛋白反应的激活,导致未折叠蛋白和错误折叠蛋白无法降解,进一步加剧内质网应激。最终,持续严重的内质网应激,诱发未折叠蛋白和错误折叠蛋白大量聚集,造成肿瘤细胞的不可逆转性死亡。这类基于“利用乏氧”的内质网应激肿瘤治疗策略,不仅成功地克服了重塑乏氧易造成肿瘤治疗耐受、复发和远端转移的风险,同时也为利用内质网应激作为乏氧肿瘤治疗的靶点、研发新型乏氧肿瘤药物提供借鉴性思路。