纳米材料与细胞的相互作用是纳米医学的重要问题,研究纳米材料在亚细胞水平上的分布对于理解纳米材料与细胞的相互作用以及纳米材料的临床应用具有重要的推动作用。纳米材料的物理结构参数(如尺寸、形状和柔性等)与表面性质(如荷电性和亲疏水性等)等是影响纳米材料在亚细胞水平上分布的主要因素。具体来讲,通过调节纳米材料的结构或表面性质等参数,可以有效调控纳米材料与细胞膜的相互作用、纳米材料的细胞内吞途径、纳米材料的细胞内的转运以及纳米材料与细胞器(或亚细胞水平上生物分子)的相互作用。本论文首先总结了纳米材料与细胞相互作用的影响因素(偏细胞膜),然后列举了亚细胞水平靶向的纳米材料的制备策略和最新研究进展,最后分别阐述了具有细胞核和溶酶体靶向功能纳米材料的设计策略与制备方法,并对两类纳米材料的生物活性和应用进行了研究。主要包括以下两个部分：1.低pH下解离的寡聚赖氨酸／铱(Ⅲ)复合物纳米粒子的细胞核靶向设计并合成了一种寡聚赖氨酸／铱(Ⅲ)的有机-无机复合物,发现该复合物在中性水中可形成一种动力学控制的大尺寸的纳米组装体(LINP,约128 nm)。在酸性pH下(pH 4.0-6.0),LINP解离成为小尺寸的纳米粒子(约28 nm)。当LINP与HeLa细胞共培养时,LINP能够迅速被HeLa细胞摄取,并在细胞内的酸性环境中(如内涵体和溶酶体等)解离成为小尺寸的纳米粒子。小纳米粒子可有效逃脱细胞内吞途径而进入细胞质中。在表面寡聚赖氨酸的介导下,细胞质中的小纳米粒子经由细胞核孔复合物进入并特异性地在细胞核内聚积。进一步的研究发现,细胞核内的DNA可通过静电引力与小粒子相互作用,促使小粒子在细胞核内释放具有高细胞毒性的铱的复合物。毒理研究表明,LINP可有效引起癌细胞的凋亡,凋亡过程依赖于Caspase-3途径。2.荧光素-寡聚4-乙烯基苯基磷酸／金纳米探针的溶酶体特异性标记以及在细胞外酸化诱导的溶酶体细胞内迁移方面的应用研究设计并合成了具有酯酶响应性和细胞膜表面清道夫受体可识别的阴离子型荧光素-寡聚4乙烯基苯基磷酸分子,将该分子修饰在16-nm金球的表面,制备得到纳米探针(Au@OVP-Fluo)。由于中心金纳米粒子对壳层荧光素的淬灭,Au(?)OVP-Fluo不发射荧光；然而,当环境中存在酯酶时,酯酶将水解释放壳层的荧光素,从而消除了中心金纳米粒子对荧光素的荧光淬灭,导致纳米探针的荧光呈现显著的增强。当与DU145细胞共培养时,Au@OVP-Fluo被细胞表面清道夫受体识别,经由质膜微囊/肌动蛋白微丝途径进入细胞并显著蓄积在溶酶体中。由于溶酶体是整个内吞途径中唯一含有多种水解酶的场所,位于溶酶体内的Au@OVP-Fluo发射较强的荧光,从而特异性地标记出了细胞内的溶酶体。Au@OVP-Fluo是第一个基于纳米粒子和溶酶体水解酶响应的活细胞溶酶体特异性探针。进一步的研究发现,对于多种类型的癌细胞(DU145、MCF-7和HeLa)而言,当细胞外环境为中性时(e.g.,pH 7.34),细胞内的溶酶体均分布在细胞核附近区域,且分布较为集中。然而,当细胞外环境pH降低时(e.g.,pH 6.63),上述癌细胞内的溶酶体均由细胞核附近区域向细胞膜附近区域迁徙,迁徙长度达4-6μm。由于细胞外环境酸化是肿瘤的主要特征之一,相信对溶酶体在细胞内的运动行为的研究,可能给癌症的诊断和治疗提供一种新的思路。