纳米材料作为荧光探针或者药物载体,为癌症的诊断和治疗开辟了一条新的道路。近年来,研究者们系统地探究了纳米载体的物理化学性质(尺寸、形貌、表面电荷、表面化学修饰、表面拓扑结构等),对细胞摄取、细胞内吞机制、活体组织分布、代谢以及生物安全性等方面的影响,获得了显著的成果。然而,对纳米药物形貌影响抗癌效率和活体安全性的研究,纳米成像材料的表面粗糙程度影响细胞摄取、内吞机制的研究,以及对有机纳米荧光染料的生物安全研究等,都是较为缺乏的。本论文针对上述问题进行系统地研究,具体工作内容和结论概括如下:1、我们制备了棒状和球状两种形貌的10-羟基喜树碱(HCPT)纳米药物(HCPT NRs和HCPT NPs),研究了纳米药物的形貌对抗癌效率及活体毒副作用的影响。首先,通过对比两种不同形貌的纳米药物对细胞摄取、细胞毒性及肿瘤治疗效果实验,我们发现HCPT NRs比HCPT NPs更容易被细胞摄取,且有更好的肿瘤治疗效果。然后,我们着重探究了不同形貌的纳米药物对正常活体的毒副作用。实验结果显示小鼠对HCPT NPs的最大耐药量为8 mg/kg,而对HCPT NRs的最大耐药量仅为5 mg/kg。血常规血生化实验发现,分子态HCPT具有急性的肝脏和肾脏损伤,HCPT NRs具有长期的肝脏毒性。然而,HCPT NPs只在短期时间里影响小鼠的白细胞(WBC)和白蛋白(ALB)等血液指标,表现出较温和的毒副作用。本文实验数据表明,HCPT NPs不仅具有较好的抗癌效率,而且对活体毒副作用较轻,使其更适于临床应用。我们的研究成果给未来纳米药物的设计,平衡考虑抗癌效率和毒副作用之间关系,具有重要的意义。2、我们在染料纳米颗粒(NPAPF NPs)的表面包裹一层薄的二氧化硅外壳(NPAPF NPs@SiO2),改变了NPAPF NPs的表面电荷及表面粗糙度,系统地研究了染料纳米颗粒表面电荷和表面粗糙度对细胞摄取、内吞机制及纳米颗粒在细胞内“命运”的影响。实验发现,虽然染料纳米颗粒表面电荷由负到正的改变会影响细胞对其的摄取,但其表面拓扑结构由光滑到粗糙的改变,对提高细胞摄取起到了更为突出的作用。同时,我们发现因为表面粗糙程度的变化,影响了细胞摄取NPAPF NPs@SiO2的机制,由原来网格蛋白和小窝蛋白协同介导摄取NPAPF NPs的内吞机制,改变成不依赖网格和小窝蛋白介导的内吞机制。此外,由于内吞机制的变化,使得NPAPF NPs@SiO2进入细胞后可以逃逸溶酶体的捕获、不易被细胞“清除”出细胞外。本文实验数据表明,通过调控成像材料的表面拓扑结构,改变了细胞的内吞机制,从而提高了细胞对其摄取,获得更理想的成像效果。我们的研究成果,对设计纳米成像材料以用于细胞长时间、实时示踪成像应用,有着重要的指导意义。3、我们将NPAPF NPs用PEG修饰后(NPAPF NPs-PEG),系统地研究了纳米材料PEG表面修饰对细胞生物安全性的影响。我们实验发现PEG的修饰不影响肝癌细胞HepG2的摄取,但是很大程度地降低正常肝细胞HL-7702的摄取。细胞MTT实验和细胞凋亡实验数据显示,NPAPF NPs在浓度达到40μM就会影响细胞正常,而100μM浓度下的NPAPF NPs-PEG才对细胞显示出轻微的毒性。细胞形态实验发现,100μM的NPAPF NPs孵育下,部分HepG2细胞的形态由梭形变为圆形。细胞活性氧(ROS)实验数据显示,两种材料都会不同程度地影响细胞内ROS水平,且NPs孵育的细胞ROS增高更明显。最后,我们通过溶酶体重叠实验发现NPs和NPs-PEG被细胞摄取后都进入胞内溶酶体,且都较容易被细胞“代谢”出胞外,这对减轻纳米材料的毒性作用有一定的帮助。我们的研究成果表明,纳米材料的表面PEG修饰可以提高其对细胞的生物安全性,对纳米成像材料的生物应用提供有用的信息。