恶性肿瘤严重危害人类健康,肿瘤治疗已经成为当前医学研究领域所面临的一个重大挑战。在目前的治疗中,化疗在肿瘤的综合治疗中占主导地位,但是化疗药物在肿瘤治疗过程中所引起的全身性毒副作用严重限制了其临床使用。近年来,纳米技术的出现为抗肿瘤药物设计提供了新思路。纳米技术融合生物学和纳米工程学,在肿瘤成像、肿瘤诊断和肿瘤靶向治疗等方面展现出了广阔的应用前景。纳米体系通过靶向性修饰,能将药物有针对性地递送到病变组织,提高治疗效果并减少对正常组织的毒副作用。目前,已有大量的纳米材料作为纳米载药体系而被广泛关注。其中,介孔二氧化硅纳米材料由于其具有明显的优势而被作为一种理想的载药体系。在本课题中,我们通过对该纳米材料进行功能化修饰,并作为化疗药物的传递系统,实现其在肿瘤治疗中的应用。具体研究结果如下:1、尽管金属配合物表现出潜在的抗肿瘤活性,并表现出巨大的前景,但是它们仍然存在不可避免的细胞毒性、细胞摄取率低以及不具有选择性等缺点。为了解决金属配合物的这一难题,在本课题中,我们设计合成出一种RGD多肽修饰的靶向二氧化硅纳米体系作为该类金属配合物的传递系统,实现了药物对肿瘤细胞和正常细胞之间的选择性,从而提高了药物抗肿瘤活性,并降低其毒副作用。RGD的修饰能大大提高该纳米体系通过整合素介导细胞吸收,从而实现药物对肿瘤细胞的靶向性。此外,该靶向纳米载药体系主要是激活了肿瘤细胞的死亡受体通路,进一步诱导ROS在细胞内的累积,从而引起DNA损伤,激活了p53、AKT以及MAPKs信号通路而诱导细胞凋亡,阐明了该纳米体系的抗肿瘤分子机制。2、肿瘤血管为肿瘤微环境提供必要的养料和氧气,对肿瘤的发生、发展和代谢起了至关重要的作用。因此针对血管形成的某些因子及其关键步骤进行干预可有望切断肿瘤血供及其转移途径,对肿瘤的治疗和防止肿瘤向远处转移有重要意义。因此,在该部分实验中,我们基于肿瘤细胞与血管内皮细胞的生物化学相似性,设计了双重靶向肿瘤与血管细胞的纳米体系,通过抑制血管细胞的生长来切断肿瘤细胞增殖所需营养,同时直接诱导肿瘤细胞凋亡,最终实现抑制肿瘤与血管生成。实验结果发现,该双靶向纳米体系在体内外双肿瘤模型和细胞共培养中,对肿瘤组织和肿瘤细胞表现出很高的选择性,并能有效的诱导肿瘤细胞凋亡,而减少对正常细胞的毒性。此外该纳米体系能通过激活p53信号通路诱导肿瘤细胞凋亡,从而抑制肿瘤生长和血管生成。3、目前,肿瘤的治疗手段仍然以手术切除、放射性治疗以及化学药物治疗为主。放射线虽然对肿瘤细胞具有较直接的杀死和抑制效果,但是由于肿瘤处于低氧环境中,使得单独的放疗无法彻底根除肿瘤细胞,反而使肿瘤对X射线产生耐受而不敏感。因此,设计合成一种高效低毒的放疗增敏剂并发挥其与放疗的协同作用具有重要意义。在该部分研究中,我们将二氧化硅纳米材料负载一种含硒氨基酸,同时将细胞穿膜肽和转铁蛋白共价连接到高分子聚合物PLGA上,并将其对二氧化硅纳米载药体系进行包裹,得到一种多功能纳米载药体系,实现对放疗的增敏效果。实验结果发现,该纳米体系能有效的协同放疗增强X射线诱导的肿瘤细胞凋亡,并且主要是激活细胞内死亡受体介导的信号通路。此外,在X射线的照射下,Se C@MSNs-Tf/TAT能促进细胞内ROS的大量累积,从而激活下游AKT和MAPKs信号通路,并引起细胞内DNA损伤介导的p53信号通路的激活,同时能抑制细胞的自我损伤修复功能,最终诱导细胞凋亡。Se C@MSNs-Tf/TAT同能有效的通过激活体内肿瘤组织中p53介导的细胞凋亡,从而抑制小鼠体内荷瘤生长,且在有效抗肿瘤浓度下对小鼠无明显毒性,说明所设计合成的多功能纳米体系Se C@MSNs-Tf/TAT能作为一种高效低毒的放疗增敏剂实现体内外肿瘤同步放化疗的应用。4、由于纳米材料特殊的尺寸和形貌,使得它相比于宏观尺度的材料具有很多特殊的效应(小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等),并赋予了纳米材料广泛的应用前景。因此,在本课题研究中,我们通过对碱性催化剂类型和浓度的改变合成出不同尺寸大小的介孔二氧化硅纳米粒子,并研究了三种不同尺寸(20 nm、40 nm和80 nm)纳米载药体系对脑胶质瘤细胞的吸收、停留以及渗透进入血脑屏障能力的影响。实验结果发现,这三种不同尺寸的靶向纳米体系DOX@MSNs能显著提高单独DOX诱导脑胶质瘤细胞产生过量的ROS,从而增强其诱导肿瘤细胞凋亡的程度,提高了DOX的抗肿瘤效果,同时尺寸为40 nm的纳米体系表现出更优的效果。此外,这三种不同尺寸靶向纳米药物能有效地穿透血脑屏障,并被脑胶质瘤细胞吸收,提高单独DOX的抗肿瘤效果。同时能有效地摧毁脑胶质瘤细胞的血管拟态生成,从而增强其抗肿瘤效果。该纳米药物对肿瘤球生长是尺寸依赖性的,DOX@MSNs纳米体系对肿瘤球的渗透作用明显强于单独DOX,从而增强其对肿瘤球生长的抑制作用。综上所述,介孔二氧化硅纳米材料作为一种理想的化学药物载体,通过靶向修饰能有效的提高化疗药物的抗肿瘤活性以及对肿瘤细胞和正常细胞的选择性,进而减少药物的毒副作用。这种多功能纳米体系能同时实现对抗体内外肿瘤生长和血管生成,并能作为一种高效低毒的放疗增敏剂协同X射线提高抗肿瘤效果。并且,在本课题的研究中,我们也对这类靶向纳米体系的体内外抗肿瘤作用机制进行了清楚的阐述。因此,我们认为:本课题的工作为进一步开发靶点清楚、作用机制明确的新型靶向纳米药物或先导物在肿瘤诊疗中的应用提供科学依据。