近年来,癌症不断威胁着人类的健康,已经成为世界上最主要的死亡原因之一。目前,临床抗肿瘤的治疗方法主要为以下几种:手术切除、化疗和放疗,但是这几种治疗方法都存在着一定的局限性,病人在治疗过程中往往会承受巨大的痛苦,而且治疗效果也不尽理想。近年来,光热治疗（photothermal therapy,PTT）凭借其局部、高效、副作用小等优势在肿瘤治疗领域引起极大关注。使用该方法进行治疗时,光热转化剂能够将近红外光的能量转化为热能,使局部温度上升至有效治疗温度范围内,并利用肿瘤组织和正常组织温度耐受力的差异,在不损伤正常组织的前提下,达到杀灭肿瘤细胞的目的。同时,在肿瘤治疗过程中,对肿瘤部位的诊断与监测也非常重要。目前临床常用的成像手段主要包括光声成像（photoacoustic imaging,PA）、正电子衍射成像（positron emission tomography,PET）、计算机断层扫描（computed tomography,CT）、光学成像（optical imaging）和磁共振成像（magnetic resonance imaging,MRI）。由于各种成像技术原理的不同,每种成像技术对疾病的诊断都有其独特的优势和不足,在临床诊断中,人们通常需要结合不同成像结果对肿瘤部位进行确认。随着现代纳米技术在生物医学领域的应用与发展,多功能纳米载药系统的出现为肿瘤的治疗提供了更多的思路和可能。不同的纳米材料具有很多独特的性能,如较强的光响应、声响应、磁响应等等,这些都可以提高成像的分辨率和灵敏度,为癌症的精准治疗提供更为准确、全面的信息,使多模态成像技术引导的可视化肿瘤治疗得以成功实现。同时,人们发现通过改变纳米载体的粒径,不仅可以通过增强渗透和滞留效应（enhanced permeation and retention effect,EPR效应）将纳米载体靶向运送到肿瘤部位,同时还可以延长其在体内的循环时间,提高纳米载体和药物的生物利用效率。在纳米载体表面,我们还可以修饰具有主动靶向性的靶标或者“门控”分子等结构,从而实现对药物的控制释放。因此,这些可塑性强、生物毒性小、稳定性好的多功能纳米载药系统,同时还具备药物呈递、分子成像、肿瘤靶向和癌症治疗等功能,目前已成为纳米生物医药领域的研究热点之一。在这些新兴的成像技术中,MRI已被广泛用于细胞和亚细胞水平的早期诊断和治疗评价,是目前最重要的临床无创诊断技术之一。由于具备良好的软组织对比度,MRI可以提供具有较高的空间分辨率的高质量组织三维图像。MRI的基本工作原理是通过缩短水质子的纵向弛豫时间（T₁）或横向弛豫时间（T₂）,提高对质子周围微环境敏感的弛豫率,从而提供有关微环境的信息。目前研究人员已经开发出两种类型的MRI造影剂:纵向弛豫时间（T₁）造影剂和横向弛豫时间（T₂）造影剂。氧化铁纳米粒子是临床上首次应用的T₂造影剂被动靶向或血池成像,但其获得的磁共振信号往往容易与钙化、出血、金属沉积等伪影信号混淆。相比之下,T₁造影剂——钆（Gd）螯合物如Gd-DOTA、Gd-DTPA等则成为主要的临床磁共振成像试剂。但有时,钆螯合物可释放一定量的游离钆离子,这些钆离子可以抑制钙通道,诱导心血管疾病,甚至具备一定的神经毒性。因此,近年来,研究人员研究了多种具备高纵向弛豫率、小摄入剂量、低细胞毒性的钆基无机纳米粒子,如碳酸盐基（Gd₂（CO₃）₃）、氟化物基（Gd F₃和Na Gd F₄）、氧化钆（Gd₂O₃）。在这些纳米粒子中,氧化钆因其具有高纵向弛豫时间相对比值（r₁）、低成本、易合成等特点,成为最受欢迎和关注的一种新型T₁造影剂。许多研究已经证实,Gd₂O₃纳米颗粒表面的钆离子可以提供全部7个未配对电子与水质子进行水合作用,协同诱导水质子的纵向弛豫,从而提高弛豫率。更重要的是,具有超小直径的Gd₂O₃纳米颗粒由于其高表面体积比（S/V）,使其可以在较小体积中集中大量的磁性离子,从而提供高的信噪比值。然而,由于Gd₂O₃纳米颗粒的超小粒径,在血液循环过程中其往往倾向于蓄积在肾脏中而不是肿瘤中,这大大阻碍了其在抗肿瘤治疗中的应用。因此,本研究主要聚焦于基于超小Gd₂O₃的多功能纳米载药系统在多模态成像引导的可视化抗肿瘤治疗方面的研究与应用。本文分别构建了（一）聚合物基的聚吡咯（PPy）包载超小氧化钆Gd₂O₃@PPy纳米颗粒,同时负载铝酞菁与透明质酸用于多重成像引导的光热与光动力学对癌症的联合治疗;（二）可降解的二硫化钼包载的BSA-超小氧化钆纳米载药系统,用于PA,CT和MR三模态成像引导下对癌症的光热与放疗联合治疗;并分别深入探究了两种载药系统的形态结构、粒径大小、电势电位、药物包载与控释、体内外多模态成像与光热效果,以及联合抗肿瘤的治疗效果、生物安全性评价等。通过多模态成像引导的可视化抗肿瘤联合治疗,多功能纳米载体为肿瘤治疗提供了新思路和方法。一、构建高分子聚合物为基础的包载超小氧化钆的纳米载体,并验证其荧光、PA和MRI多模态成像引导的光热与光动力学对癌症的联合治疗。在对超小Gd₂O₃的研究中我们发现,研究人员曾尝试用不同的方法对超微小的Gd₂O₃纳米粒子进行修饰,如将其吸附在氧化石墨烯纳米复合材料C-C表面,或者采用牛血清白蛋白将Gd₂O₃与其他具有诊疗功能的分子或纳米颗粒结合在一起。本研究中我们首次引入聚合物聚吡咯对Gd₂O₃纳米粒子进行包覆。聚吡啶作为一种新型的近红外光吸收剂已被许多研究小组广泛探索,被证实具有较高的光热转换效率和良好的生物相容性。更重要的是,PPy具有巨大的潜力可以作为一种基于聚合物的光声成像的光学造影剂,即使在几厘米深的组织器官当中,也可以提供高对比度的组织结构信息。因此,Gd₂O₃@PPy纳米载体的设计不仅可以增加整个纳米载体的大小,使其基于增强通透性和保留效应更适合肿瘤靶向,而且可以将磁共振成像和光声成像相结合,从而提高体内光热治疗的“精准性”、“准确性”。在实验过程中我们发现Gd₂O₃@PPy纳米载体在生物介质中的稳定性有待提高,同时我们了解到透明质酸（Hyaluronic acid,HA）是一种由N-乙酰-D-葡萄糖胺和D-葡萄糖醛酸组成的天然多糖,存在许多活性官能团,如羧基和羟基,具有良好的亲水性和良好的生物相容性,可以帮助固定人体内的水分子。此外,HA已经被证实可以提供活性肿瘤靶向配体,结合癌细胞膜表面过表达的受体,如CD44受体。因此,在本研究中,我们决定引入HA来增强Gd₂O₃@PPy纳米载体的生理稳定性以及肿瘤靶向。由于单一的光热治疗在抗肿瘤治疗中的效果相对局限,本课题拟将第二代光敏剂——酞菁铝（Aluminum phthalocyanine,Al Pc）与PPy表面结合的,实现光热治疗和光动力治疗的联合抗肿瘤治疗。与此同时,由于Al Pc与PPy之间的π-π堆积和疏水相互作用,Al Pc的荧光将在一定程度上猝灭。而在近红外光照射后,PPy会产生光热作用,进而引起聚合物链的热振动增加,从而减弱与Al Pc分子的结合,促进共轭Al Pc的释放和解猝灭,从而可通过荧光成像实现实时监测。在本研究中,我们设计合成了基于聚合物的Gd₂O₃@PPy/Al Pc-HA纳米粒子,实现了FL/MR/PA成像引导与光热/光动力联合抗肿瘤治疗,此纳米载体具有一些独特的优势:（1）采用低成本、温和的方法合成的超小Gd₂O₃纳米粒子具有较高的T₁相对比值和信噪比;（2）Gd₂O₃@PPy的设计不仅可以增大纳米载体粒径,有利于基于EPR效应增强肿瘤靶向选择,而且可以降低Gd₂O₃纳米颗粒的细胞毒性。同时,Gd₂O₃@PPy不仅具有较高的光热转换效率,而且具有很大的光声成像潜力;（3）基于HA的肿瘤靶向配体活性以及生理稳定性,引入HA可增强纳米载体的肿瘤靶向效果和生理稳定性。此外,HA网状结构中富含氢键,可以保留纳米颗粒表面的水分子,进而增加弛豫率;（4）Al Pc不仅可以作为光敏剂来实施PDT效应,同时也可以作为荧光成像剂来显示纳米载体的分布。经过体内外实验证明,Gd₂O₃@PPy/Al Pc-HA纳米粒子具有明显的低细胞毒性和增强的抗肿瘤作用,不仅有望应用于FL/MR/PA实时监测成像引导的抗肿瘤治疗,而且在体外细胞研究和体内动物实验中均取得了良好的协同治疗效果。二、构建可降解的二硫化钼包载的BSA-超小氧化钆纳米载药系统,并探究其在PA,CT和MR三模态成像引导下对癌症的光热与放疗联合治疗效果。近年来,随着多功能抗肿瘤纳米颗粒受到了越来越多的关注,有研究学者认为临床诊断和治疗中理想的抗肿瘤纳米载体应满足几个要点:高效靶向肿瘤效果,尽量减少在正常组织和器官中的积累,充分发挥各项功能。因此,设计制备一种可快速从体内排出或降解为无毒产品的纳米载体具有重要意义。随着纳米技术的发展,研究人员发现,超小型（<6nm）的纳米载体更容易在肾脏内积累,然后通过肾脏系统被清除,从而避免在正常组织和器官中积累。此外,以蛋白质为基础的纳米颗粒也能被肝胆系统有效清除。牛血清白蛋白（BSA）和铁蛋白已被研究人员作为空心纳米载体用于携带金属簇或金属氧化物进行磁共振成像（MRI）或荧光成像。在之前的研究中我们发现超小Gd₂O₃纳米粒子是一种,具有高T₁相对比值（r₁）、高灵敏度、易合成等特点的钆基的无机纳米粒子,可以用作磁成像造影剂。因此,在此研究中我们报道了一种Gd₂O₃混合BSA基纳米粒子,它不仅具有较高的纵向弛豫率,而且具有良好的生物相容性和清除能力。同时,钆作为一种高质子数元素,已经被研究人员证实可以诱导x射线,增强放疗效果。在增强放疗效果的材料中,二维（2D）纳米材料（如WS₂、WSe₂、Mo S₂、Mo Se₂、Mo O_x等）以其独特的电子、光学、机械和化学性能引起了人们的广泛关注。考虑到这些二维纳米材料同样具有高的近红外吸收能力,最近的报道中已经证实了Mo S₂、WS₂和Mo O_x可用于光热治疗（PTT）。同时研究人员发现二硫化钼可通过二硫键（-S-S-）与二氧化硅纳米球连接,在与细胞内谷胱甘肽（GSH）发生反应后,可诱导二硫键的裂解,从而达到药物控释的效果。因此,我们通过二硫键修饰Gd₂O₃/BSA纳米粒子,在连接二硫化钼后用于多光谱光声层析成像（Multispectral optoacoustic tomography,MSOT）/CT/MRI引导的光热/放疗联合肿瘤治疗。在本研究,我们将蛋白包裹的Gd₂O₃/BSA纳米颗粒与Mo S₂连接,并用HA修饰,可用于MSOT/CT/MR三模态成像引导光热/放疗联合肿瘤治疗,同样具有许多独特的优势。首先,此纳米载体具有较高的T₁相对比值和较高的质子数值,可被用于MR成像和放疗;BSA不仅提供了许多官能团用于连接二硫化钼和HA,此外,蛋白质作主体的纳米粒子被验证可以通过肝胆系统被清除;用于MSOT/CT成像引导的光热治疗/放射疗法联合的二硫化钼和用于提高纳米颗粒的生理稳定性和肿瘤靶向性的HA均通过二硫键连接在BSA表面,细胞摄取纳米粒子后,在GSH作用下,纳米颗粒表面和内部的-S-S键会全部断裂,从而导致纳米粒子的破碎。所有碎片均可通过肝、胆和肾脏系统迅速地从体内中清除。在体内外实验中,我们发现Gd₂O₃/BSA@Mo S₂-HA纳米粒子不仅具有较强的肿瘤摄取效应,同时具有GSH介导的清除能力,可应用于MSOT/CT/MR成像引导下PTT/RT协同抗肿瘤治疗。