恶性肿瘤,即癌症,是威胁人类健康的重要杀手之一,目前临床上治疗肿瘤的主要手段是手术切除,化疗和放疗。但是他们都有着各自的局限性,严重限制了癌症的治疗效果。随着癌症患病人数的日趋增加和癌症死亡率的居高不下,新的治疗癌症的有效手段迫切需要被提出。在过去几十年的时间里,纳米技术在生物医学上的广泛应用为癌症的治疗带来了新的希望和机遇。利用纳米尺寸的运输载体将具有治疗效果的小分子药物递送到病灶部位,从而实现肿瘤的靶向性治疗。与传统的治疗方法相比,纳米药物由于其良好的肿瘤渗透和富集效应,药物利用率较大,治疗效果较好,副作用较小。目前已经有许多纳米药物在临床试验上取得良好的治疗效果。但是纳米药物在临床上的推广依然受到各种各样的限制,如药物输送的稳定性和特异性释放,药物的给药剂量和肿瘤的耐药性抵制等常见问题。肿瘤的光学治疗包括光动力治疗和光热治疗,由于其无创性,高度选择性和可控性近年来受到了广泛的关注。在本论文中,我们以肿瘤光学治疗为主要调控手段,以实现安全有效的肿瘤治疗为目标,提出了一种普适性的程序化治疗肿瘤的策略;探索了光动力或光热介导的肿瘤的特异性化疗和气体治疗,并利用气体治疗解决了化疗中常见的肿瘤耐药性问题,发现了气体治疗的新应用,丰富了肿瘤治疗的方式方法。本论文的研究内容主要如下:第一章阐述了肿瘤治疗的现状,分析了肿瘤的微环境和基于微环境响应的化疗,介绍了肿瘤的刺激响应性化疗,光学治疗,气体治疗以及他们相结合的联合治疗。第二章合成了一种含有苯硼酸酯的ROS响应的嵌段聚合物(PEG-PBAM),通过疏水作用包载化疗药物(Dox)和光敏剂(Hp)。该纳米粒可自组装成粒径约为150 nm的胶束,通过FPR富集到肿瘤部位,在低功率的可见光照射下(635 nm,5mW/cm2),光敏剂被激活,产生大量的ROS,不仅可以杀死细胞,还可以提高肿瘤细胞的ROS浓度,促使苯硼酸酯发生自消除,暴露出末端的胺基,改变嵌段聚合物的亲疏水性,破坏胶束的自组装,释放出Dox,实现光动力和化疗的协同抗肿瘤。第三章基于前面的思路,我们设计了一个ROS响应的核交联体系用于光动力治疗和化疗的协同抗肿瘤。首先,我们选用了具有良好生物相容性的聚磷酸酯(PEG-PBYP)作为载体,通过亲疏水作用包载药物(Dox)和光敏剂(Ce6),然后利用click反应,用含有缩硫酮(TK)的交联剂将载药胶束交联起来。交联不仅提高了胶束的稳定性(90-100nm),也提高了胶束的载药量(12%),使得胶束可以在体内长时间稳定循环(5.3 h),解决了药物的提前泄露。当胶束通过EPR富集到肿瘤部位时,光照(660 nm,5 mW/cm2)激活光敏剂,促使TK键断裂,胶束解交联,变得极其不稳定,释放出药物,实现精准的化疗和光动力治疗协同抗肿瘤。第四章利用一氧化碳(CO)来调控肿瘤细胞的氧气含量,特异性地激活生物还原类药物替拉扎明(TPZ)的活性,实现化疗的精准控制。首先,我们用FDA批准的介孔普鲁士蓝(PB)和羰基铁(Fe(CO)5)配位,合成了一个在可见光(808 nm,0.5 W/cm2)刺激下释放CO的纳米粒(PB-CO),然后将TPZ包载在介孔里面,通过层层自组装的方式,将阳离子聚合物(PAH),阴离子聚合物(PAA)包载在纳米粒表面,然后将胺基聚乙二醇(PEG-NH2)共价连接到纳米粒表面,增加纳米粒的水溶性和稳定性。当纳米粒PPPPB-CO-TPZ通过EPR富集到肿瘤处时,在微弱的光热效应下(42℃)可以释放出CO,然后CO进入线粒体,扰乱线粒体的代谢活动,加剧肿瘤细胞的乏氧程度,激活TPZ的活性,另外一方面,线粒体代谢活动的改变也会激活自身调节的细胞死亡途径(Caspase 3),从而实现气体治疗和化疗的联合抗肿瘤。第五章我们探讨了CO改变线粒体代谢行为对肿瘤多药耐药性的逆转。化疗失败的一个主要原因是肿瘤的多药耐药性,造成肿瘤多药耐药性的主要原因之一是药物的外排,而外排药物需要大量的能量(ATP)供应,线粒体是细胞的能量供应厂。在研究CO激活TPZ的过程中,我们发现CO激活TPZ的活性是通过加速线粒体代谢引起的,而过分活跃的线粒体最终会走向死亡,影响细胞内ATP的合成,最终阻断药物的外排,逆转肿瘤的多药耐药性。我们用第四章设计的体系来递送CO和化疗药物Dox,然后在微弱的光热效应下(42℃)释放出CO,扰乱线粒体的代谢活动,阻止细胞内ATP(<40%)的合成,增加细胞对化疗药物的敏感性,普通MCF7细胞的药物IC50为2.5 μg/mL,MCF7/ADR细胞的药物IC50为45 μg/mL,但是 CO 处理 MCF7/ADR 之后,5 μg/mL 的 Dox 处理 MCF7/ADR 细胞,48 h后就可以发现明显的细胞杀伤力,从而证明了 CO对肿瘤多药耐药性的逆转。在MCF7/ADR动物上的抑瘤实验,我们发现在21天内,实验组的肿瘤体积基本维持不变,甚至略微减少。从肿瘤切片染色的实验中发现,药物在CO处理之后的进细胞核的能力明显增强,说明了 CO处理后细胞耐药性的逆转。第六章我们设计了一个ROS响应的CO递送系统用于增强光动力治疗。在二三章我们都用到了光动力治疗来调节肿瘤细胞的微环境。光动力主要通过ROS来发挥疗效,但是ROS的作用时间只有20 ns,活动半径只有40 nm,这些瞬时快速的性质都限制了光动力作用的效果。人们在研究光动力作用细胞通路的时候发现光动力与线粒体密切相关,所以人们设计了许多靶向线粒体的光敏剂递送体系来增加光动力治疗。基于前面CO的机理研究,我们发现CO的作用场所是线粒体,CO可以极化线粒体膜电位,打开线粒体通透性转换孔,使得更多的光敏剂富集到线粒体内,缩短ROS能量传递的时间和距离,提高光动力治疗的效果。在本章中我们用生物相容性较好的白蛋白(HSA)作为CO的递送载体,将光敏剂共价到白蛋白上(HSA-CO-Ce6),自组装成100 nm左右的纳米粒。超声成像(US)发现,只有光照(660 nm,5mW/cm2)之后才可以促使CO的释放,回波信号明显增强,体外的抗肿瘤实验发现协同了 CO的实验组,光动力效果大大提高,同时,光动力的增强伴随着ROS的增加,增加的ROS可以反过来促进CO的释放,二者之间形成闭口循环,相互促进,相互增强。同样4T1原位小鼠模型的抑瘤实验也证明了CO对光动力治疗的增强,在治疗期间内,实验组的瘤体积基本维持不变,甚至略微减少。第七章总结了博士论文并展望了今后的工作。综上所述,在本博士论文中,我们提出了一种程序化治疗肿瘤的策略,系统研究了肿瘤微环境响应的程序化控制药物释放的应用。我们发现,通过肿瘤的光学治疗调控可以特异性地实现肿瘤的化疗和气体治疗的联合应用,减少治疗的副作用,提高治疗效果;然后将肿瘤的气体治疗和化疗连用,克服肿瘤的耐药性,提高化疗的成功率;利用气体治疗的绿色性,实现低功率下的高效肿瘤光学治疗。本论文的研究为癌症的治疗提出了一个普适的策略;并且扩展了癌症治疗的方法,为后续开展绿色、安全、高效的治疗提供了一定的参考。