基于肿瘤微环境调控的抗肿瘤纳米材料设计和机制研究

项目名称：基于肿瘤微环境调控的抗肿瘤纳米材料设计和机制研究首席科学家：聂广军国家纳米科学中心起止年限：2012.1至2016.8依托部门：中国科学院一、关键科学问题及研究内容1、关键科学问题本项目围绕设计、构建调控肿瘤微环境的功能纳米材料去改善肿瘤生存环境、抑制肿瘤细胞的快速生长和恶性程度、提高乳腺癌和胰腺癌等恶性肿瘤的治疗效果这一中心目标，拟解决以下三个关键科学问题：1）具有调控肿瘤微环境的环境响应型高效低毒功能纳米材料的设计与构建问题,重点是肿瘤微环境响应与纳米特性之间的关系问题；2）功能纳米材料与肿瘤间质和间质细胞的相互作用，重点是功能纳米材料抑制和逆转肿瘤恶性表型的作用机理问题；3）具有肿瘤微环境调控功能的纳米材料的“效能-代谢行为-安全性”之间的平衡问题。2、主要研究内容（1）肿瘤微环境响应型功能纳米材料的设计、合成及表征①纳米材料设计、制备和表征：根据构建具有调控肿瘤微环境生物特性的纳米药物系统的需要，采用生物材料学、高分子和有机合成等方法和原理，通过分子设计、改性和修饰等技术，制备性能可控的多功能新型医用纳米材料，包括碳纳米材料、聚合物类纳米材料（如两亲性聚合物、DNA和肽类）、有机-无机杂化类纳米材料（例如贵金属和生物分子杂合等）等，并对其各种理化特性进行表征。满足对课题二、三、四中肿瘤微环境特殊生物学特征（如组织缺氧，低pH值，大量产生特殊蛋白水解酶等）进行识别和响应的功能纳米材料的需求。②多功能纳米材料的设计和构建：针对肿瘤微环境的生物学特性，挑选已有大量工作基础和具有重大科学突破的纳米材料，以微环境的生物标志物（如胶原纤维、血管内皮生成因子、生长激素、细胞黏附分子受体-整合素、成纤维细胞标志物等）为靶点，设计多功能纳米材料；通过在合成过程中控制表面配体种类、合成后表面化学修饰等策略，调控所制备的纳米材料的界面结构；通过化学键合、生物亲合等途径实现无机纳米颗粒与生物功能分子间的可控偶联，调控无机纳米材料表面生物功能分子的种类、数量和性能，构建能够调控上述肿瘤微环境中重要的生物学过程、从而逆转肿瘤组织的恶性表型或阻止肿瘤转化的多功能纳米材料；探索和总结纳米材料表面修饰和性能调控的规律。③利用纳米材料自身的抗肿瘤特性，设计和构建多功能纳米材料：根据肿瘤微环境的需要，采用纳米异质杂合、有机衍生、自组装等方法，充分发挥纳米结构自身的抗肿瘤特性，设计、构建兼具特殊纳米特性（例如功能化富勒烯的抗肿瘤活性），以及物理（如光、热、磁等特性）和生物抗肿瘤疗效（小分子药物、治疗性抗体等重组蛋白药物、多肽药物、细胞因子、siRNA等）协同效应的多功能纳米材料，并对其理化特性进行表征。④理论模拟和计算：通过分子模拟和理论计算，设计并优化与肿瘤微环境相互作用的多功能纳米材料；研究这些纳米材料的药物输送、响应调控、扰动肿瘤微环境等能力，并对这些纳米药物剂型的理化特性进行表征，同时也为实验合成提供理论依据。（2）功能纳米材料与肿瘤细胞外基质的相互作用——对肿瘤恶性表型调控作用研究①功能性纳米材料与胶原蛋白的力学相互作用影响肿瘤恶性表型的机制研究：通过建立三维立体培养体系，获取功能化纳米材料影响胶原纤维聚合状态、卷曲程度、刚性程度及流变性质的相关定性与定量参数，定量检测细胞核应力及变形程度，探索纳米材料与胶原蛋白的机械力学作用如何影响所培养肿瘤细胞的生物学行为及其相应的分子机制，并在整体动物水平上验证相应的结果。初步建立新型生物纳米材料调控胶原蛋白的生物学性质，逆转肿瘤恶性表型的机械力学模式、细胞行为改变、信号传导途径、表观遗传学修饰、基因表达变化及营养代谢变化的崭新理论体系。②功能性纳米材料与跨膜蛋白整合素相互作用影响肿瘤恶性表型的机制研究：通过建立三维立体培养体系，在单分子水平及细胞水平研究功能性纳米材料(结合有多肽药物或靶向整合素抗体药物)与跨膜蛋白整合素胞外部分的相互作用机制；通过检测整合素的聚合状态、整合素直接关联的细胞骨架的重组、相关激酶类的活性状态，探索新型功能性生物纳米材料籍由与整合素的作用，逆转肿瘤恶性表型的细胞行为改变、信号传导途径变化的过程，进而在动物体内整体水平验证相应的结果并揭示其分子机制。③功能性纳米材料与细胞外基质中生长因子相互作用影响肿瘤恶性表型的机制研究：研究功能性纳米材料与细胞外基质相互作用，调控生长因子的表达与分泌的分子机制。探讨结合有生长激素抑制剂等重组蛋白药物的功能性纳米材料，通过靶向肿瘤微环境中的自分泌/旁分泌生长激素等生长因子，抑制肿瘤细胞的恶性增殖、转移及新生血管生成的功能与机制。在此基础上，进一步揭示自分泌生长激素等来源于肿瘤微环境的生长因子，在肿瘤侵袭中与细胞外基质分子和其它促癌生长因子、促血管生成因子的协同作用与交叉调控机制。同时利用生长激素等转基因小鼠模型，研究功能性纳米材料的肿瘤抑制效果与分子机制。（3）功能纳米材料与肿瘤间质细胞的相互作用——降低肿瘤细胞恶性程度研究①肿瘤微环境可视化的原创纳米技术：针对肿瘤间质细胞（新生血管内皮细胞和间质成纤维细胞）的分子标志物和生物特性，利用课题一设计、合成的具有光、磁及催化效应的多功能纳米材料，与特殊的分子标志物偶联，建立可实现乳腺癌早期检测及肿瘤微环境可视化的原创技术。②功能纳米材料抑制新生血管内皮细胞的作用机制研究：以特异表达在新生血管内皮细胞的血管内皮细胞粘附分子CD146为靶标，将治疗性抗体AA98等与课题一构建的纳米材料偶联制备新型功能纳米材料，探索其抑制乳腺癌生长转移的分子机理；在此基础上揭示CD146在肿瘤血管生成中与其它促血管生成因子的交叉调控机制。同时利用CD146特异性敲除的荷瘤动物模型，研究功能性靶向纳米药物系统与乳腺癌和胰腺癌组织内新生血管内皮细胞相互作用的分子机制。③功能纳米材料调控肿瘤成纤维细胞的作用机制研究：以肿瘤间质成纤维细胞的特异标志物为靶标，利用课题一构建的功能性纳米材料，实现对该类细胞的特异性结合与功能调控；研究新型纳米材料对成纤维细胞合成、分泌细胞外基质（ECM）、炎症因子、金属基质蛋白酶（MMPs）等的影响，阐明新型纳米材料通过调控成纤维细胞而改变肿瘤微环境、影响肿瘤细胞增殖及迁移、侵袭的作用途径与分子机理。（4）功能纳米材料的药效学、代谢行为及安全性研究①针对课题一、二、三筛选出的2-3种具较好应用前景的纳米材料，选取乳腺癌或胰腺癌的体内及体外模型，进行全面的短、长期体内、外药效学研究。考察药理作用的强弱和范围(量-效关系、时-效关系)，明确纳米材料的有效性和优效性。②针对课题一、二、三筛选出的纳米材料，在动物体内及细胞内同步可视化定性、定量、“时-空耦合”进行纳米材料的代谢行为研究。研究纳米材料在体内、肿瘤微环境内、靶细胞内的分布和代谢动力学，以及在体内跨越生物屏障的机制。同时并考察纳米材料作为化疗辅助药物对原化疗药物代谢行为的影响，以及协同增效后是否会产生新的生物安全性问题。③总结归纳纳米材料各种理化性质和功能化修饰对其在体内、肿瘤微环境内及靶细胞内的代谢动力学、靶向性、环境响应性及药效的影响。从动物整体水平、细胞水平、分子水平等不同层次上，研究纳米材料在肿瘤微环境中的药物释放动力学，药物释放过程中纳米材料的自身行为特点，纳米特性对细胞内膜囊泡输运和细胞器靶向的影响；归纳不同理化特性的纳米材料与靶细胞和靶分子（细胞外基质成分、靶蛋白、靶基因）的作用特点及规律，阐明其“性能-代谢行为”规律。④结合核磁共振与色谱-质谱分析技术，建立适用于研究纳米材料生物效应的体液、细胞和组织原位定量代谢组分析方法，用于研究作用于肿瘤微环境的纳米材料对肿瘤细胞、肿瘤组织及动物整体代谢等多个层次的影响，在分子水平上阐明与纳米材料生物学效应相关的代谢网络和调控机制。二、预期目标1、总体目标面向国家在人类重大疾病和纳米生物医学领域的战略需求，针对肿瘤研究前沿和热点问题，拟通过本项目的实施，发展基于肿瘤微环境调节功能的、具有重要应用前景的功能纳米材料，为解决“病人长期带瘤生存并改善其生存质量”这一肿瘤治疗新策略中的关键科学问题提供基础理论支持。结合肿瘤学重大科学问题和纳米生物技术，设计并合成一系列具有自主知识产权、高效、安全的针对肿瘤微环境治疗的抗肿瘤功能纳米材料；在分子、细胞、组织和整体动物水平上揭示功能纳米材料调控肿瘤微环境、实现高效抗肿瘤的作用方式及其机理；阐明功能纳米材料的“性能-代谢行为-安全性”规律；在应用纳米技术改善乳腺癌和胰腺癌治疗现状的应用基础研究方面，取得一批重要的原创性成果；培养一批具有国际影响的学术带头人，提高我国纳米生物医药技术的国际竞争力。2、五年预期目标（1）在肿瘤治疗新策略方面①揭示功能纳米材料调控肿瘤微环境、实现高效抗肿瘤的机理，力争在纳米技术改善乳腺癌和胰腺癌治疗效果的理论上取得突破性进展。②采用高靶向、多靶点综合治疗肿瘤微环境的新策略，力争构建安全、长效，并具有抗肿瘤转移的功能纳米材料，力争在联合传统放化疗方法，及改善乳腺癌手术预后效果上取得突破。③研究设计一批具有潜在针对肿瘤微环境进行治疗的高效低毒的多功能纳米材料，为产生一批改善肿瘤治疗效果的、具有潜在应用潜力和临床开发价值的纳米前体药物奠定基础。（2）在研究成果方面①获得拥有自主知识产权，具有潜在应用价值的肿瘤微环境响应和调控型功能纳米材料6-8种；获得3种以上对乳腺癌及胰腺癌等恶性肿瘤具有显著抑制效果的高效低毒功能纳米材料。②针对肿瘤微环境中的重要靶标分子，建立可实现乳腺癌及胰腺癌早期检测及肿瘤微环境可视化监测治疗的原创技术。③在功能化纳米材料调控肿瘤微环境间质及间质细胞的分子机制上，阐明纳米材料和关键生物大分子的作用模式和分子理论模型，力争取得创新性的突破。④初步建立微环境调控型纳米材料的“抑瘤性能-代谢行为-安全性”评价体系，完成1–2个最具开发前景的抗肿瘤功能纳米材料的代谢过程与生物安全性研究。⑤取得一批具有国际影响的原创性成果，力争在国际重要学术刊物，包括在Science或Nature系列期刊上发表高质量论文100篇以上，申请国内外专利20-30项。⑥培养一批有国际影响的中、青年学术带头人和学术骨干，培养硕士研究生40名、博士研究生30名和博士后10名。三、研究方案1、学术思路围绕采用纳米技术，设计、构建高效低毒调控肿瘤微环境的抗肿瘤功能纳米材料，提高肿瘤治疗效果这一中心目标，结合拟解决的关键科学问题，确定本项目的学术思路为：重点针对两种肿瘤（乳腺癌和胰腺癌）的微环境特征，采用三种技术手段（微环境响应型靶向、多靶点综合治疗、可视诊断治疗一体化），构建六种以上具有全新结构和特性的功能性纳米材料，在多层次评价其代谢行为和安全性的基础上，实现显著提高乳腺癌和胰腺癌治疗效果的最终目标(学术思路见图1)。图1：项目的总体学术思路2、研究方案（1）肿瘤微环境响应型功能纳米材料的设计、合成及表征①针对设计、构建具有调控肿瘤微环境生物特性的功能纳米材料的需要，采用高分子材料学、生物材料学及有机合成等方法和原理，通过分子设计、改性和修饰等技术，合成高生物相容性的多功能新型医用纳米材料，包括碳纳米材料、聚合物类纳米材料（如两亲性聚合物、DNA和肽类）、有机-无机杂化类纳米材料（如贵金属和生物分子杂合等），并对其性状、结构、生物物理特性、环境响应特性等进行研究和表征。②针对肿瘤微环境的生物特性和特殊的生物信号，设计、构建对肿瘤微环境具有刺激响应性（包括酶响应性、pH响应性、温度响应性、还原响应性等）的纳米材料，用于靶向输运肿瘤微环境调控药物，对其在肿瘤微环境内刺激响应性产生的细胞内外药物释放行为进行表征；通过研究纳米材料及其输运的药物（胶原蛋白交联抑制剂、氧自由基清除剂、基因重组生长因子抑制剂、抗1整合素单抗）与胶原蛋白的机械力学作用，阻断整合素聚合，从而影响细胞外基质的聚合特性以逆转肿瘤恶性表型，研究纳米药物输运中的基本科学问题；以特异表达在新生血管内皮细胞的血管内皮细胞粘附分子为靶标，利用纳米材料的EPR效应，构建能够有效输运抗肿瘤血管单克隆抗体的功能纳米材料，改善药物的稳定性和非特异性，实现对肿瘤新生血管的靶向抑制作用