疾病微环境智能响应诊疗纳米药物

来源：求是风采

项目简介

 本项目开发了一系列针对疾病部位微环境病理特征，可定点可控发挥药效的智能响应诊疗纳米药物，为肿瘤、神经退行性疾病以及心脑血管疾病等重大疾病的早期诊断和精准治疗提供了新的思路和策略。

 We have developed disease microenvironment-responsive nanomedicines that can achieve targeted in vivo delivery and locally amplified biomedical imaging and therapeutic efficacy, thus providing novel strategies for ultrasensitive diagnosis and effective treatment of nasty diseases including cancer, neurodegenerative diseases and cardiovascular diseases.

研究团队

 凌代舜课题组实验室成员合照

 项目负责人凌代舜为浙江大学“百人计划”研究员，国家优秀青年科学基金获得者，国家“青年千人计划”入选者，国家重点研发计划“纳米专项”青年科学家项目首席科学家，浙江大学生物医学工程与仪器科学学院兼聘教授，浙江省海外高层次人才引进计划浙江省特聘专家。凌代舜于2014年12月在浙江大学成立独立课题组，担任PI。经过五年多的团队发展，已搭建了完善的分子探针和纳米药物研究平台。团队充分利用药学和化学、材料学、医学以及生物医学工程等多学科交叉的优势，致力于通过材料表界面配体改性和诱导自组装来可控合成高灵敏/特异性的分子探针和纳米药物，进一步结合靶向递送、分子影像可视化和疾病微环境响应性诊疗功能放大等先进技术，在神经退行性疾病和肿瘤等重大疾病的早期诊断和精准治疗方面取得了系列化显著成果。相关成果在Nature Nanotechnol.、Nature Mater.、Nature Biomed. Eng.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Angew. Chem.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、ACS Cent. Sci.、Nano Today、Nano Lett.、Mater. Horiz.等国际学术刊物发表论文80余篇。

科学解读

图1. 疾病微环境智能响应诊疗纳米药物

为重大疾病的早期诊断和精准治疗

提供了新的思路和策略

 由于在磁学、热学、光学以及电学等方面具有独特的优势，功能性纳米材料在医学检测、诊断以及治疗等方面受到极大的关注。通过可控组装的方式，可以对功能性纳米材料的尺寸、形状、表面电荷、表面配体组成及表面化学等性质进行调控，从而改善其功能。然而，现有的大多数纳米组装体通常无特异性，在复杂的疾病微环境中难以有效调控实现早期精确诊断和高效安全治疗。而针对疾病部位的微环境特征，如pH，氧化还原梯度等，通过引入具有生物刺激响应性的配体介导组装，可以将功能性纳米粒子构建成疾病微环境智能响应诊疗纳米药物。这些智能响应纳米药物在外界环境的刺激下所发生的结构、电荷或组装行为等的改变，可以使其高效地在疾病部位富集并发挥诊断治疗效果，也很大程度上减少纳米粒子在生物体内的非特异性分布。因此，本项目致力于构建疾病微环境智能响应诊疗纳米药物，项目主要进展内容如下：

1.疾病微环境响应性超灵敏诊断。磁共振成像（MRI）作为一种非侵入性、无辐射、具有较高分辨率的成像技术，是目前临床上对肿瘤等疾病诊断与监测的主要手段。磁共振造影剂的使用可进一步强化肿瘤组织与正常组织之间的信号差异，以提高对肿瘤部位诊断的准确度。项目团队在前期研究发现超小氧化铁纳米粒子具有良好的生物安全性和MR T1成像对比效果（Nature Biomed. Eng., 2017, 1, 637）。基于此，设计合成了超灵敏的肿瘤微环境响应性超小氧化铁纳米粒组装体（IONAs）。通过热分解法合成了油酸修饰的超小氧化铁纳米粒子，通过柠檬酸、水合肼等亲水性小分子，对纳米粒子表面的油酸分子进行配体交换使其表面具有完全亲水性，然后通过一种三醛基小分子配体对纳米粒子进行化学交联形成IONAs。该IONAs中的氧化铁纳米粒子之间通过腙键化学连接，因此不存在低浓度下CAC的限制，进而可以在血液循环中（pH = 7.4）保持组装体的结构完整并且长循环富集于肿瘤组织。IONAs在到达肿瘤区域后被癌细胞高摄取，在溶酶体的酸性条件下（pH = 5.5）其氧化铁纳米粒子之间的腙键水解而解组装；之后亲水性小分子修饰的超小氧化铁纳米粒子能很好地与周围水分子进行有效接触，进而对肿瘤区域的MR信号进行非线性地放大，显著地提高了肿瘤组织与正常组织之间的对比度（Nano Lett., 2019, 19, 4213）。进一步，通过与临床上使用的含钆造影剂（GBCAs）进行系统性对比，项目团队研究证明超小氧化铁纳米粒子作为MR T1造影剂，有望避免目前临床上肾损伤患者因使用GBCAs而导致肾源性系统纤维化病变的风险（ACS Nano, 2019, 13, 6801）。近日，针对K+光学传感器选择性、灵敏度差且无法在自由移动动物体上成像的问题，项目团队设计合成了具有高选择性和灵敏度的K+纳米传感器，可以无创监测自由移动小鼠脑部K+动态变化情况，为退行性疾病的机制、神经冲动与行为之间关联等脑部奥秘的探索提供了一种新的策略（Nature Nanotechnol., 2020, DOI: 10.1038/s41565-020-0634-4）。

图2.疾病微环境智能响应诊疗纳米药物实现

非侵入性实时动态的脑部神经活动监测

 2.疾病微环境响应性精准高效治疗。感染性疾病中多种耐药菌株带来的难治性和抗生素治疗易引发的不良副作用，使细菌感染性疾病成为临床上极具治疗挑战性的疾病之一。其中，细菌生物膜的形成及其屏障作用是造成细菌耐药性的关键问题，因此，针对细菌生物膜的特异性治疗是克服耐药性、增强治疗效果的有效策略之一。在细菌感染治疗发展中，某些纳米材料以其独特抗菌活性引发了广大关注，例如银纳米粒子已被证明具有有效的抗菌应用。基于以上背景，项目团队设计了一种由自组装的银纳米簇和pH敏感的电荷逆转配体组装而成的细菌生物膜微环境响应性纳米抗生素（rAgNAs），其在细菌生物膜微环境中可以选择性地增强其杀菌活性，实现感染部位靶向增强的抗菌治疗。在中性生理条件下，rAgNAs由于其高胶体稳定性和表面负电荷在血液中实现长循环，并逐渐在感染部位的生物膜中积聚，然而，一旦进入酸性生物膜微环境后，即触发配体中的咪唑基质子化，导致电荷逆转，组装体解组装迅速分解成小的银纳米簇，此时浸出的银离子起到高效杀灭细菌的作用，这种细菌生物膜部位微环境响应性的变性解组装促进了rAgNAs在感染部位的积聚与保留，同时大大增强了杀菌活性（ACS Cent.   Sci., 2019, 5, 1366）。

 近年来，活性可控的仿生纳米酶在生物医药应用中也受到广泛关注，成为构建智能响应诊疗纳米药物的重要“原料”。在自然界中，生物酶的活性与其特定的结构密切相关。例如，当抗病毒酶APOBEC3G被蛋白酶体降解后，其对病毒DNA复制的酶促作用将会被抑制。受到生物酶三维空间结构与酶活性之间关系的启发，我们设想通过生物降解控制纳米酶结构，进而实现对纳米酶催化活性的精确调控。项目团队通过化学合成手段提高MoO3-x表面Mov比例和表面缺陷位点，使其具备CAT和OXD双重类酶活性。MoO3-x   NUs纳米酶在肿瘤微酸环境中高效催化“H2O2→O2→˙O2−”级联反应，产生大量˙O2−自由基高效zi杀伤肿瘤细胞；而一旦扩散至正常组织，MoO3-x NUs纳米酶快速生物降解并失去酶活性。也就是说，微酸性条件触发产生的细胞毒性的˙O2−和中性条件触发的氧化降解共同导致MoO3-x NUs在肿瘤组织中“高毒”，而在正常组织中“无毒”两种极端性质的智能选择性转换。可见，通过pH响应性生物降解实现纳米酶催化活性精确调控的新型策略，有望为构建催化活性精确可控的纳米酶提供新的思路（J. Am. Chem. Soc., 2019, DOI: 10.1021/jacs.9b13586）。

 除了疾病微环境响应型纳米药物，可以通过直接调控疾病微环境实现高效治疗作用的智能纳米药物也是纳米药物的重要发展方向之一。本项目团队针对缺血性脑卒中设计了一种新型仿生亚铁磁性氧化铁组装纳米链(MFIONs)，实现了对间充质干细胞（MSCs）相对高效和安全的基因重组，有效提高了脑源性神经营养因子的分泌水平，促进了MSCs向缺血的大脑回归，从而实现对缺血性脑卒中的高效治疗（Adv. Funct.   Mater., 2019, 29, 1900603）。针对糖尿病皮肤创伤难以愈合的难题，项目团队提出一种 “种子-土壤” 策略，利用氧化铈纳米团簇和antagomiR-26a纳米复合物组成的水凝胶改造氧化损伤微环境，促进创面再生与血管生成，从而加速了创面的愈合速度，显著促进了皮肤附属器的再生和胶原在创面的沉积（ACS Cent. Sci., 2019, 5, 477）。

总之，通过构建多种智能、可控、可变的纳米诊疗制剂响应和调控疾病微环境，本项目团队有望实现精准、安全、高效的疾病检测和干预，为复杂难治的重大疾病提供一种新的安全高效的诊疗策略。