近年来,癌症的个性化治疗一直处于研究的前沿。纳米技术的飞速发展也不断推动着纳米医学的发展。与此同时,许多应用于肿瘤诊断、治疗及诊疗一体的纳米平台应运而生。介孔硅基纳米材料具有高的孔容、均匀可调的孔径、易于功能化、界面效应、大的比表面积、易于掺杂的无定型骨架组成和良好的生物相容性等优势,在药物递送、基因治疗、分子影像、组织工程等纳米生物技术领域展示出了良好的应用前景。然而,其骨架不可控的降解性以及在体内的长期滞留行为都将造成严重且不可预估的毒性,极大地限制了其成功地临床转化。因此,设计和合成具有生物安全的骨架结构及成分组成的硅基材料刻不容缓。针对以上纳米医药领域的应用需求,本论文以纳米合成化学为基础,以形态粒径可控、生物可降解的介孔有机硅制备为起点,着力于非侵入性和生物相容性的封孔分子功能化设计,围绕构建基于介孔有机氧化硅的肿瘤诊疗一体化平台及其应用展开了系统性的研究工作,主要包括以下五个部分工作:I.功能化二硫化钼纳米片包裹介孔有机氧化硅载药系统用于乳腺癌的靶向协同治疗基于溶胶-凝胶法合成粒径均一、高分散的含硫醚键的周期性介孔有机氧化硅(PMOs),并利用其介孔装载化疗药物阿霉素(DOX)。随后,通过牛血清白蛋白(BSA)-叶酸(FA)修饰的二硫化钼(MoS2)纳米片包裹在该体系的表面,同时实现对孔道的封堵和主动靶向能力,从而构建出pH、光响应性的多重刺激-响应性主动靶向的纳米载药系统(PMOs-DOX@MoS2-PEI-BSA-FA)并用于光热转换及药物递送。制备的纳米复合物具有均匀的粒径分布(196 nm);高的药物装载能力(185 mg/g);优异的光热转化性能以及良好的生物相容性。体外细胞摄取实验证明纳米复合物可以靶向摄取到叶酸受体高表达的乳腺癌细胞内部。细胞毒性实验及动物体内模型治疗实验表明:在808 nm近红外激光的照射下,纳米载药系统可以有效地抑制肿瘤细胞及肿瘤组织的生长,表现出显著的光热和化疗协同治疗的效果,同时没有明显的毒副作用。本工作将有机氧化硅与二维纳米片进行复合,克服了硅纳米材料功能性单一的缺陷,为制备基于二维纳米片修饰的介孔有机硅复合物作了良好的铺垫。Ⅱ.A7R肽修饰、硫化银(Ag2S)负载的中空介孔硅纳米复合物的制备及用于近红外荧光/光声成像介导的肿瘤靶向协同治疗为了实现介孔硅纳米材料更高的药物负载及更敏感的刺激响应药物释放性能,在该部分实验中,我们基于“结构差异选择性刻蚀法”制备中空介孔硅纳米粒子(HMSs)。表面稳定连接靶向神经纤毛蛋白1(NRP-1)受体的A7R多肽,使之具有靶向NRP-1受体阳性的肿瘤细胞的能力。进一步通过原位生长的方法将Ag2S纳米粒子成功引入载体上,赋予纳米颗粒光热转换及光声成像的性能。大的中空结构使得制备的Ag2S@HMSs-A7R具有高的药物装载能力(DOX:451 mg/g)。同时表现出三重刺激响应药物释放行为,包括肿瘤细胞内弱酸性环境、高浓度的谷胱甘肽(GSH)、及外部近红外激光照射。合成的纳米复合物在激光辐照下可以产生了明显的光声信号和优良的光热转换效率(31.5%)。重要的是,A7R肽的修饰使得纳米复合物可以选择性地结合NRP-1受体过表达的MDA-MB-231细胞。体外细胞实验和体内抗肿瘤实验表明其具有良好的化疗/光热协同治疗效果(协同指数<1)。综上所述,该研究开发的具有主动靶向能力、光声成像及三重刺激响应药物释放能力的新型靶向纳米诊疗剂具备用于成像介导协同治疗的巨大潜力。Ⅲ.基于pH敏感动态共价键连接的药物自封孔中空介孔有机硅纳米诊疗剂用于多模态成像介导的化疗/低温光热协同治疗开发高效的抗肿瘤策略,并辅以相对低强度刺激的无创物理治疗是目前肿瘤治疗研究中亟待解决的关键问题。因此,本研究基于“化学同源性”制备一种多功能、生物可降解的有机/无机杂化中空介孔氧化硅纳米粒子(HMONs),并进一步共负载近红外有机染料吲哚菁绿(ICG)和热休克蛋白抑制剂(17AAG)。在此基础上,化疗药物吉西他滨(Gem)通过缩醛键的形成作为封孔剂封堵HMONs的孔道。最后进行聚乙二醇(NH2-PEG)修饰得到多功能的纳米诊疗剂(ICG-17AAG@HMONs-Gem-PEG)。所制备的纳米诊疗剂在肿瘤组织或细胞部位显示出精确的17AAG释放行为。研究发现,当纳米诊疗剂进入肿瘤细胞后,封孔剂Gem与有机硅纳米粒子之间的缩醛键会在肿瘤细胞的酸性条件下发生断裂,从而打开孔道精确控制ICG和17AAG的释放。17AAG的释放可以有效地抑制肿瘤细胞内热休克蛋白(Hsp90)的表达,从而缓解了细胞的耐热性。在低功率的808 nm激光激发下,ICG能有效地将光转换为热能,同时在较低的温度下(～41℃)实现良好的肿瘤抑制效果。此外,ICG的负载赋予纳米颗粒具有近红外荧光和光声成像的性能。总之,本研究不仅构建了一个pH响应动态共价键断裂的药物自封孔纳米诊疗一体化平台,巧妙地避开了其他外源封孔剂的使用,而且提供了一个低温条件下进行有效光热治疗的策略,从而减小了对周围组织的损伤。体外细胞水平及动物体内水平上系统地验证了该纳米诊疗剂的成像性能以及协同治疗的效果。更为重要的是,二硫键掺杂的有机硅骨架赋予了该纳米诊疗剂内在的生物降解性,具有很好的临床应用前景。Ⅳ.前药封孔、装载温敏性全氟戊烷液滴的中空介孔有机硅纳米诊疗剂用于超声/光声成像介导的化疗/光热协同治疗为了进一步拓展有机硅材料在诊疗一体化中的应用,本研究将二硫键掺杂的有机氧化硅HMONs作为载体同时装载ICG及全氟戊烷(PFP),随后设计一种紫杉醇(PTX)前药作为有机硅孔道的封孔剂。进一步修饰PEG以提高纳米诊疗剂的生物相容性,从而得到一种多功能的纳米复合物(ICG/PFP@HMOP-PEG)。当纳米复合物进入肿瘤细胞后,紫杉醇前药与HMONs之间的二硫键会在肿瘤细胞内的高浓度谷胱甘肽下发生断裂。一方面,打开孔道精确控制ICG的释放。另一方面,释放的前药发生电荷转移形成游离的PTX分子用于肿瘤的化疗。在808 nm近红外光的照射下,ICG产生的过高热可使PFP发生液气相变而产生纳米气泡,并进一步形成微泡用于超声成像。体外超声成像结果表明该纳米粒子在造影和B-模式下都具有良好的造影效果,同时在体内肿瘤模型成像中也得到了证实。此外,在细胞水平及动物水平上验证了该纳米诊疗一体化系统用于荧光/超声/光声三模态影像引导下的化疗/光热协同治疗的效果。V.生物矿化氧化铱纳米粒子封孔的可降解介孔纳米系统用于抗炎症及肿瘤的诊疗一体化无机纳米粒子在体内的长期滞留往往会提高细胞内的活性氧水平而引起的相应的炎症反应,严重阻碍了目前许多无机纳米材料/复合物的临床转化。因此,整合精确诊断、有效治疗及抗炎症反应等功能于一体的纳米平台对于肿瘤的有效治疗有着非凡的意义。在本章中,我们通过温和的生物矿化策略合成牛血清白蛋白(BSA)稳定的氧化铱纳米粒子(BSA-Ir02),并通过BSA内在的巯基与装载Hsp90抑制剂(17AAG)的中空有机硅纳米粒子(HMONs)相结合封堵在其孔道外。最后修饰聚乙二醇分子(PEG)得到最终的17AAG@HMONs-BSA-Ir02-PEG(AHBIP)纳米诊疗剂。与前几章类似,HMONs因其巨大的中空结构而能够高效地负载小分子(对于17AAG,负载量为35.4%,同时负载效率为～97%)。AHBIP纳米粒子进入肿瘤细胞后,负载在内核及介孔孔道中的17AAG释放,抑制热休克蛋白的表达。体外和体内免疫印迹试验(Western Blot)证明了17AAG的释放可以有效地抑制Hsp90的表达,结合BSA-IrO2良好的光热转换性能,从而实现在激光照射下的低温光热治疗。更重要的是,IrO2可以催化肿瘤细胞内的过氧化氢(H202)分解产生氧气,因而克服肿瘤组织的乏氧环境而增强光动力治疗(PDT)效果;亦可以保护正常细胞免受高H202引起的炎症反应。与此同时,AHBIP还具有X射线计算机断层扫描(CT)及PA成像性能。细胞毒性试验及裸鼠的肿瘤治疗评价了 AHBIP的治疗效果,表明在单一波长的近红外光照射下显示出良好的PDT和低温PTT的协同治疗效果。另外,AHBIP还具有较长的血液循环半衰期(5.14 h)和较高的肿瘤富集量(12 h:8.54%ID/g)。由于AHBIP纳米粒子完全由生物相容性成分组成,因此其可以作为一个理想的诊疗一体化平台用于不同类型肿瘤的多模成像引导的联合治疗,具有巨大的纳米医学应用前景。综上所述,本论文对介孔有机氧化硅以及功能化纳米复合物在生物医学上的应用,尤其在生物成像和肿瘤化疗、光热治疗、光动力治疗等方面展开了较为系统的研究,并对可降解有机/无机杂化硅纳米材料的合成以及基于介孔硅基药物递送系统的门控开关的设计进行了较为深入的探究。我们的研究成果将有力地推进介孔有机硅这一优良的纳米载体在生物医学上,尤其是诊疗一体化上的应用,也为探索发展基于无机纳米材料的新型肿瘤诊疗策略提出了新的思路。