研究背景:分子影像是一门从活体、细胞、分子水平对生理和病理变化过程进行检测的新兴交叉学科,分子影像诊断技术通过成像手段对疾病的特异性基因或蛋白进行显像,为疾病的诊治提供更加精确的信息。并且随着分子影像技术的日益发展及肿瘤微环境的深入研究,基于肿瘤微环境设计的刺激响应型智能小分子探针在肿瘤成像以及治疗领域受到越来越多的关注。利用智能分子探针到达肿瘤组织或肿瘤细胞后在肿瘤微环境刺激下结构发生响应性变化,能够增强肿瘤的成像信号或治疗效果,进而实现肿瘤的精准诊断与高效治疗。常见的环境刺激因子可以分为内环境(包括高表达酶、还原性物质、pH、活性氧等)和外环境(包括光、温度、超声等)。研究目的:本文主要围绕肿瘤的早期诊断与有效治疗这一科学问题开展研究,设计和构建了一系列新型的弱酸性(pH)和还原性(谷胱甘肽GSH)双重响应型探针。探针在肿瘤弱酸和强还原性条件下,可以在肿瘤细胞中选择性发生分子间CBT缩合反应,自组装形成纳米颗粒,能够有效地增强探针在肿瘤组织内的摄取量和滞留时间,最终达到提高肿瘤诊断的准确性和治疗效果的目的。研究方法:在第一部分的研究中,以柠康酰胺键为pH响应基团、双硫键为还原响应基团以及三碘苯甲酸为CT成像基团设计合成了一个具有肿瘤微环境响应的智能小分子探针(1)。探针1在进入肿瘤组织后,在肿瘤细胞外及肿瘤细胞内溶酶体的弱酸性环境刺激下,柠康酰胺基团中的分子内羧基催化酰胺键发生水解并且以柠康酸的形式离去,从而暴露半胱氨酸结构中原有的氨基;另一方面,肿瘤组织中过表达的谷胱甘肽还原双硫键,暴露巯基。随后2-氰基苯并噻唑与响应后形成的1,2-氨基硫醇发生快速高效的点击缩合反应形成两亲性的二聚体,并通过π-π堆积原位自组装成纳米颗粒。通过这种肿瘤微环境响应性策略可以有效地增强探针在肿瘤内的富集量及延长其滞留时间,从而达到提高肿瘤特异性及长时间CT成像的目的。第二部分的研究内容是在第一部分的研究基础上,进一步将肿瘤诊断和治疗功能整合于一个探针中,策略性地设计并合成了一个集肿瘤多模态成像和治疗于一体的小分子探针(Cy-1)。利用探针对肿瘤微酸和高谷胱甘肽环境的敏感性,并借助七甲川花菁染料本身具有的光声、荧光、光热等性能,在活体水平开展了在体肿瘤的诊疗一体化研究。研究结果:在体外的研究中,通过HPLC、电镜、紫外等一系列实验均证明该探针具有很好的响应性聚集。另外细胞的荧光实验也证明了探针1在细胞层面也很好的聚集诱导滞留的作用。小鼠活体实验结果证明,探针1经尾静脉注射入小鼠体内后,可以有效地增强探针在肿瘤内的富集量及延长其滞留时间。在第二部分工作中,我们在体外探究了该探针聚集前后的光声、荧光、紫外吸收以及光热性质变化,发现其紫外吸收光谱、荧光光谱、光声信号、光热转换效率在聚集前后都发生了明显的变化。随后,活体动物研究结果表明该探针在肿瘤微环境下聚集能够增强光声成像信号并延长成像窗口期。此外,动物光热治疗实验结果显示,该探针对肿瘤具有良好的光热治疗效果。总之,我们成功设计合成了一个pH/GSH双重响应型肿瘤分子探针,系统开展了在体肿瘤的光声/荧光双模态成像研究,实现了肿瘤的更精准成像及光声/荧光导航下的高效光热治疗。