癌症是由于细胞分裂增殖调控失常而导致的疾病,并且严重威胁人类健康。现阶段临床治疗癌症采用的治疗手段主要有化学药物治疗、放射治疗及手术治疗等。这些方法有的对人体损伤较大,有的对特定类型肿瘤的治疗效果并不十分理想。为了有效地进行肿瘤的诊断和治疗,目前已经发展了多种新兴技术,包括对肿瘤标志物的早期诊断分析及针对肿瘤组织的光学治疗、免疫治疗和基因治疗等方法。其中治疗肿瘤的光学疗法由于具有耐受性好、副作用小以及可以实现无损或者微损治疗的优点,具有广阔的应用前景。本文利用纳米材料结构和功能的可设计性及多样性,通过多功能纳米材料的设计及构建,发展了针对新的肿瘤标志物的原位荧光分析策略,并提出靶标激活型光学诊疗的新方法,提高其治疗效率,开发了其新的应用,具体包括以下工作:1.功能化金纳米探针用于microRNA激活的癌细胞成像与治疗将癌细胞成像和治疗结合起来对于提高疗效并防止治疗不足或治疗过度至关重要。在本工作中,设计了一种用于miRNA的荧光成像与癌症疗效监测的多功能金纳米探针。通过组装作为靶向部分的叶酸和作为识别元件和信号开关的染料标记的分子信标(MB),金纳米探针可以经由叶酸受体靶向递送到癌细胞中,同时MB可以被细胞内的microRNA(miRNA)打开从而点亮荧光,实现了对核酸的有效成像和检测。通过此方法,实验测得平均每个HeLa细胞中miRNA-21的量为1.68pg。在808nm的近红外辐射下,由于金纳米载体的高光热转化效率,剩余的折叠MB打开,染料远离纳米载体,荧光进一步增强,实现了对光热疗效的实时监测和评估。实验表明此方法同样适用于活体。这项工作提供了一个简单而有效的方法,并在癌症成像、治疗和疗效监测方面具有巨大的潜力。2.花状纳米探针用于灵敏检测胞内microRNA原位检测细胞内低丰度的microRNAs(miRNAs)对于早期诊断和基因药物选择是一个关键问题。本工作开发了一种花状纳米探针结合催化发卡组装放大方法,实现了对活细胞中的miRNA的荧光成像和定量检测。此纳米探针是通过在金纳米花表面原位聚合多巴胺形成超薄的聚多巴胺层,并通过非共价作用结合识别单元-叶酸聚合物及作为识别放大元素的荧光标记的发卡DNA 1(H1)和发卡DNA 2(H2)形成的。由于其独特的角状结构,此探针负载发卡DNA效率比金纳米颗粒高1.6倍。通过叶酸靶向识别作用,探针通过细胞内吞作用进入细胞,在胞内miRNA-21激活下,角上负载的H1展开与miRNA-21形成H1-miRNA双链。而此双链复合物暴露的粘性末端又可以与H2结合,并通过链取代反应形成H1-H2复合物,释放出miRNA-21进入下一个周期循环,形成了一种利用催化发夹组装放大方法灵敏检测胞内核糖核酸的荧光成像方法。经测定,平均每个HeLa细胞中miRNA-21 的量为 1.65pg。因此,此角状纳米探针通过多重信号输出为细胞内生物分子跟踪检测提供了一个强大平台,并具有广阔的应用前景。3.基于金属有机框架纳米探针的化学-光动力治疗将光动力治疗平台与多孔结构药物递送系统整合在一起对于增强型癌症治疗是一项重要挑战。在本工作中,我们选择了便于后修饰的氨基化金属有机框架(MOF)作为药物载体,并将其应用于细胞成像和化学-光动力治疗。该多功能MOF纳米探针首先与喜树碱药物通过非共价作用组装,再与作为靶向基团的叶酸和作为识别部分与信号开关的二氢卟吩e6(Ce6)标记的CaB底物肽结合,实现了组织蛋白酶B激活的癌细胞成像及药物喜树碱和光敏剂Ce6介导的的化学-光动力学双重治疗。通过细胞和活体实验证明,该协同治疗方法相比于单独治疗具有更高效的治疗效果,尤其是在化疗时间、激光功率和光动力治疗的照射时间方面等表现出更优越的性能。此工作是MOF纳米探针作为细胞内开关的一个重要探索,并且展现出了其在癌细胞靶向成像和复合疗法方面的巨大潜力。4.双触发型自供氧黑磷纳米系统用于增强光动力治疗光敏剂的非特异分布和肿瘤微环境中内在的乏氧条件是限制氧气依赖型光动力治疗(PDT)效率的两个关键因素。在本文中,我们以黑磷纳米片(BPNS)作为光敏剂和纳米载体,开发了一种双触发自供氧纳米系统,以增强乏氧微环境中肿瘤的PDT效率。BPNS平台通过结合叶酸和5’-Cy5-aptamer-heme/3’-heme标记的DNA双链实现了平台的功能化,此DNA双链中heme二聚体的仿过氧化物酶活性处于钝化状态。特异性识别胞内ATP后,该系统中DNA双链解旋,原来猝灭的荧光被“点亮”,同时heme催化H2O2的活性被激活,可以催化H2O2生成O2供给BPNS介导的PDT,该治疗系统相比于无供氧系统,在乏氧细胞和乏氧肿瘤中的治疗效果分别提升了 8.7和7.5倍。因此,双触发自供氧纳米系统不仅为增强PDT改善了肿瘤乏氧微环境,而且克服了乏氧对疗效的限制。5.黑磷-二氧化锰纳米平台用于监控自供氧过程、增强光动力治疗及疗效反馈克服肿瘤细胞内的乏氧状况是提高O2依赖型光动力疗法效率的重要方法。迄今为止,有关通过监测自供氧过程来选择治疗时机的报道很少。此工作中我们设计了基于黑磷材料的探针并用于双模式监测氧气自供应、增强对乏氧肿瘤的光动力疗效,以及反馈治疗效果。通过组装罗丹明B(RhB)标记的二氧化锰(R-MnO2)作为O2供应剂和指示剂,并且结合异硫氰酸荧光素(FITC)-标记的caspase底物肽-功能化的黑磷纳米片作为治疗诊断剂,我们得到异质结构的纳米平台(R-MnO2-FBP)。通过同步实验可知,O2释放与R-MnO2-FBP释放的Mn2+和RhB具有相关性。R-MnO2-FBP被特异性递送到细胞后,在癌细胞富含H2O2的酸性环境中解离并产生氧气以克服乏氧相关的PDT抗性,并同时释放Mn2+和RhB染料,实现双模式(核磁共振成像/荧光成像)监测氧气自供应过程。更重要的是在乏氧细胞中,图像引导型方法提高了供氧PDT效率,使其在乏氧条件下凋亡率高达51.6%,这也可以通过监控凋亡细胞中被激活的caspase-3酶恢复的FITC荧光来证实。利用R-MnO2-FBP进行的活体内光动力治疗进一步确定了 R-MnO2-FBP通过双模式自反馈选择最佳治疗机会的能力。因此,我们在此工作中设计的自供氧的纳米平台不仅具有调节肿瘤乏氧微环境以增强PDT效果,而且提供了从氧供应到治疗效果的全程监控的新思路。6.黑磷/金属有机骨架复合结构用于增强光动力治疗及caspase介导的疗效检测黑磷的光氧化性及不稳定性限制了其在光学治疗领域中的应用。此工作中,我们通过在黑磷量子点(BPQD)表面原位生长金属有机骨架,并在第二次生长时引入catalase酶,形成了具有氨基基团的纳米核壳结构。该结构进一步通过酰胺化反应,结合Cy3荧光标记的caspase酶底物肽,形成了具有自监控疗效的光热(PTT)/供氧型光动力双重治疗的纳米探针。一方面,该探针由于外层的MOF敏化及富集作用,相比于裸露的BPQD展现了更高的量子产率。另外,由于MOF的保护作用,catalase酶的活性在细胞中仍能保持较高的活性,从而催化胞内过氧化氢产生可以供给PDT的氧气。同时,该探针也展现出较好的光热治疗效应,形成了自供氧型PDT/PTT复合疗法。在660/808 nm激光辐射下,此探针高效诱导细胞凋亡,caspase酶激活,切割其相应的底物肽,猝灭的Cy3荧光恢复,实现了对疗效的实时监控。此探针能够协同诱导细胞凋亡,提供了一种黑磷材料应用于治疗领域的新思路,具有很好的应用前景。