基于肿瘤微环境调控的抗肿瘤纳米材料设计和机制研究.docx

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1、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）

2、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 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

3、和响应的功能纳米材料的需求。 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

4、结纳米材料表面修饰和性能调控的规律。 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。 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

5、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 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

6、化的崭新理论体系。 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。 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

7、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 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

8、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。 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。 功能纳米材料调控肿瘤成纤维细胞的作用机制

9、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 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。 针对课题

10、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。 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

11、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。 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

12、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 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

13、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。 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。 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 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。针对肿瘤微环境中的重要靶标分子，建立可

14、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。 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。 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12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。 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。 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

15、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 针对设计、构建具有调控肿瘤微环境生物特性的功能纳米

16、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。 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

17、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b1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；针对促进正常细胞向肿瘤细胞转化及增殖相关的纤维化，采用纳米药物载体载带胶原蛋白交联抑制剂或芳香化酶抑制剂，干预雌激素分泌，达到预防和治疗肿瘤局部纤维化异常，以治疗肿瘤的目的。 根据肿瘤微环境的特殊生物信号，

18、设计、构建多功能的纳米材料，实现同时携载重组蛋白或多肽药物、siRNA和小分子化合物药物等，研究该多功能纳米材料的协同效应及其在细胞内外的药物释放行为。同时设计、构建兼顾诊断及治疗作用的多功能一体化纳米材料，并对其进行表征。此外，设计和合成具有类似功能化的富勒烯衍生物的纳米材料，研究其自身的纳米特性如何抑制肿瘤新生血管生成、调控肿瘤微环境的其它组成成分、从而作为纳米药物有效控制肿瘤的恶性化和转移。 通过分子动力模拟和量子化学计算，研究纳米材料的结构及其表面修饰对材料本身的稳定性和水溶性的影响，以及纳米材料与生物活性分子和组织的动力学行为。在原子尺度探索纳米材料结构与肿瘤微环境之间的响应关系，分

19、别建立肿瘤微环境中各种环境因子与纳米材料的结构因子之间的定量对应关系。在此基础上，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、肿瘤微环境调控等能力，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 研究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，特别是功能性纳米材料特性对肿瘤间质中胶原蛋白代谢、聚集、刚性和流变性质调控的机制研究。利用课题一中系统筛选和鉴定所得到的与逆转肿瘤细胞恶性表型相关的纳米材料，在体外三维立体培养体系中运用扫描电镜、原子力显微镜

20、及牵引力显微镜揭示这些纳米材料在纳米尺度与胶原蛋白直接发生机械力学相互作用的方式与动力学模式，结合细胞分子生物学技术及表观遗传组学技术阐明由此引发的与肿瘤恶性表型逆转相关的信号传导过程、表观遗传学事件及代谢过程，最终在动物整体水平验证纳米材料的生物学效应与作用机制。在常规体外三维立体培养体系的基础上，通过调整凝胶培养基的刚性程度及加入不同的纳米材料，优化和完善实验条件，运用扫描电镜观察与鉴定纳米材料在细胞膜表面的分布状况及其与胶原蛋白相互作用的方式。通过运用原子力显微镜、牵引力显微镜及流变检测技术，获取纳米材料影响胶原纤维的聚合状态、卷曲程度，刚性程度，柔顺程度及流变性质的相关定性与定量参数，

21、并定量检测细胞核应力及变形程度。比较分析正常细胞及肿瘤细胞在相同培养条件下上述作用方式与参数的不同。探讨纳米材料与胶原蛋白的机械力学作用如何影响正常及肿瘤细胞的细胞生物学行为（包括细胞极性、增殖、凋亡及侵袭）及其相应的分子机制（如细胞骨架相关激酶信号传导过程及组蛋白修饰相关转录调控等表观遗传学机制）及代谢变化（如缺氧代谢，pH值等参数），从而在体外初步阐明新型生物纳米材料籍由与胶原蛋白的作用逆转肿瘤恶性表型的机械力学模式、细胞行为改变、信号传导途径及营养代谢变化的新理论体系。我们还将在整体动物水平进一步验证体外的结果并优化生物纳米材料的给药方式，以期获得基于全新设计思路与作用靶标的新型高效低毒

22、的抗肿瘤生物纳米药物系统。 功能性纳米材料特性对跨膜蛋白整合素的表达、聚集、细胞信号传递调控的机制研究。运用三维立体培养体系，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)与跨膜蛋白整合素的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，进而在体内整体水平验证相应的结果并揭示其分子机制。 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。探讨结合有重组生长激素抑制剂等重组蛋白药物的

23、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的转基因小鼠模型，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 针对肿瘤间质细胞（包括新生血管内皮细胞和肿瘤相关成纤维细胞）的生物特性，结合纳米技术，建立可实现乳腺癌或胰腺癌早期检测及肿瘤微环境可视化的原创技术：利用纳米颗粒具有磁性和过氧化氢模拟酶的特性，建

24、立免疫磁珠检测肿瘤新方法，用于血液恶性肿瘤标志物的捕获、分离和定量检测；在纳米材料表面修饰葡聚糖、聚乙二醇等生物相容性分子后，偶联抗肿瘤血管单克隆抗体，靶向肿瘤局部，作为核磁共振造影剂；利用纳米药物的EPR效应，实现纳米药物对肿瘤微环境的高渗透，提高局部的药物浓度，以期达到调控肿瘤微环境的最佳效果。 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，构建以功能性纳米材料为基础的靶向性药物，探索其抑制乳腺癌和胰腺癌生长转移的分子机理；在此基础上进一步揭示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。同时利用基因特异性敲除的荷瘤动物模型，研究以功能性纳米材料为基础的靶向性药物与乳腺癌

25、组织内新生血管内皮细胞的相互作用过程。 组织的纤维化为肿瘤细胞的生成和发展提供了有利的微环境，可促进正常细胞向肿瘤细胞转化及增值，并促进肿瘤转移灶的形成。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。TGF-alpha/Smad3信号通路在这一过程中起到关键作用，以其为靶标构建以功能性纳米材料为基础的靶向性药物，观察药物对乳腺

26、癌或胰腺癌生长和转移的抑制效果，并进一步探索药物对肿瘤包膜成纤维细胞的作用机理。（4）功能纳米材料的药效学、代谢行为及安全性研究 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（肿瘤移植模型、原发性肿瘤模型、肿瘤转移模型、肿瘤耐药模型等）及体外（常规二维及三维细胞培养）模型，进行短、长期体内、外药效学研究。考察药理作用（对肿瘤转移的抑制、肿瘤细胞的死亡或凋亡、肿瘤恶性表型的逆转等）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。 针对课题一、二、三筛选出的纳米材料，通过课题一中荧光标记、放射性同位素标记等示踪手段，及纳米材料本身可能具

27、有的光磁学性质，对纳米材料在体内、肿瘤微环境内、靶细胞内的代谢和分布规律进行研究。同步可视化定性、定量，“时-空耦合”观察纳米药物在肿瘤微环境内的分布和消除过程；研究纳米药物在体内的靶向性、组织器官分布、蓄积、及排泄途径，在体内跨越生物屏障（血脑屏障、胎盘屏障、细胞膜）的能力和机制，在细胞水平上的内吞、内膜转运及外排过程；细胞内的靶细胞器及释药过程；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，以及协同增效后的生物安全性问题。 阐明纳米材料的“性能-代谢行为”规律，研究各种理化性质（化学组成、形貌、尺寸、以及表面改性等）和功能化修饰对纳米材料在体内、肿瘤微环境内及靶细胞内的代谢动力学

28、、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；研究在药物释放过程中纳米材料的自身行为（生物转化、降解、团聚、溶解、与生物大分子间相互作用）和微环境响应性规律；不同纳米特性对纳米材料跨越体内生物屏障（血脑屏障、胎盘屏障、细胞膜）的影响；纳米特性对细胞内膜囊泡输运和细胞器靶向的影响（不同纳米特性引起细胞识别、摄取、内膜转运、靶细胞器定位和外排的特点），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。 以乳腺癌和胰腺癌细胞系建立荷瘤小鼠模型，结合核磁共振与色谱-质谱分析技术，

29、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。利用该方法，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，从而在分子水平阐明与纳米材料生物学效应相关的代谢途径网络和调控机制。3. 技术途径本项目将采用多学科交叉、渗透和有机结合的模式，以调控肿瘤微环境的生物特性、改善乳腺癌或胰腺癌的治疗效果为目标，设计、构建可调控的功能性纳米材料，利用先进的纳米表征技术和体内外检测手段，系统地研究该材料的组成成分、组装机制、结构特性、理化特性、体内外的作用机理和生物效应，为利用纳米技术进一步提高乳腺癌或胰腺癌的临床治疗提供研究方法和理论依据，具体技术途

30、径见图2。图2 功能性纳米材料改善肿瘤微环境治疗效果的技术途径4、可行性分析 目标明确、内容具体 采用自主创新的功能性纳米材料，设计、构建具有自主知识产权、高效、低毒的抗肿瘤功能纳米材料，发展新型抗肿瘤前体药物，通过在分子、细胞、组织和整体动物水平上进行纳米药物系统调控肿瘤微环境生物特性的作用机理和生物安全性研究，实现改善乳腺癌或胰腺癌治疗效果这一目标。项目的主要研究内容是在总结前期研究的基础上，结合学科的最新发展和国家需求，对已有工作的提炼、深化、延伸和发展，内容具体翔实，不仅结合了项目组成员前期的研究积累，也包含项目组成员的原创性研究思想。 基础扎实、硬件一流 项目组成员已在纳米材料的设计

31、、多功能纳米材料的构建及生物安全性研究、肿瘤微环境生物特性的研究等方面有丰富的积累，在国内外一流的学术期刊上发表了多篇与本项目研究工作密切相关的论文，并有多个纳米药物研发相关的专利，取得了一批重要的前期成果，在国内外产生了一定的影响。这些前期研究成果为本项目的实施奠定了良好的基础，为本项目的顺利完成提供了宝贵的经验积累，蕴含着取得重要突破的良机。项目承担单位拥有多个国家实验室、国家重点实验室或部门重点实验室的一流硬件设施与研究技术平台，包括用于纳米材料合成与表征及纳米新剂型构建与表征的各类先进仪器，及开展调控肿瘤微环境生物特性的机理与生物安全性研究等的各类设施，为本项目的顺利完成提供了强有力的

32、硬件保障。 优势团队、一流人才 本项目集中了一批纳米科学、生物材料学、化学、肿瘤学、临床医学、药理学、毒理学和分子生物学等研究领域中学术水平高、富有进取精神和创新意识的优秀研究人员，他们来自我国六个重要的相关研究机构和重点实验室。长期以来，这些单位的研究人员在共同承担国家重大科研项目的过程中团结协作、优势互补，课题组之间已经形成了紧密的合作关系，组成了有机的整体；在纳米材料合成、纳米药物新剂型设计、肿瘤治疗与生物安全性研究、肿瘤微环境生物特性的研究方面积累了丰富经验。该研究队伍作为我国纳米生物医学创新研究的优秀研究群体，为本项目的实施和完成奠定了良好基础。5、项目的创新性本项目在学术思路、抗肿

33、瘤策略和设计和合成全新功能纳米材料等方面都具有明显的创新性。新的学术思路：首次提出设计功能性纳米材料，通过调控肿瘤微环境，进而实现对恶性肿瘤的有效治疗。抓住肿瘤微环境这个为肿瘤的增殖、侵袭、迁移、黏附及新生血管的形成提供“土壤”、造成肿瘤难以治愈和复发的关键问题，采用功能化的纳米材料，从分子、细胞、组织和整体动物水平上系统揭示其通过调控肿瘤微环境抗肿瘤的机理，并探索对其生物安全性的评价方法，力争在改善肿瘤治疗的效果方面取得突破。新的抑瘤策略：首次把“肿瘤外基质”与“间质细胞”作为纳米材料的明确靶点。进行目标导向的功能性纳米材料设计，集成化学改性和表面修饰等技术，合成一系列生物相容的、安全的纳米

34、新材料。这些纳米材料都将针对上述具体目标，由本团队成员首先合成并开展相关研究。新的功能性纳米材料设计和合成：基于纳米材料调控肿瘤微环境的机理研究，采用本项目组成员合成的纳米新材料，设计、构建一系列具有特殊功能的纳米材料，能够共输送靶向肿瘤微环境成分的药物，例如siRNA和肿瘤新生血管的单克隆抗体等，同时又对肿瘤微环境具环境响应性。该类功能性纳米材料的设计和制备在国际上尚未见报道。新的纳米技术：针对调控肿瘤微环境生物特性的需要，发展一系列新技术，如针对肿瘤微环境中特殊生长因子的特点，发展主动靶向并抑制其生长、预防肿瘤转移的技术；利用纳米材料响应调控肿瘤外基质中胶原纤维的聚集形态，来调控肿瘤恶性迁

35、移和侵袭的新技术；针对促进正常细胞向肿瘤细胞转化及增值的纤维化，开发纳米材料载带特异性药物，从而预防和治疗乳腺纤维化的新技术；建立基于生物纳米材料为基础的三维立体培养的抗肿瘤生物纳米材料的研究体系；建立以荧光标记的三维立体培养为基础的高效低毒抗肿瘤纳米材料的快速筛选平台与疗效间接体内验证体系等。6. 课题设置各课题间相互关系根据项目的总体目标、拟解决的关键科学问题，以采用纳米技术针对肿瘤微环境的间质细胞和细胞外间质为肿瘤治疗的核心，精心选择突破点，设置如下四个课题：课题一 肿瘤微环境响应型功能纳米材料的设计、合成及表征课题二 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课题

36、三 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课题四 功能纳米材料的药效学、代谢行为以及安全性研究各课题间的相互关系见图3。图3 四个课题之间的关系课题一：肿瘤微环境响应型功能纳米材料的设计、合成及表征承担单位：中国科学院高能物理研究所、国家纳米科学中心课题负责人：高兴发学术骨干：吴晓春，赵颖，王晶研究目标：针对肿瘤微环境调控的需求，通过化学修饰和组装等方法，设计合成不低于8种高效低毒、且在肿瘤治疗中具有临床应用前景的多功能纳米材料；阐明纳米材料的组成、尺寸、形貌、表面电荷等理化性质与其生物相容性及生物学功能之间的相互关系，重点解决纳米材料的结构控制、理化性能控制、生物相容性

37、调控等现有难题；发展可用于准确示踪纳米材料体内分布及代谢行为的标记技术；同时也为课题二、三、四的研究提供纳米材料和技术保证。研究内容： 在针对肿瘤微环境的抗肿瘤研究中，理想的纳米材料应同时具有生物相容性好、跨越生物屏障能力强、多功能靶向运输药物等特点。为此，亟需发展一系列多功能一体化纳米材料，为调控复杂的肿瘤微环境，进而为肿瘤的临床治疗提供高性能的纳米药物系统，并为针对肿瘤微环境的治疗开拓应用纳米技术的新思路。为此，本课题将开展以下研究工作：1. 设计合成用于肿瘤微环境调控的医用纳米材料：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、两亲性聚合物、DNA和肽类聚合物、有机-无机杂化类纳

38、米材料，例如贵金属和生物分子杂合等）。对这些多功能纳米材料的理化特性进行表征；满足课题二、三、四中响应不同肿瘤微环境中组织代谢环境的生物学特征（如组织缺氧、酸性环境和大量生长因子、蛋白水解酶的产生及免疫炎性反应）的需求。2. 医用纳米材料的表面修饰和性能调控：挑选有大量工作基础的肿瘤微环境生物标志物（如胶原纤维、血管生成因子VEGF、细胞黏附分子受体-整合素、生长激素、成纤维细胞标志物等）为生物靶点，通过合成控制表面配体种类、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，调控功能纳米材料表面生物功能分子的种类、数

39、量和性能，使其能识别和调控上述肿瘤微环境生物标志物，从而改变肿瘤组织的迁移或侵袭等恶性表型；总结纳米材料表面修饰和性能调控的规律，探索相关机制。3. 制备多功能复合纳米材料：采用纳米异质杂合、有机衍生、层层自组装等方法，制备兼具光、磁性的多功能纳米材料（包含亲疏水药物、抗体药物、多肽药物、生长因子或siRNA等）。4. 通过分子模拟和理论计算，设计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，并对这些纳米药物系统的理化特性进行表征，同时也为实验结果提供理论依据。课题二 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承担单

40、位：中国科学技术大学、中国人民解放军总医院课题负责人：朱涛学术骨干：郭明洲，杨云生，李威研究目标：为应用纳米技术寻找靶向肿瘤微环境的抗肿瘤新途径，我们将通过功能性纳米材料结合化学小分子或重组蛋白药物靶向肿瘤细胞外基质中的重要细胞黏附分子和可溶性生长因子，以逆转肿瘤的恶性表型，抑制肿瘤的快速生长。我们还将阐明功能性纳米材料抗肿瘤作用的信号传导机制及表观遗传学改变。研究内容：1功能性纳米材料与胶原蛋白力学相互作用影响肿瘤恶性表型的机制研究：通过运用三维立体培养体系，获取功能性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

41、胶原蛋白的机械力学作用如何影响所培养的肿瘤细胞的生物学行为及其相应的分子机制，并在体内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：通过运用三维立体培养体系，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

42、型的细胞行为及信号传导途径变化的过程，进而在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。探索结合有重组抗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

43、功能性纳米材料的肿瘤抑制效果与分子机制。课题三 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承担单位：中国科学院生物物理研究所、国家纳米科学中心课题负责人：卫涛涛学术骨干：屠亚平，杨东玲，丁宝全，曹远林，刘颖研究目标：针对肿瘤微环境中间质细胞（肿瘤新生血管内皮细胞和肿瘤恶性间质细胞）的生物学特点设计功能纳米材料，结合其肿瘤微环境的响应性，提高肿瘤微环境局部的药物浓度和特异性，以达到调控肿瘤微环境的最佳效果；以肿瘤新生血管内皮细胞及肿瘤间质成纤维细胞标志物为靶标，构建以功能性纳米材料为基础的靶向性药物，实现对该类细胞的代谢调控，进而抑制肿瘤细胞的快速生长和恶性表型，利用纳米技术开

44、创高效低毒抑制肿瘤的新治疗方法；同时实现肿瘤微环境中间质细胞的可视化及高灵敏检测。研究内容：1. 肿瘤微环境可视化的原创纳米技术：针对肿瘤间质细胞的分子标志物和生物特性，将课题一设计、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多功能纳米材料，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

45、叉调控机制。同时利用CD146特异性敲除的荷瘤动物模型，研究功能性纳米材料与乳腺癌和胰腺癌组织内新生血管内皮细胞相互作用过程的分子机制。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，结合课题一构建的纳米材料，实现对该类细胞的特异性结合与功能调控；研究功能性纳米材料对肿瘤成纤维细胞合成、分泌细胞外基质（ECM）、炎症因子、金属基质蛋白酶（MMPs）等的影响，阐明其通过调控肿瘤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。课题四 功能纳米材料的药效学、代谢行为以及安全性研究承担单位：国家纳米科学中心、中国科学院武汉物理与

46、数学研究所课题负责人：聂广军学术骨干：王玉兰，张利民，朱墨桃研究目标：完成2-3种具良好应用前景的功能纳米材料在抗肿瘤治疗中较为全面的药效学和安全性评价，及其在体内、肿瘤微环境内及细胞内的代谢行为研究；阐明各种理化性质和功能化修饰对纳米材料在体内、肿瘤微环境内、靶细胞内的代谢及药效的影响规律及纳米材料与靶分子（肿瘤间质、靶蛋白、靶基因）的相互作用规律；基于核磁共振与色谱-质谱技术的有机结合，建立适合纳米材料生物效应研究的代谢组分析方法；阐明调控肿瘤微环境的纳米药物系统影响肿瘤细胞、肿瘤组织及动物整体代谢的机制，并进行系统安全性评价。研究内容：1. 针对课题一、二、三筛选出的2-3种具较好应用前

47、景的功能纳米材料，选取乳腺癌或胰腺癌的体内及体外模型，进行较为全面的短、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、三筛选出的功能纳米材料，在动物体内及细胞内同步可视化定性、定量、“时-空耦合”进行纳米药物的代谢行为研究。研究纳米材料在体内、肿瘤微环境内、靶细胞内的代谢动力学和分布，及其在体内跨越生物屏障的机制。考察纳米材料作为化疗辅助药物对原化疗药物的代谢行为是否有影响，及协同增效后是否会产生新的生物安全性问题。3. 总结归纳纳米材料的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

48、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. 以乳腺癌和胰腺癌细胞系构建荷瘤小鼠模型，有机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。使用该方法，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，进而在分子水平阐明与纳米材料生物学效应相关的代谢途径网络和调控机制。四、年度计划研究内容预期目标第一年1. 以调控肿瘤微环境的生物学特性为目的，通过湿化学合成、分子设计、改性和修饰等技术，设计和合成具有多功能的新型医用纳米材料：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）和有机-无机杂化纳米材料。并对其性状、结构、生物物理特性、环境响应特性等进行系统研究和表