研究背景胰腺癌的发病率逐年攀升,目前对于胰腺癌的治疗始终未取得突破性的进展,即使多手段的联合使用仍未能提高胰methylomic biomarker腺癌的整体生存率,所以寻找精准、高效的治疗方法已成为临床的迫切需求。近年来,随着多学科融合领域的发展,纳米材料逐渐走向生物应用,并在临床转化方面取得了一定的成绩。目前将核素与纳米材料相结合的研究在胰腺癌治疗方面已有所进展,并取得了一定的成果,但仍未将核素的优势完全发挥。131I核素作为强大的电子供体,成为治疗的基础。如何将核素衰变产生的电子与纳米材料巧妙结合,争取疗效最大化的发挥,使之成为抑制肿瘤进展的利器,将是非常有意义的探索。本课题聚焦于上述的背景,将131I核素与纳米材料巧妙地结合,成功发挥131I作为强大的电子供体的优势,创新性地构建了 131I核素与纳米材料的复合体系,实现了针对胰腺癌的高效治疗。本课题成功构建了两种131I-纳米材料体系,具体研究内容如下:主要研究内容及结果1、131I-mBTOK NPs介导还原应激增强胰腺癌免疫治疗(1)材料制备:成功合成了粒径约90 nm立方体结构的mBTO纳米材料(nanoparticles,NPs)(mBTO NPs)。BTO NPs 经氨水刻蚀后形成多孔的 mBTO NPs,mBTO表面有厚度约为1.45 nm的均匀刻蚀层,形成了 Ba-O微孔道,通过孔道中残留的氨基嫁接酪氨酸并标记131I核素,131I核素衰变产生的高能β射线(β-电子流)与孔壁的高原子序数的BaO层进行碰撞后,电子动能降低并转化为势能,从而使材料表面富含高势能电子而成为还原性物质。(2)体外实验和机制:富含高势能电子的131I-mBTO NPs纳米材料通过连接KDEL多肽实现内质网(endoplasmic reticulum,ER)靶向功能,通过电子干扰内质网内蛋白质折叠过程中二硫键的形成,造成错误折叠蛋白的增多导致内质网应激(endoplasmic reticulum stress,ER Stress)。对于肿瘤细胞,在高剂量的 131I-mBTOK NPs的作用下,ER stress信号通路促进肿瘤细胞凋亡,另一方面通过增强肿瘤细胞免疫原性,促进肿瘤微环境(tumor microenvironment,TME)中树突状细胞(dendritic cell,DC)激活,进而增强机体的适应性免疫。对于肿瘤更多相关巨噬细胞(tumor-associated macrophages,TAM),在低剂量131I-mBTOKNPs的作用下,通过将ER stress信号通路与核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)信号通路相关联,实现了 TAM向Ml型巨噬细胞极化的目标。通过对肿瘤细胞和TAM的双重作用,实现免疫增强作用,最终实现高效的肿瘤治疗。(3)活体实验:通过构建双侧肿瘤鼠模型并进行流式细胞术及病理检测,证实131I-mBTOK NPs具有免疫增强作用,可高效地抑制肿瘤生长。基于此我们提出了“还原应激增强免疫功能”这一肿瘤治疗新策略,并将131I-mBTOK NPs具体作用机制总结如图1:2、131I-A-M NPs介导的微管蛋白降解促进胰腺癌细胞死亡(1)材料制备与表征:成功合成了粒径为140 nm的以三聚氰胺(melamine)为配体、Au(Ⅲ)为主体的金纳米球(A-M NPs)纳米颗粒。通过传统的Iodogen法成功标记上131I核素(131I-A-M NPs)。高分辨X射线光电子能谱(X-Ray photoelectron spectra,XPS)证实合成的 A-M 中的 Au 为 Au(Ⅲ),而 131I-A-MNPs 中的 Au(Ⅲ)接收电子后被还原为Au(Ⅰ),即成功实现了 Au的价态改变,随后逐渐从主体上脱落形成金纳米簇(gold nanoclusters,AuNCsRapamycin)。(2)体外实验和机制:被细胞吞噬的131I-A-MNPs会在细胞内部原位形成AuNCs,AuNCs中的Au原子与微管蛋白(Tubulin)的-SH结合形成共价键,这种共价结合导致Tubulin构象改变,促使Tubulin被蛋白酶体系统降解,进而影响纺锤体形成,造成细胞周期阻滞,最终激活细胞的凋亡过程。(3)活体实验和结果:活体实验证明了 131I-A-M NPs具有明显的肿瘤抑制效果。本研究的创新点在于,巧妙的利用131I作为强大的电子供体,实现Au价态的转变,在细胞内原位产生AuNCs,通过分子动力学模拟实验(molecular dynamic,MD)深度解析了 131I-A-M解离形成的Au6NCs与Tubulinβ的作用机制,发现并证明了Au6NCs共价结合的Tubulin降解机制及引起的细胞效应。具体作用机理总结如图2:讨论分析131I作为长半衰期核素在肿瘤治疗尤其是甲状腺癌治疗方面占据一定的地位,但因其对一般实体瘤靶向性差,射线作用范围有限而在临床应用中受到制约。131I衰变产物中β-电子占比高达99%,如何有效利用这一特点成为提升其疗效的突破点。近年来,纳米材料在医学中的应用快速发展,如何借助纳米材料的优势有效发挥核素电子给体的作用,为探索高效的肿瘤治疗策略提供了方向。本文对此进行了初步的研究,以期发挥131I在肿瘤治疗方面的优势。本课题组着重于研发具有高效的肿瘤治疗作用的纳米药物,以期为提高肿瘤治疗效率添砖加瓦。利用131I核素衰变产生的高能电子,巧妙地设计了两种核素-纳米复合材料,分别利用纳米材料的孔道效应和价态转变特性,以不同的方式发挥高能电子的作用,并深入探讨了相关作用机制,通过不同的表征手段成功地证明了两种复合材料对胰腺肿瘤具有较高的杀伤效果。本课题的设计拓宽了核素的应用渠道,为核素的肿瘤治疗提供了新的思路和策略。