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浙江大学化学工程与生物工程学院生物工程研究所申有青教授课题组

目前研究方向

       本课题组的研究集中在以新功能材料的设计与合成为基础的生物纳米材料/工程的研究。主要研究工作内容为新功能生物纳米材料的设计与合成、智能纳米材料与药物及生物大分子的组装及智能纳米载体材料在生物、医学上的应用, 特别是智能纳米药物载体用于癌症的治疗和早期诊断。该研究是化学、材料、高分子、化学工程、生物工程、分子/细胞生物学、药学、肿瘤医学、临床医学等学科的交叉。不同专业背景的同学在应用自己的专业知识的同时,将与其它专业背景的同学及临床医师合作进行科研工作并完成课题。因此,上述专业的同学都可以找到自己感兴趣的课题,并得到多学科背景的综合训练,大大拓宽知识面。

一、用于癌症治疗的纳米药物载体的设计与合成

       研究方向包括新型纳米载体的设计与合成、靶向纳米药物的制备、纳米药物的体外毒性及机理、纳米药物在细胞内的传输过程、纳米药物的体内(裸鼠)的靶向性能和药效(如抗癌性能)、临床实验等。 目前的工作之一是研制能够靶向肿瘤细胞器的纳米药物载体,从而将药物直接输送到它们的作用靶点,使药物同时避开各种抗药机制, 提高药物的药效。本纳米药物的优点是药物直接到达其作用靶点、克服多种抗药机制。

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1.癌细胞的抗药机制

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2. 激光共聚焦观察纳米药物载体在肿瘤细胞核中的定位

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3. 三维构建

二、高效非病毒基因输送载体的设计

       通过基因疗法 (Gene Therapy), 即将目标基因导入靶细胞的核内以表达所需蛋白从而达到治疗之目的,可以改变癌细胞来降低其包括细胞核内抗药机制在内的各种抗药性。基因疗法的瓶颈是基因的靶向传送。病毒类载体介导的基因传送具有高的转染率和良好的靶向性,但多个临床实验发现病毒类载体容易引起人体复杂的免疫反应而导致病人死亡并会致癌。阳离子型聚合物也可用做基因传送的载体。它具有毒性低,不会引起机体的过度免疫反应的优点,但它的缺点是基因表达效率低。有鉴于此,我们目前的研究工作是研制能够模拟病毒体的聚合物/DNA的自组装体作为DNA的高效输送载体。

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4. pH-调节逐步自组装的PCL/PDEA/PEG梳状高分子形成模拟病毒纳米颗粒用于基因输送

三、用于癌症早期诊断的高灵敏性磁共振成像(MRI)造影剂的设计和开发

       肿瘤早期发现是治愈癌症的关键。例如,早期肾癌的五年存活率可达到99%,而二期以上的病人五年存活率只有16%。但是,许多肿瘤在早期并没有症状,因而很难被发现,而被发现时已到晚期或已发生转移。磁共振成像(MRI)在临床中被越来越广泛地用于癌症的诊断,但它的灵敏性还不够高,误诊率比较高且造成许多不必要的组织活切诊断。MRI的灵敏性取决于造影剂。常用MRI造影剂是稀土金属离子Gd3+的小分子或大分子络合物。研究发现,将Gd3+络合到大分子载体上,能显著提高MRI的灵敏性,但它们的灵敏性还有待进一步提高。

       我们致力于研制种癌组织靶向和肿瘤特异性激活型造影剂载体,该载体同时还能显著提高核磁共振中肿瘤部位的对比度。已与浙大附属邵逸夫医院放射科的胡红杰主任医师开展合作,以期获得能应用于临床的高灵敏性MRI造影剂,用于肿瘤的早期诊断。

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5. 合作单位邵逸夫医院放射科提供的小鼠头部核磁共振图

四、树枝状大分子的高效合成

       树枝状大分子因其精确的三维纳米分子结构,被广泛作为纳米技术平台应用于医药领域,如作为药物和基因运输载体。然而,传统的树枝状大分子合成方法复杂,需要保护/去保护及繁琐的纯化过程限制了树枝状大分子的大规模应用。我们发明了一种聚酯树枝状大分子的高效合成方法,即采用在化学反应性上不对称的单体和功能基团之间的点击化学反应,通过“不对称单体对”间的简单交替“粘贴”的方法合成聚酯树枝状大分子。该方法合成步骤简单,目标产物为唯一的大分子,因而纯化过程极为简便,可广泛用于生物可降解聚酯的大规模生产应用,如作为药物传输载体。

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6. 不对称单体的点击反应快速制备树枝状大分子

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7.反应溶液的MALDI-TOF MS(a)与树枝状大分子的GPC(b)

五、前药为多功能纳米载体

       大多数抗癌药物在水中的溶解性差,且有些药物分子(如喜树碱的内酯环)在血液中不稳定,极大限制了抗癌药物的临床应用。药物输送技术是解决上述问题的有效途径之一。此外,通过药物载体可延长药物的半衰期,且能通过肿瘤组织的EPR效应提高药物在肿瘤部位的聚集,提高药物的靶向性并降低其毒副作用。然而,目前药物输送体系亟需解决的问题是载药能力太低。如在纳米颗粒载体或脂质体内,载药量一般不超过10%,且载药体系不稳定,在血液中存在突释现象,导致药物的生物利用度低且可能导致系统生物毒性。低载药量也造成治疗时需使用大量的医用载体辅料,对机体产生毒副作用。我们利用药物分子本身的疏水性或亲水性,以药物分子作为疏水或亲水部分,通过与亲水基团或疏水基团的共价结合来制备自乳化药物前药。该前药溶于缓冲液中即形成纳米囊泡或纳米颗粒,且既是原药的载体,又可携带其他药物,并具有肿瘤靶向功能,因此成为多功能的纳米抗癌药物。

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8. 喜树碱前药形成纳米纳米囊泡装载阿霉素(上图),并利用激光共聚焦显微镜确定其细胞内定位(下图)

SKOV-3 ovarian cancer cells were incubated with PEG-DiCPT/DOXHCl at a DOX dose of 1μg/ml for 5h at 37°C.Upper panel: Observation of the lysosomal localization: from the DOX channel (a), LysoTracker green (DND-26,to label lysosomes) channel(b)and the overlap of the(a) and (b) images(c). Lower panel: Observation of the nuclear localization: from the DOX channel(d), the nuclear dye DRAQ5 channel(e), and the overlap of the(d) and(e) images(f) (larger view images are shown in Figure S5 in Supporting Information).