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
① 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。
② 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。
③ 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
① 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。
②针对肿瘤微环境中的重要靶标分子，建立可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。
③ 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。
④ 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1–2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。
⑤ 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。
⑥ 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
① 针对设计、构建具有调控肿瘤微环境生物特性的功能纳米材料的需要，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。
② 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?1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。
③ 根据肿瘤微环境的特殊生物信号，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。
④ 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
① 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，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的抗肿瘤生物纳米药物系统。
② 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、