虽然现代医疗技术和诊断方法水平得到了显著提高,但癌症的发病率和死亡率仍然居高不下,且呈现逐年上升趋势并严重威胁着人类的健康和生命。因此,开发癌症诊疗新探针以及发展癌症诊疗的新原理、新方法对于提高癌症的治愈率和患者的生存质量具有十分重要的意义。基于荧光成像和光动力学治疗的癌症光学诊疗技术由于具有非侵害性、无电离辐射、原位诊断与治疗等诸多优点而迅速发展起来,但要广泛应用于临床实践仍需要克服以下关键问题：探针的主动靶向性差、荧光成像的信噪比低、光动力学治疗的组织穿透深度有限、诊断过程与治疗过程相对独立、缺乏对疗效的实时监测。近年来,化学、生物学、光学、分子识别技术、纳米技术等的快速发展和交叉融合,为发展高性能的癌症光学诊疗技术带来了新契机：一方面,通过“由上而下”的策略,以功能为导向设计合成相应结构的化学或生物分子,可为癌症诊疗过程中存在的问题提供解决方案；另一方面,通过“由下而上”的策略,利用纳米材料独特的物理化学性质以及纳米组装技术,可将具有各种功能的化学或生物分子有机整合,构建多功能纳米探针,实现癌症的靶向光学诊疗。因此,本论文针对当前癌症光学诊疗研究中存在的关键问题,提出了以下解决方案：利用分子识别技术增强探针的主动靶向性,建立“开-关”成像模式提高信噪比,合成近红外的光敏剂提高光动力学治疗的组织穿透深度,借助纳米组装技术开启光学诊疗的一体化,监测治疗过程中溶酶体的生理变化实现疗效的实时反馈。本论文构建了一系列新型癌症靶向的多功能纳米探针,并探讨了这些探针在光学诊疗中的应用潜力,具体包括以下三个方面的工作：1、基于叶酸和pH激活的Rubyrin构建的癌症靶向纳米探针及其光动力学治疗的研究时空可控地释放单线态氧(102)是实现肿瘤高效、高选择性光动力学治疗的关键。本工作设计了一种在近红外光照射下具有“开-关”可控生成102能力的靶向激活型纳米粒子,即纳米粒子在正常组织中无活性—不生成102；而在进入肿瘤组织或细胞后被激活—高效生成102。利用肿瘤细胞表面叶酸受体高度表达以及溶酶体内pH呈酸性的特点,本工作合成了一种在载体内部包埋pH激活的含硒rubyrin光敏剂(NMe2Se4N2)、表面叶酸(FA)功能化的纳米粒子(FA-NMe2Se4N2 NPs)。该纳米粒子能够特异性地识别HeLa癌细胞表面的叶酸受体并被癌细胞内吞后到达溶酶体中,溶酶体内部低的pH环境(4.5-5.0)激活NMe2Se4N2产生1O2,导致溶酶体损坏,诱导癌细胞以“溶酶体途径”死亡。NMe2Se4N2是一个六元扩展卟啉,即rubyrin结构,环上硒原子的引入可通过重原子效应增加102的量子产率,而meso位二甲氨基苯基的引入则使102的释放具有pH可控性。在近红外激光的照射下,Me2Se4N2在酸性环境中具有高的102量子产率(ΦΔ= 0.69, pH 5.0,635 nm激发)；而在中性条件下102产量低(ΦΔ= 0.06, pH 7.4,635 nm激发)。这种具有癌细胞识别及pH激活功能的设计能够有效杀死HeLa癌细胞,而对正常HaCaT细胞无毒副作用。活体实验表明FA-NMe2Se4N2 NPs在血液中稳定,能够快速靶向至肿瘤组织。近红外光照射后,肿瘤组织的生长被明显抑制,未见其它光敏副作用。该工作为新型智能光敏剂的设计以及肿瘤的高效、高选择性光动力学治疗提供了新思路。2、基于氧化石墨烯、光敏剂和Cathepsin B激活的多肽构建的癌症靶向纳米探针及其光学诊疗和疗效监测的研究Cathepsin B (EC 3.4.22.1)与癌症的发生发展有着密切的联系,细胞发生癌变后,C athepsin B的表达明显升高,因此可作为癌细胞的可靠标识用于发展肿瘤成像与治疗技术。本工作设计合成了一种基于氧化石墨烯、光敏剂和Cathepsin B激活的多肽构建的癌症靶向纳米探针,可用于溶酶体途径的光动力学治疗及疗效的原位监测。该纳米探针以非共价作用的方式,将磷脂-聚乙二醇修饰的叶酸、光敏剂(chlorin e6)标记的多肽组装到氧化石墨烯纳米片的表面得到。该纳米探针通过叶酸受体介导的内吞作用进入癌细胞的溶酶体,溶酶体中的Cathepsin B选择性地切割纳米探针上的多肽,使光敏剂从氧化石墨烯纳米片的表面释放而被激活,产生荧光信号用于癌细胞成像及细胞内Cathepsin B的特异检测。在660 nm激光照射下,释放的光敏剂可介导生成细胞毒性的1O2来破坏溶酶体,使癌细胞以溶酶体途径死亡。在溶酶体破坏的过程中,光敏剂从溶酶体释放到细胞质,可实现治疗效果的原位监测。对于正常细胞,叶酸受体和Cathepsin B的表达量都处于低水平,不会受到纳米探针的影响。因此,本工作在第一个工作的基础上不仅实现了癌症的高效、高选择性光动力学治疗,而且实现了疗效的监测。3、基于核酸适体、pH激活的BODIPY和卟啉构建的癌症靶向纳米探针及其近红外光学诊疗和疗效实时监测的研究本工作将癌细胞内溶酶体选作靶点,利用溶酶体内部的酸性pH环境(4.5-5.0)和溶酶体被破坏后组织蛋白酶释放到细胞质可诱导细胞死亡的特点,设计合成了一种表面修饰核酸适体(Apt S1),内部包埋pH激活荧光探针(BDP-688)和近红外卟啉光敏剂(R16FP)的癌症靶向多功能纳米探针。Apt S1是利用Cell-SELEX技术,以乳腺癌MDA-MB-231细胞为靶细胞,正常乳腺上皮MCF-10A细胞为反筛细胞,经过15轮筛选获得的核酸适体,对MDA-MB-231细胞的结合具有高的亲和性和特异性。纳米探针在Apt S1的作用下特异性识别MDA-MB-231细胞,经内吞作用进入癌细胞溶酶体,溶酶体内酸性pH环境激活BDP-688产生强的荧光信号,从而实现对癌细胞的高信噪比成像。在近红外光照射下,R16FP介导生成具有细胞毒性的1O2,使溶酶体结构被破坏,导致组织蛋白酶释放诱导癌细胞死亡。由于溶酶体被破坏的过程中也伴随着质子的释放,使BDP-688因所在环境的pH升高而荧光减弱,因此利用BDP-688的荧光降低可对治疗效果进行实时反馈,防止治疗不足或过度治疗。活体实验表明,纳米探针可经尾静脉注射快速靶向至肿瘤组织并产生强的荧光信号；经过近红外光照射后,肿瘤组织逐渐消失,而且荧光信号显著降低,实现了活体水平上的近红外光动力学治疗及疗效实时监测。本工作在第二个体系的基础上进一步发展,实现了癌症的近红外光学诊疗以及分子水平的疗效实时监测。