基于核酸适体-MOFs的双光子荧光纳米探针的构建及其生物分析应用研究

Aptamer-based fluorescent probes have become the most attractive tool for the monitoring of intracellular metal ions and biological molecules by virtue of their high sensitivity, high specificity and real-time spatial imaging. However, most of these probes are single-photon excited at short wavelengths, with such shortcomings as phototoxicity, interference from intracellular autofluorescence and poor penetration depth, which limit their intracellular applications. Meanwhile, the poor cellular uptake efficiency of aptamer probes and susceptibility to enzymatic degradation also hinder their intracellular applications. Taking advantage of the specific recognition ability of aptamer and the high spatial resolution, little phototoxicity, large penetration depth of two-photon microscopy as well as the excellent membrane permeability, the ability of protecting nucleic acids from nuclease digestion of nanoscale metal-organic frameworks, this project intends to develop two-photon fluorescent nanoprobes with good biological imaging quality, large penetration depth, high biological stability, high sensitivity and selectivity. This strategy can realize real-time monitoring of intracellular biological or disease related metal ions and biological molecules, and get information of the dynamic distribution of these analytes in cells or tissues, which will provide theoretical basis and new method for the early diagnosis of disease and investigation of pathobiology.

核酸适体荧光探针因具灵敏度高、特异性好以及能够实现时空分辨成像等优点, 已成为监测细胞内金属离子和生物分子的强有力研究工具。然而，目前的核酸适体荧光探针大都是基于短波长激发的单光子探针，具有样本易受光损伤、背景荧光干扰严重以及穿透深度浅等缺点，限制了其在生物体内的应用。同时，核酸探针进入细胞的效率低且易被核酶降解也严重制约了其在生物体内的应用。本项目拟将核酸适体的特异性识别性能与双光子荧光成像技术所具有的空间分辨率高、光损伤小、样本穿透深度大等优点，以及纳米金属有机框架所具有的膜穿透能力强且可以保护核酸分子免受酶降解等优点相结合，构建成像效果佳、穿透深度大、生物稳定性高、灵敏度高、选择性好的双光子荧光纳米探针，实现对生物体内生物相关或疾病相关金属离子和生物分子的实时监测，获取上述分析物在细胞或组织内的动态分布情况，为疾病的早期诊断及相关病理的研究提供理论依据和新方法。

针对目前所报道的核酸适体荧光探针大都是基于短波长激发的单光子探针，具有样本易受光损伤、背景荧光干扰严重以及穿透深度浅等缺陷，该项目以构建 “基于核酸适体-MOF的双光子荧光纳米探针”为研究主线，以功能核酸为识别单元，以具有双光子性能的量子点、硅颗粒为信号报告单元，以MOFs、DNA纳米结构等为纳米载体，构建了系列纳米探针用于活细胞和深层组织内相关疾病标志物的原位检测。主要研究成果概括如下：（1）创新性的将功能核酸与MOFs材料进行结合，构建了生物稳定性高的纳米探针，实现了对细胞内疾病标志物的高灵敏、原位成像研究；（2）通过DNA杂交原则将功能核酸组装在DNA纳米线状结构上，构建了具有局部加速能力的脱氧核酶纳米探针，该探针具有较高的灵敏度、较好的选择性、较快的响应速度，最后成功用于不同细胞内的miRNA-21成像研究；（3）将具有双光子活性的有机染料作为前驱体，合成了系列具有双光子性能的纳米颗粒，构建了多种性能优良的双光子纳米探针，实现了对细胞和组织内GSH 、H2O2等疾病标志物的高灵敏检测和双光子成像原位研究。该项目已取得一系列研究进展，发表高水平学术论文18篇，其中以项目申请人为第一作者或者通讯作者的论文为11篇,包括 Chemical Communications, ACS Sensors, Theranostics, Small等，申请国家发明专利2项。上述研究成果为细胞内低丰度标志物的检测提供的一个新的平台，为疾病的早期诊断和治疗提供了有价值的理论依据。培养博士研究生1名，培养硕士研究生3名，参加国内学术会议3次，圆满完成了预期目标。