表面增强拉曼光谱及成像技术在肿瘤细胞检测中的应用研究

Investigation of the structural and functional changes in the cell at the single-molecule level is expected to be used for the detection of tumor cells and further applied for early clinic diagnosis. In comparison with the previous methods for the detection of tumor cells, surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) has the advantages of low sample consumption, high degree of structural information about the molecule, high sensitivity and selectivity, in-situ, nondestructive and real-time, especially for tumor cell detection. This research will employ Raman spectroscopy and imaging tool to observe the biological process and the changes of biochemical reaction in the cells. We propose to develop a SERS detection platform for sensitive, specific and multiplexed detection of tumor cells. It is expected to be used for rapid, accurate, and sensitive detection of tumor and other diseases in the clinical diagnosis.

在单分子水平上对细胞的结构和功能变化进行研究，有望实现对肿瘤细胞的检测，进一步可用于临床早期诊断。与过去检测肿瘤细胞的方法相比，表面增强拉曼光谱（SERS）具有所需样品少，反映结构信息量大，高灵敏度和高分辨率，原位无损实时的优势，尤其适合肿瘤细胞的检测。本申请项目将利用拉曼光谱成像技术对细胞的生物学过程和细胞生物化学反应等进行考察研究。申请者拟发展高灵敏度、高选择性、多功能检测肿瘤细胞的拉曼光谱成像技术平台，并将其应用于临床快速、准确、灵敏地诊断肿瘤等疾病。

单细胞水平上生物标志物成像检测在生化分析和临床诊断领域具有广阔应用前景。本项目发展了一系列检测肿瘤细胞中miRNA、DNA糖基化酶、蛋白转移酶、端粒酶、5-羟甲基胞嘧啶和甲基化酶等生物标志物的高灵敏度、高选择性、多功能平台。主要包括：（1）发展了一种基于滚环扩增（HRCA）和量子点的荧光共振能量转移的同时检测多种miRNA的方法。该方法特异性好，灵敏度高，miR-21检测限低至7.2×10-16 M，miR-221检测限低至1.6×10-17 M，并且可应用于癌细胞中多种miRNA的同时检测。（2）基于单分子成像检测方法构建了同时检测肺癌细胞中人类8-氧代鸟嘌呤DNA糖基化酶1（hOGG1）和人类烷基腺嘌呤DNA糖基化酶（hAAG）的平台。我们还发展了具有多层多受体的单量子点纳米传感方法，其方法检测限低至4.42×10-12 U/μL，可以检测单个癌细胞中的hAAG活性，并能区分癌细胞与正常细胞。（3）发展了一种基于单个量子点纳米传感器检测人类氧-N-乙酰葡萄糖胺转移酶（OGT）的新方法。该方法不需要放射性同位素标记的糖基供体、特异性抗体和糖基供体的荧光衍生物，灵敏度高,检测限低至3.47×10-13 M，并且可应用于酶反应动力学和细胞内OGT酶活性分析，以及筛选OGT抑制剂。（4）开发了一种基于量子点的在单细胞水平上检测端粒酶的电化学生物传感器。此方法不需要热循环和额外酶参与反应，能够检测单个细胞的端粒酶。（5）利用非标记、非固定的电化学磁性生物传感器准确定量活细胞中的5-羟甲基胞嘧啶，其方法检测限低至9.06×10-15 M；具有检测甲基胞嘧啶位点能力的传感器可实现对CpG甲基转移酶低至2.1×10-7 U/μL的精确测定，并可应用于抑制剂筛选，因而在疾病诊断和药物开发方面具有应用前景。本项目在国际期刊ACS Nano，Chem. Sci.，Anal. Chem.，Chem. Commun.，Biosens. Bioelectron.和Nanoscale共计发表10篇SCI论文，获得授权国家发明专利1项，另有5项国家发明专利正在受理当中。