可控三维等离子体探针的筑建及其在单细胞成像分析中的应用

Single target imaging analysis is a cutting-edge technology for life sciences, which can reveal subtle differences between molecules concealed in macroscopic detection. With the fast development of imaging technology, dark-field microscope imaging technique has been widely applied in the fields of single cell or single molecule analysis. However, some shortcomings of optical nanoprobes used in the field, including simplex conformation, low spatial resolution and sensitivity of probes, greatly limited the development and application of dark-field technique．To address these problems, on basis of the recent established strategies of probe formation and cell imaging analysis by our group, this project aims at the development of new three dimensional plasmonic probes by the combination of DNA programmability with noble metal nanoparticles functionality, then providing insight on fundamental understanding of the signal generation mechanism and transformation mechanism. Besides, we plan to extend the application scope of the probes, study the intracellular multiple functional materials simultaneous and dynamical imaging analysis in real-time by dark-field microscope imaging technique, for establishing novel imaging analysis strategies for intracellular molecules, thereby provide powerful imaging technique and platform for the investigation of disease at cell or molecule level.

单个靶分子成像分析能够获得掩盖于整体平均下的微观信息，是生命分析化学的研究热点，对机理研究、生物检测分析与疾病诊疗的探索具有重要意义。独特成像方式的暗场显微成像技术是单细胞、单粒子分析研究中不可或缺的工具，但是光学共振纳米探针构象单一、灵敏及空间分辨率低等缺点极大地制约了暗场显微成像技术的发展及应用。本项目针对这些问题，以我们前期所建立的探针研发及细胞成像分析等研究积累为基础，将具有精准编程的DNA纳米技术与光学性质优异的贵金属纳米材料相结合，旨在研发构建新一代多重多维度的三维等离子体共振纳米探针，深入研究多维度下探针成像信号的产生机制和转化机制。在此基础上，将探针与暗场成像技术相结合，建立单细胞内生物功能分子原位成像分析新方法，实现单个活细胞内多种物质的动态监测及分子层面上的成像分析，为单细胞、分子层面上生命本质的阐释及疾病机制的探索提供强而有力的技术支持和理论平台。

本项目针对单细胞检测中存在的的实际样本复杂多样、检测特异性和灵敏度尚需提高等癌症诊疗技术难题，基于纳米粒子优异的光电性能、比表面积大、易于修饰、催化性能强等优点，构建了DNA网络结构、介孔二氧化硅、生物条形码金纳米探针、纳米金-石墨烯复合物等三维仿生纳米生物探针。通过结合工具酶、DNA自组装等等温信号放大技术，利用核酸适体对目标分子的特异性识别作用，针对miRNA、肿瘤细胞表面糖基、肿瘤细胞等肿瘤标志物的高灵敏、高特异性检测及成像分析，实现了对蛋白标志物的检测限达到 fM 水平；对 DNA、miRNA 的检测限达到 aM 水平。通过激光共聚焦成像、拉曼光谱成像等手段，建立了单细胞成像新技术，发展了细胞内相关生物分子事件动态成像示踪新方法，实现了单细胞水平上肿瘤细胞的检测和凋亡过程的实时监测，为癌症早期诊断与治疗提供了新方法和新思路。针对纳米材料生物相容性和靶向性尚需提高等问题，本项目通过纳米材料的合理设计和合成，构建了核酸纳米探针、介孔硅纳米复合物、金纳米笼等一系列多功能生物纳米新材料，具有生物相容性好、易于功能化、可响应性控释、靶向性高等优点。将其作为靶向药物载体，可特异性识别肿瘤细胞，靶向输送药物，并应用于活体深度组织的实时、原位、立体成像，为肿瘤诊疗一体化研究和个体化精准诊疗提供了可靠的理论依据和应用模型。