介孔SiO2复合磁性粒子的制备及其在细胞外DNA提取中的应用研究

Cell-free DNA (cfDNA) with short segments has attracted intensive research interests due to its potential applications in cancer screening, prognosis and monitoring of the efficacy of anticancer therapies. To date the extraction techniques for long segment DNA have been well developed, while there is still no approach for efficient and balanced extraction of cell-free DNA. In this project, we proposed the design and preparation of mesoporous silica-magnetic composite particles with adjustable pore structures and surface properties. The effect of the pore structures and surface properties on the adsorption and desorption processes of DNA with different segment lengths will be investigated systematically. The enthalpy and entropy effect on the adsorption/desorption processes of DNA will be evaluated by combined investigation on the conformation changes of DNA. The thermodynamic and kinetic models for the segment length selective adsorption of DNA on the mesoporous silica-magnetic composite particles will be established. The materials and methodologies derived from this project will pave the way for highly efficient and segment balanced extraction of cell-free DNA.

研究结果表明短片段的细胞外DNA在癌症早期诊断、疾病治疗监控等领域有重要的应用前景。目前的DNA提取技术已经可以满足长片段基因组DNA的提取要求，但短片段DNA提取还缺乏成熟有效的方法。本项目提出设计制备不同孔结构和表面性质的介孔SiO2复合磁性粒子，以期实现对短片段DNA的高效和片段均衡性提取。系统研究孔径、孔道结构和表面性质对不同片段长度DNA在粒子表面吸附/脱附过程的影响。结合DNA吸附过程中的构像变化，评价熵变和焓变对吸附过程的调控规律。建立不同长度片段DNA在介孔SiO2复合磁性粒子表面的热力学和动力学吸附模式，为细胞外DNA的高效和片段均衡性提取奠定材料和方法学基础。

项目执行期间，以胞外DNA (cfDNA) 选择性提取为导向，对介孔SiO2粒子的尺寸、微结构及表面性质及其对DNA的吸附/脱附行为进行了研究。对SiO2粒子的生长过程进行了系统定量研究，实现了对介孔SiO2粒子的尺寸、形貌与微结构的精准调控；构建了核壳结构的Au/SiO2复合探针粒子，为在分子水平上理解DNA在SiO2粒子表面的吸附/脱附行为奠定了材料基础；从赖氨酸修饰的介孔SiO2粒子出发，实现了不同片段长度DNA的有效分离，为cfDNA的提取提供了新的方法。相关研究成果共发表SCI检索文章 10篇，申请发明专利10项，其中8项已获授权。.1. 以经典的Stöber法为模型体系，测定了SiO2胶体粒子生长中的水解/缩合反应速率，在分子水平上揭示了胶体粒子的成核/生长过程，并提出了新的“原位种子生长”模型，为介孔SiO2粒子尺寸、形貌与微结构的精准调控奠定了理论基础。.2. 利用Stöber方法制备了壳层厚度可在6-25 nm之间连续可调的金纳米花/ SiO2复合粒子(Au NFs@SiO2), 具有优化壳层厚度的复合粒子兼具良好的荧光和Raman增强效应，为在分子水平研究DNA在介孔SiO2粒子表面吸附/脱附过程提供了可行的探针材料。.3. 利用偶联反应在介孔SiO2粒子表面引入了两性的赖氨酸基团，通过简单调节溶液的pH值和离子强度，可以实现两种或三种不同片段长度DNA的选择性分离，这种DNA选择性提取方法的建立，为cfDNA在基因测序、癌症早期诊断和疾病治疗监控等领域的应用奠定了方法学基础。