核酸适配体功能化的磁性核壳纳米材料的制备及应用研究

Aptamers are single-stranded nucleic acids with high affinity and specificity for their targets. Recently, aptamers against tumor cells have attracted extensive attention in the cancer diagnosis and therapy. The lack of tumor markers and effective metastatic precautions greatly limit the diagnosis and therapy of cancer. Because of the high affinity and specificity of aptamers for tumor cells, their target protein may be the special marker of the tumor cells. The circulating tumor cells (CTCs) plays a key role in the cancer metastasis. In this project, we plan to develop methods for selective separation and enrichment of the target proteins and target cells in the peripheral blood by using aptamer immobilized materials. Firstly, magnetic nanoparticles with different size will be prepared and used as the matrix, which will be coated with different shells for aptamer immobilization. The shells with carboxyl groups will be prepared using RAFT or ATRP polymerization; and gold nanoshells will be prepared using an in-situ growth method. Next, aptamers will be modified on the core-shell magnetic nanoparticles and used for the selective separation and enrichment the target proteins and CTCs. Additionally, a hollow core-shell magnetic nanoparticles will be designed and prepared, and used for drug targeting delivery to tumor. These investigations will accelerate the application of aptamers in the cancer diagnosis and therapy.

核酸适配体是一类新型的具有高亲和力和高特异性的识别分子，随着肿瘤细胞核酸适配体筛选及相关技术的发展，其在癌症诊断与治疗领域受到越来越多的关注。本项目以肿瘤标志物少、转移预警措施匮乏等问题为出发点，将核酸适配体优异的分子识别能力与磁性纳米材料易于磁场分离的优点结合，开展基于核酸适配体的肿瘤标志物鉴别、循环肿瘤细胞的分离富集等工作。针对材料非特异性吸附和核酸适配体在材料表面固定化密度低等难点问题，从基础材料的制备出发，设计合成表面富含羧基的磁性核壳纳米材料、磁-金核壳纳米材料和空心磁性核壳纳米材料，实现粒径与壳层的可控制备，优化核酸适配体在材料表面的固定化条件，利用核酸适配体与肿瘤细胞的高亲和力和高特异性，建立靶蛋白、循环肿瘤细胞的分离富集与检测方法。结合核酸适配体的靶向性和空心纳米材料的载药性，发展药物靶向输送和肿瘤靶向治疗的方法，推动核酸适配体在癌症诊断和治疗方面的应用。

利用核酸适配体与靶分子的高亲和力和高特异性，制备了一系列核酸适配体修饰的材料，开展了基于核酸适配体的靶蛋白提取鉴定和肿瘤细胞的选择性分离相关研究，并建立了目标DNA、小分子及蛋白质的分离检测方法。制备了核酸适配体修饰的磁金核壳材料，对靶细胞实现了较好的分离；利用适配体修饰的葡聚糖微球，同时分离与鉴定了两个与肿瘤相关的膜蛋白(L-selectin和Integrin α4)，这两个蛋白在白血病细胞中高表达，有望作为白血病的标志物；制备了核酸适配体和单链DNA探针修饰的聚苯乙烯微球，实现了对不用目标DNA和蛋白的同时检测和多通道成像，对目标DNA具有优异的识别能力，能够区分单碱基突变的DNA；构建了ATP调控的核酸适配体，结合链霉亲和素修饰的微球，实现ATP的免标记快速分离与检测；通过L-选择素适配体修饰的聚苯乙烯微球，实现了L-选择素的高选择性检测；制备了以罗丹明为核，碳量子点为壳的双发射荧光纳米材料，实现了细胞内铜离子的比例荧光成像。筛选得到了能与耐药肿瘤细胞MCF-7R高特异性、强亲和力结合的核酸适配体，该适配体为研究胞间连接介导细胞通讯提供了新的手段。为了研究核酸适配体的识别机理，并考虑到蛋白提取鉴定的过程监控，设计合成了多种核酸配基，发展了多种核酸探针和细胞器探针。研究发现探针通过与平行结构G-四链体良好的末端堆积，实现优异的选择性识别；首次发现了4-α-氨基酸取代的萘酰亚胺类化合物光控释放的活性，有望用于智能型分子探针的构建；设计合成了可以区分线粒体和自噬溶酶体的近红外荧光探针分子HQO，该探针可精确定位线粒体，准确示踪线粒体自噬过程。通过该项目研究，推进了核酸适配体的相关研究，发表标注论文19篇，申请专利9项，参与研究的人员中6位获得博士学位，2名获得硕士学位，1名博士后出站。