上转换荧光-内标化SERS二元光学探针及其在活体成像分析中的应用

In this plan, we aim to synthesize upconversion fluorescent nanoparticle (UCNP)-internal standard surface enhanced Raman scattering (SERS) bimodal nanoprobes for the tracking and drug release study of nanomedicine in vivo via fluorescence and Raman imaging systems. In this bimodal nanoprobe, UCNP and SERS tag are linked via complementary DNA hybridization, forming a nano-dimer. Furthermore, a thin layer of drug loading material is coated on the surface of nano-dimer, followed by the adsorption of anti-tumor drug doxorubicin (DOX). Taking advantages of the stable signal from internal standard SERS tag, and the DOX release-triggered variable fluorescence/SERS signals originating from fluorescence resonance energy transfer (FRET) and shell-isolated nanoparticle-enhanced Raman spectroscopy (SHINERS) principle, the three forms of nanomedicine, i.e., drug containing nanomedicine, released drug molecule, and nanocarrier, can be simultaneously monitored. This method overcomes the problem of traditional optical imaging way, in which the issues of nanomedicine locating and drug release are studied separately. Furthermore, it has the feature of low background, high detection sensitivity and accuracy, and can be applied in a real-time and dynamic way. Our investigation will be helpful for revealing the uptake, distribution and final fate of nanomaterials in living cells and small animals, and promote research and development of novel namomedicine with high treatment efficiency.

本课题拟设计上转换荧光纳米粒子（UCNP）-内标化表面增强拉曼散射（SERS）二元纳米光学探针作为标记和传感材料，用于构建纳米药物，借助荧光和拉曼双模成像技术实现其体内行为研究。该二元探针为UCNP和SERS探针通过互补DNA单链偶联形成的纳米二聚体。进一步在二聚体表面生成载药材料纳米层，并装载抗肿瘤药物阿霉素（DOX）。利用探针中内标化的SERS “稳定信号”，以及DOX从载药层解离引发、基于“荧光共振能量转移”和“壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱”原理测定的荧光/SERS二元“可变信号”，实现在载药纳米药物、游离药物和释药后载体三个形态的同时、动态监测。该方法不但突破了传统成像技术中载体定位和药物释放研究过程割裂的难题，而且具有深层检测、灵敏准确、实时动态的优点。有助于在细胞和活体水平研究纳米药物的摄入、富集、释药及代谢的动态过程，为揭示其药理药效机制、促进纳米剂型研发提供重要技术。

本项目拟研发新型荧光-表面增强拉曼散射（SERS）二元纳米光学探针作为标记和传感材料，发展基于荧光和拉曼双模成像技术，开展纳米药物体内分布和释放的新方法研究。本项目组严格依照项目计划书开展工作，经过4年的刻苦攻关，基本完成了项目计划书设定的核心研究目标，包括：1）系统开展了新型荧光-SERS纳米探针设计制备表征工作。研发多种结构新颖的SERS纳米基底结构，如银包金型内标化探针结构、表面粗糙化“杨梅状”粒子和“3D”表面结构纳米粒子等。这些新结构的SERS信号增强能力较传统的金纳米球提升2个数量级。基于这些基底发展的新型SERS探针显著提高了活体检测的灵敏度。2）发展了纳米药物“装载—释放”过程的SERS信号监测和解析方法。构建了SERS探针标记的载药磷脂双分子层结构，原位动态地表征了在光、热等不同环境因子刺激下，不同结构类型药物分子的释放行为的显著差异。3）发展多功能纳米药物用于肿瘤的诊断和治疗研究。研发基于新型近红外荧光探针、金纳米棒、脂质体、聚苯乙烯、二氧化硅、聚多巴胺等的材料的多功能纳米平台，用于纳米药物的细胞/活体示踪、载药释放和诊疗评价。截至2020年2月，在该项目的资助下，项目组共发表标注本项目基金号的研究论文16篇，其中SCI收录论文14篇（IF>5的11篇）。申报国家发明专利4项，1项已授权。协助培养博士研究生1名，硕士研究生5人。相关工作丰富纳米分析化学的研究内涵，为纳米药物研发、临床诊断等研究领域提供了实用的光学探针工具和分析方法，为纳米药物体内释药的原位监测提供了新思路。具有良好的科学意义和实际应用价值。