新型DNAzyme荧光纳米探针的构建及其生物医学应用研究

The development of biosensors for heavy metal ions and small molecules direct detection in the complex physiological samples is the challenges of today's scientific research. Due to the high sensitivity and selectivity, DNAzyme-based biosensors have been widely used in various heavy metal ions and small molecules detection. However, very few DNAzyme-based biosensors can be directly used for the detection of complex physiological samples at present, and the in vivo application performances of DNAzyme has not been reported so far. The project intends to develop the novel DNAzyme fluorescent nanoprobes based on DNAzyme self-assembled nanomaterials，which can be directly used for the detection of targets such as heavy metal ions, small molecules in complex physiological samples. With the high sensitivity and selectivity of DNAzyme, and the ability of nanomaterials protect the nucleic acids from nuclease digestion or interferences, the DNAzyme-assembled nanomaterials strategy can be applied for the really fast detection of heavy metal ions and small molecules in the complex physiological samples with highly sensitivity and specificity, which will provide a valuable theoretical basis and technical support for the detection of the above-mentioned targets in clinical medicine. Meanwhile, we will apply the biosensor in live cell fluorescence imaging, which will provide a valuable theory reference and technical support for the DNAzyme in vivo application.

发展直接用于复杂生理样品中重金属离子、小分子等检测的生物传感器是当今科学研究的热点和挑战，基于DNAzyme的生物传感器由于高灵敏、高选择性已被广泛地应用于各种重金属离子、小分子等的检测中。但是，目前极少基于DNAzyme的生物传感器能够直接用于复杂生理样品的检测，而DNAzyme的体内应用性能迄今未有报道。本项目拟基于DNAzyme自组装纳米材料发展直接用于复杂于生理样品中重金属离子、小分子等检测的新型DNAzyme荧光纳米探针。DNAzyme自组装纳米材料策略，具备了DNAzyme的高灵敏、高选择性和纳米材料保护核酸免受样品中核酶降解或干扰的优势，从而能够实现对复杂生理样品中重金属离子、小分子等目标物真正快速、高灵敏、高特异性检测，为上述物质的临床医学检验提供有价值的理论依据和技术支持。同时，用于活细胞中的荧光成像研究，为DNAzyme的体内性能研究提供有价值的理论参考和技术支持。

基于DNAzyme的生物传感器由于高灵敏、高选择性已被广泛地应用于各种重金属离子、小分子等的检测中，而能够直接用于复杂样品检测的报道很少。纳米材料具有保护核酸免受样品中核酶降解或干扰的优势，发展DNAzyme自组装纳米材料策略有望解决上述问题。因此，本研究工作开发了一系列具有特定功能的纳米材料及纳米复合材料，改善了生物识别特性与信号转换和放大功能，实现了生物分子的功能化自组装。结合自组装纳米生物技术，建立了基于DNAzyme和核酸适配体的传感体系及新型免疫传感体系，发展了高性能酶活性检测生物传感技术及癌症标记物的高灵敏检测，为解决疾病诊断、药物检测等相关重要问题提供了理论基础和技术支持。（1）DNAzyme生物传感体系研究。基于焦磷酸根 (PPi) 与Zn2+之间的强作用力，首次报道了PPi调控DNAzyme活性的荧光传感系统用于碱性磷酸酶 (ALP)的高灵敏检测。基于阳离子型苝衍生物对于邻近荧光基团的超猝灭作用，首次构建了高灵敏的荧光DNAzyme传感器用于Pb2+和L-组氨酸的检测。采用GR-5 DNAzyme作为催化基团，Zn(II)-原卟啉IX/G-四股螺旋作为信号输出基团，设计了一种新型非标型荧光DNAzyme传感器用于Pb2+的高灵敏、高选择性检测。（2）酶活性生物传感体系研究。发展了基于MoS2-核酸适配体自组装技术的前列腺特异性抗原（PSA）检测方法。首次系统研究了WS2纳米片对荧光偏振信号的增强能力，并结合核酸外切酶III（ExoIII）建立了高灵敏荧光偏振检测技术用于DNA糖基化酶活性的监测。提出了一种新型的基于连接反应和ExoIII辅助荧光信号放大的氧化石墨烯（GO）荧光传感系统用于T4多核苷酸激酶（PNK）活性和抑制的检测方法。基于博莱霉素（BLM）-Fe(II)的DNA剪切效应构建了超猝灭的苝二酰亚胺衍生物阳离子（PDI）-DNA复合物用于荧光“turn-on”型检测BLM。（3）新型免疫生物传感器用于癌症标志物检测。发展了包覆二茂铁聚苯乙烯微球，将其作为电化学标记物构建了免疫传感器用于前列腺抗原(PSA)的高灵敏检测。发展了GQDs@Ag纳米复合材料，将其作为荧光标记物构建荧光免疫传感器用于PSA的超灵敏检测。研究了硅球-聚丙烯酸纳米刷对辣根过氧化物酶的承载能力，基于该固酶材料设计了一种新型超灵敏电化学免疫传感器用于HIgG的检测。