面向高灵敏miRNA检测的三元非对称多孔纳米检测器研究

MicroRNA (miRNA) detection based on DNA probe and nanoparticle fluorescence quenchers possesses a great potential in early rapid detection of tumor biomarkers. Aimed at high-sensitivity nanodetector for miRNA, asymmetric nanoprobes with a ternary structure of mesoporous polydopamine-gold nanoparticle-DNA endonuclease will be designed and constructed in this project through the studies on the integration of nanocarriers and the interactions between nanostructures and short oligonucleotides. Firstly, porous nanocarriers with high payload of DNA probes will be obtained by the exploration on the organic-organic interactions and the mechanisms on the controllable fabrication of mesoporous polydopamine. Subsequently, the emphasis is put on the mechanisms for the effects of negative-curvature nanopore structures on the affinity of single and double strand oligonucleotides, so that particle structures with efficient fluorescence quenching and recovery can be obtained. Finally, the ternary nanostructure with the integration of gold nanoparticles and DNA endonuclease will be realized by combined technologies of self-assembly, asymmetric growth of guest particles, and selective surface modifications. Regularities for the influence of asymmetric structures on synergistic quenching, as well as effects of asymmetric enzyme modifications on synergistic signal amplification will be investigated systematically. New scientific evidence for the studies of the interactions between nanoscale materials and short oligonucleotides, together with new strategies for the construction of high-performance miRNA-detection nanoprobes, will be provided by the implementation of the project.

基于核酸探针技术和纳米荧光猝灭剂的微小核糖核酸(miRNA)检测，在肿瘤标志物早期快速检测中潜力巨大。本项目面向高灵敏度的miRNA纳米检测器，通过纳米载体复合及纳米结构和短链核酸之间相互作用研究，设计和构建基于介孔聚多巴胺-金颗粒-DNA内切酶的三元非对称纳米探针。首先，通过探索有机-有机相互作用与介孔聚多巴胺的可控制备机理，得到可以装载大量核酸探针的多孔纳米载体；随后，重点研究负曲率的纳米孔道结构对单双链核酸亲和性的影响机理，得到荧光能够被高效猝灭和恢复的颗粒结构；最后，通过自组装、非对称客体颗粒生长和选择性表面修饰的组合手段实现复合金颗粒和酶的三元纳米颗粒，系统地考察非对称结构的协同荧光猝灭效应规律，以及基于非对称的酶修饰的协同信号放大规律。通过本项目的实施，为纳米尺度的材料和短链核酸相互作用研究提供新的科学依据，为高性能miRNA检测纳米探针的构建提供新的思路。

微小核糖核酸(miRNA)等肿瘤标志物的高性能检测和诊断，对肿瘤精准治疗意义重大。纳米尺度传感界面上的分子识别和信号传导调制，是诊断体系设计和构筑的难点问题。项目以功能核酸调制的纳米传感体系为研究对象，以介孔聚多巴胺（PDA）-金纳米颗粒-DNA酶三元非对称纳米猝灭剂和传感器结构为出发点展开研究。围绕荧光猝灭、适配体装载、miRNA响应和信号放大过程中的物质传递、电子转移和能量转换问题，系统研究传感器可控制备和性能调控规律、复合结构与表面协同传感的构效关系，完成预期目标。首先，项目建立了有机无机界面导向性控制PDA纳米结构的模型和调控方案，揭示富π电子界面和核酸碱基平面空间克服聚多巴胺高分子内聚、诱导其可控组装的生长要素，发展三维介孔、二维纳米片等PDA纳米结构的精准可控构筑方法，揭示共轭结构能级掺杂与荧光猝灭的构效关系。其次，通过皮克林乳液模板、静电排斥作用实现金纳米颗粒在介孔PDA 表面非对称生长，结合区域选择性修饰和酶固定，建立单个纳米传感器颗粒上底物识别和信号放大模块整合和分隔的荧光传感控制和调制方法，阐明扩散传质增强型功能耦合荧光检测的非对称传感结构构筑规律。最后，将表界面主客体作用和传感规律扩展到其他光电检测领域，揭示光响应载体和靶标响应性核酸致动耦合的纳米器件的组装和传感控制机制，开发复合核酸门禁控释多孔PDA颗粒内电活性分子的电化学传感方法，发展基于区域选择性富集孔效应的表面增强拉曼散射（SERS）传感体系。通过上述研究，构建具有超窄带隙、超强荧光猝灭能力的复合纳米猝灭剂，得到具有低miRNA检测限（32 fM）的介孔PDA-金-核酸酶三元非对称检测器，开发具有高选择性的光热激活miRNA传感系统、具有超高检测稳定性和重复性（RSD 3.8%）的比率型电化学传感器，显著提高核酸调制的光电耦合传感系统的可控性和可靠性。以上传感器，为高性能肿瘤标志物传感器的开发提供新的设计构筑策略和科学依据，相关成果在国际期刊上发表（通讯文章15篇）。