新型生物功能化的黑磷纳米探针用于细胞凋亡和癌症治疗研究

Black phosphorus (B.P.), the promising candidate of new 2D semiconductors, has attracted wide interesting among researchers. B.P. has been highlighted as ideal platforms for the applications in electronic and optoelectronic devices. However, the development in chemistry and bioanalysis is little exploited. Focusing on the key scientific issues in detection of intracellular biomolecules and therapy of cancer by using the new 2D nanomaterials, this project aims to design black phosphorus-based nanoprobes for detection, imaging and photodynamic therapy of cancer cells based on the new achievements of analytical chemistry, materials chemistry, molecular biology and cell biology. The main project includes the synthesis of B.P. nanomaterials with good biocompatibility, deep research on the fluoresence- quenching effect by B.P. nanosheets and the binding capacity with biomolecules, and construction of multifunctional B.P. nanoprobes for the development of sensing mechanism and methods in cancer cells. Moreover, the investigation on the theories and principles of high 1O2 quantum yield of B.P. provides strong foundation for photodynamic therapy of cancers. With the help of two-photon fluorescence and flow cytometry techniques, the new imaging strategy is established for in situ monitoring apoptosis-related caspase activity. This project provides new nanoprobes for the detection sensitivity and simplify operation process of cell analysis and cancer therapy, which would have broad application in bioanalysis and clinic diagnosis.

黑磷作为二维材料界冉冉升起的一颗新星，它的研究备受瞩目。目前黑磷基本集中应用于电子和光电设备，其化学和生物应用还处于开发阶段。本项目针对新型二维纳米材料用于癌细胞里生物功能分子的分析和癌症治疗的关键科学问题，将分析化学与纳米科学、分子生物学和细胞生物学等领域新成就相结合，构建黑磷纳米探针用于癌细胞里的检测，成像和光动力治疗。主要包括拟合成生物相容性好的黑磷材料，深入研究黑磷纳米片对荧光染料的猝灭能力以及和生物分子的结合能力；构筑多功能黑磷纳米探针用于发展癌细胞中的传感新原理与新方法；探讨黑磷高的单线态氧量子产率的理论原理，为实现癌症的高效光动力治疗提供坚实基础；借助双光子荧光、流式细胞仪等技术，原位监癌治疗过程中细胞凋亡而激活的半胱天冬酶的活性。本项目工作为细胞分析及癌症治疗提供高效灵敏且操作方便的新纳米探针，在生物分析与临床诊断领域具有广阔的应用范围。

在基金项目21605082的资助下，研究工作按项目计划围绕新型黑磷纳米材料用于癌细胞里生物功能分子的分析和癌症治疗的关键科学问题，将分析化学与纳米科学、分子生物学和细胞生物学等领域新成就相结合，构建了黑磷纳米探针用于癌细胞里的检测，成像和光动力治疗。主要成果包括：（1）合成了生物相容性好、性质稳定的黑磷探针，阐明了黑磷纳米片对荧光染料的猝灭能力以及和生物分子的结合能力，并探讨了黑磷探针高的单线态氧量子产率的原理，为实现癌症的高效光动力治疗提供了坚实基础；（2）构筑了多功能黑磷纳米探针用于发展癌细胞中的传感新原理与新方法；以黑磷纳米片作为光敏剂和纳米载体，开发了一种双触发自供氧纳米系统，而且，此治疗系统的载体本身具有光敏剂的功能，通过改善乏氧肿瘤的氧源情况有效增强了光动力治疗的可控性和可持续性，从而克服了目前癌症光动力治疗的低效问题；（3）通过两步法在黑磷量子点上原位生长金属有机框架物并负载catalase酶，形成具有供氧、光动力治疗及光热治疗的复合纳米结构。通过级联催化反应，不仅改善了肿瘤乏氧微环境，而且克服了乏氧对疗效的限制，形成了诊疗一体化平台。. 经过三年的研究工作，圆满完成了研究计划，实现了预计各项科学目标，已发表SCI论文17篇，其中在影响因子大于5.0刊物发表论文15篇。本研究为细胞分析及癌症治疗提供了高效灵敏且操作方便的新型纳米探针，在化学测量与临床诊断领域具有广阔的应用前景。