碳基纳米复合界面的构建及其在肿瘤细胞和相关活性分子电化学检测的研究

This study intends to carry out the research of electrochemical analysis based on carbon-based composite nano interface with enzyme cycle signal amplification and its application in cancer cell and its related biomolecules detection. The main research can be divided in three aspects: (1) reparing novel and bioactive nanomaterials and composite nano-interface based on graphene, carbon nanotube，mesoporous carbon, and fabricating the well-ordered nano interface with special function by polymer to improve the sensitivity and stability in electrochemical analysis; (2) build functional biometric probe with DNA aptamer recognition technology to improve molecular recognition performance , and turn the determination of cancer cells into a signal amplification of DNA and RNA determination; (3) rolling copy amplification for the detection of tumor cell surface biomolecules with enzyme cycle signal amplification by electrochemical techniques; (4) tool enzyme signal amplification for the determination of cancer cell and intracellular biomolecules by electrochemical techniques based on functional carbon-based composite nano interface as the signal carrier. The propoesd study may offer new methods and techniques for senstive and selective biomolecule analysis for early cancer diagnoses.

本课题拟开展功能化碳基纳米复合界面、工具酶循环放大策略和电化学传感技术相结合，用于肿瘤细胞及其相关生物分子的分析检测。主要研究工作包括如下几方面：（1）构建以石墨烯、碳纳米管、介孔碳等碳纳米材料支撑的高有序聚合物功能化复合纳米界面，并以此作为电化学信号的载体, 提高电化学检测的灵敏度和稳定性；（2）结合核酸适体识别技术，构建功能化生物识别探针，使大量目标物信号固定在功能化碳基纳米复合界面上, 将待测肿瘤细胞的检测转变为DNA和RNA的信号放大检测，提高分子识别性能；（3）基于工具酶循环放大技术和核酸适体识别原理，采用滚环复制放大策略，电化学方法检测肿瘤细胞表面生物活性分子；（4）基于靶向细胞与核酸适体的特异性结合作用，以碳基纳米复合传感界面为信号载体，酶信号放大策略电化学分析检测肿瘤细胞及其细胞内部活性分子。为生物学及临床医学等领域提供重要的参考依据，也为肿瘤的早期诊断提供新方法和新技术。

本课题面向癌症疾病早期诊断的前沿问题，开展了功能化纳米传感界面、工具酶循环放大策略和生物传感技术相结合，用于肿瘤细胞及其相关生物分子的分析检测。主要研究内容包括7项：（1）基于三螺旋分子-磁流体探针和滚环放大策略实现了对肿瘤相关活性物质miRNA的高灵敏特异性检测和单肿瘤细胞成像分析。利用信号分子与石墨烯纳米片距离的变化实现了信号放大检测分析策略。实验数据表明：肿瘤细胞内可观察到突出的点状光斑，而正常肝细胞则没有明显的光点，为恶性肿瘤疾病的早期诊断和观察提供一种有效的成像分析工具。（2）将功能化的DNA四螺旋结构分子探针引入到传感检测技术中, 构建了增强效果好、稳定性强的传感信号检测方法，并实现了对溶菌酶的高灵敏度检测，检测限可低至0.5 fM。（3）利用核酸聚集体实现了细胞内信号分子的富集，实现了肿瘤细胞内的miR-21的特异性检测分析和细胞成像监测。（4）通过Thiol-disulfide交换反应设计了核壳结构的核酸分子聚集体，并用于还原性谷胱甘肽（GSH）的检测和单肿瘤细胞成像分析，初步实现了对肿瘤细胞和正常细胞的识别。（5）基于端粒延长生成的核壳生物聚合物用于单个癌细胞检测和成像分析，实现了对恶性肿瘤细胞内端粒酶的检测和靶向释放药物。实验数据显示：该方法可以区分单个恶性肿瘤细胞和正常细胞；并在癌细胞内释放药物量多，在正常细胞内释放药物量少，有助于减少对健康细胞的损伤。（6）制备了介孔金属氧化物CuCo2O4，应用于葡萄糖的检测，具有较好的电化学响应信号。（7）设计了双靶向功能探针, 靶向两种基因组分，这种交叉探针在肿瘤细胞内可激发双向滚环复制反应，形成双信号荧光纳米簇监测细胞内两种基因组分的表达变化。近三年，以第一或通讯作者在“Chemical Science”、 “Analytical Chemistry”、 “Chemical Communications”等国外重要学术刊物上发表SCI论文7篇。这些研究将为肿瘤细胞分析提供新的研究思路和技术平台，为癌症的早期诊断和致病机理的研究提供重要的理论依据。