基于DNA量子点构建生物传感体系用于分析检测与消除多重耐药菌

Multidrug-resistant (MDR) bacteria are a serious international health problem, with devastating consequences to patient health care. Conventional bacterial detection and identification methods often require pre-enrichment and/or sample preprocessing and purification steps that can prolong diagnosis by days. New strategies are needed to provide versatile systems that sensitive detection of these bacteria. In this project, we sought to develop functional DNA-templated quantum dots for specifically sensing and killing of MDR bacteria on surfaces. Recognition elements and photosensitizer were conjugated to the surface of DNA-capped QDs. The functionalized DNA QDs sense MDR bacteria specifically on the surface. Under irradiation, the designed system can generate highly cytotoxic reactive oxygen species, which can kill MDR bacteria effectively. The designed system will enable the rapid and sensitive detection of these MDR bacteria on surfaces to enable their effective decontamination, and potentially reduce or prevent the spread of illness. This work paves the way for the development of multifunctional nanomaterials with multiple synergistic functionalities for biomedical applications.

多重耐药菌感染已经成为严重的国际卫生问题。传统的细菌检测方法过程繁琐耗时，已逐渐不能满足实际需要。一些纳米传感体系可用于细菌的分析检测，但其检测灵敏度仍然无法满足细菌原位检测的需求，尤其是无法实现对多重耐药菌的的特异性识别，亟需发展快速和高灵敏度的生物传感平台用于原位和特异性识别多重耐药菌。为解决这一问题，本课题创新性采用了以DNA为模板的量子点作为纳米探针，通过控制设定DNA中硫代磷酸的长度与量子点的尺寸，来调控特异性识别元素在量子点表面的结合位点与空间取向，可提高对多重耐药菌的靶向性和检测的响应速度，实现原位、快速、高灵敏检测。同时，光敏剂修饰在DNA量子点的表面，在可见光照的条件下，该体系可以产生活性氧分子，从而杀死多重耐药菌，可减少或防止细菌感染疾病的传播。本项目为多重耐药菌的分析检测与消除提供了新策略，拓展了生物纳米材料在分析检测中的应用，在实际生活中具有潜在的应用价值。

新型生物标记物的识别与检测促进了检测技术的快速发展。新型生物标记物作为一种特异性的癌症诊断和预后的标志物，实现生物标记物的精准检测对于疾病诊断具有重要的研究意义。近年来，DNA荧光纳米探针逐渐发展成为一种监测和分析生物标记物以及细胞和生命体动态变化过程的有效工具。然而，由于存在易受生物自身荧光干扰、脱靶效应以及缺乏时空控制等问题，传统的DNA纳米探针在获得高精度和分辨率的成像信号方面仍存在一定的局限性。激活型DNA纳米探针可通过外源性或内源性因素调节其成像和传感性能，展示出了克服这些局限性的良好潜力。本项目设计构建了新型DNA纳米探针及其在复杂生物系统中进行生物标志物成像与传感方面的研究。（1）合成了以DNA为模板的量子点作为纳米探针，通过控制设定DNA中硫代磷酸的长度与量子点的尺寸，来调控特异性识别元素在量子点表面的结合位点与空间取向，实现了对药菌的快速检测与成像。（2）设计并制备了一个具有D-π-A结构的近红外小分子荧光染料探针。该探针对G-四链体的结合力和选择性远远高于单链DNA和双链DNA，与G-四链体结合后荧光发射显著增强。而且探针对反平行人端粒G-四链体表现出更为优异的选择性和亲和力。实验表明，该探针可以进入活细胞并靶向线粒体，与细胞内的RNA发生相互作用，具有对细胞内的RNA G-四链体进行分析检测的应用潜力。（3）利用MOFs表面不饱和的金属位点，通过金属配位键实现了一步法构建 DNA-MOFs纳米探针，实现细胞内结构特异性核酸内切酶1的检测和成像。随后，利用噻唑橙和与罗丹明B染料分子之间的能量共振转移原理，构建了DNA-MOFs的比率荧光探针，并实现对细胞内miRNA的高灵敏检测和成像。构建了对谷胱甘肽具有刺激响应的激活型DNA-MOFs纳米探针用于miRNA的检测与成像。该体系实现了内源性因素调节下的对miRNA的时空可控的高灵敏度检测与成像。