过渡金属催化剂驱动的氧化还原荧光调控体系的构建及其在疾病检测中的应用

Inhibited by the weak stability and larger molecular size of enzyme, the detection sensitivity of various disease detection methods based on enzymatic catalysis is generally low. Therefore, this project intends to replace biological enzyme with the transition metal catalyst due to its small molecular size, good temperature and pH tolerance and high catalytic efficiency and explore new disease detection methods. Firstly, the fast and stable transition metal catalyst induced fluorescence regulation system is established by combining the transition metal catalysts modified by carboxyl or amino groups and “quinones-hydroquinone” redox-controlled fluorescent probe. This system will be further optimized by adjusting the metal center and ligands of the catalyst, reaction temperature, reaction time and other factors, and biocompatibility of the catalyst will also be investigated. Then, the catalyst marked antibody or antibody-Material are prepared by the direct copulation of catalysts and and antibody or both modifying the catalyst and antibody on the surface of nanometer materials. Finally, an ultrasensitive fluorescent detection method for disease biomarkers could be built by combining the fluorescence regulation system and the immunoassay strategy of proteins. Thus, the designed detection system could be used as a promising platform for the detection of a variety of disease biomarkers (including alpha-fetoprotein AFP et al.) and served as a powerful tool in clinical diagnosis. This project is expected to develop a series of novel detection approaches for disease biomarkers, and service to the early diagnosis of cancer.

基于生物酶催化反应的各种疾病检测方法，由于受酶自身稳定性差、分子体积大等因素的抑制，检测灵敏度普遍较低。因此，本项目拟利用分子体积小、温度和pH耐受性好、催化效率高的过渡金属催化剂代替生物酶，探索新型的疾病检测方法。拟首先合成羧基或氨基修饰的加氢还原过渡金属催化剂和“醌—氢醌”灵敏响应氧化还原调控荧光探针，构建快速、稳定的过渡金属催化剂诱导荧光调控体系。进而，通过调整催化剂金属中心及配体、反应温度、反应时间等因素对体系进行优化，并模拟生物环境考察并优化催化剂的生物相容性，获得生物相容性好、快速、灵敏的荧光调控体系。接着，将催化剂直接修饰抗体或将催化剂和抗体同时修饰到纳米载体表面，获得催化剂标记的抗体或抗体材料，并结合蛋白特异性免疫反应体系，构成灵敏的疾病标记物的荧光检测方法，实现对甲胎蛋白AFP等标记物的临床检测。该项目的顺利实施有望开发一系列新的疾病检测方法，并贡献于目前癌症早期诊断研究

金属络合物因具有分子体积小、种类多、易制备、热稳定性好等优点，近年来已经在细胞生物成像、癌症治疗等生物领域展现出了广泛的应用潜力。然而，在疾病标记物检测方面，受限于催化剂催化活性低（远低于生物酶）、生物相容性差等问题，仍然面临诸多挑战。因此，探索更高活性、更加稳定、生物相容性好的金属络合物催化剂，研究催化剂与荧光传感以及商品化疾病检测方法之间的协同与关联关系，从而开发更加稳定的新型疾病标记物检测方法具有十分重要的研究价值。在我们小组的努力下，开发了具有目前最高辅酶NADH再生活性的吡啶-2-苯酰胺类铱络合物催化剂，该催化剂的加氢活性甚至超过了甲酸脱氢酶。在此基础上，完成了吡啶-2-苯酰胺类铱络合物催化剂在羧基石墨烯材料表面的修饰固定，制备了非均相、可循环的羰基类化合物低温加氢催化剂。进而，开发了一系列新型的辅酶NAD+高专一性加氢铱络合物吡啶-2-磺酰胺类铱络合物。围绕铱络合物在生物传感器构建中的应用研究，首先合成筛选出了3种高信噪比的加氢调控荧光探针NAD+、P-Coumarin和P-Rho110，并研究了3种荧光探针与不同类型不同催化加氢活性金属铱络合物之间的催化加氢荧光响应性能，成功构建了高灵敏、高信噪比的金属铱络合物引发的荧光调控体系。针对研究过程中发现的金属铱络合物与胎牛血清蛋白BSA、脱脂奶粉等封闭剂的相容性问题，本研究开展了金属铱络合物催化剂的抗生物干扰性能研究，构建了基于金属铱络合物催化荧光调控体系的高灵敏巯基药物荧光传感器和甲酸根的快速荧光分析方法。此外，提出了金刚烷化铱络合物-环糊精主客体组装铱络合物催化剂后修饰策略，有效解决了封闭剂对导致的催化剂失活问题。这些工作的开展，丰富和推动了有机铱络合物催化剂的发展与应用，解决了部分有机铱络合物催化剂与荧光探针的催化荧光响应信号低以及巯基类生物分子难以相容的关键性问题，最终为推动有机铱络合物催化剂在疾病标记物检测中的应用提供了技术手段和理论借鉴。