基于信号放大策略的恶性肿瘤相关物质检测新方法及单细胞成像分析的研究

For the advanced problems of early cancer diagnosis, this work aims to research new methods of detecting cancer-related substances and imaging single cancer cell by nucleic acids signal amplification strategy. The specific biological probes with intelligence identification are prepared for establishing the high sensitivity and specificity SERS detection systems by molecular recognition and signal amplification technology. They are used to detect cancer-related substances, such as cytokines, variant surface protein, ATP, MicroRNA and telomerase, etc. This project intends to explore the novel strategy of analysis for monitoring the distributions and levels of bioactive molecules in a single cell, especially in the surface and inside of the living cell, by the micro-hole arrays to anchor and label the single cells. We plan to detect the cancerous markers in cell organelles, and simultaneously study the different cancer-related substances through SERS signal intensities and imaging changes. This proposed study can offer new methods and techniques for sensitive and selective biomolecule analysis in the single cancer cell, and aid in pathogenesis research and early diagnoses of cancer.

本课题面向癌症疾病早期诊断的前沿问题，拟开展基于核酸信号放大策略的恶性肿瘤相关物质检测新方法和单肿瘤细胞成像分析的研究。针对恶性肿瘤不同活性物质合成具有智能识别功能的纳米生物探针，结合“分子识别”和“信号放大”技术，通过表面增强拉曼光谱（SERS）实现对恶性肿瘤相关物质突变如细胞因子、表面分化蛋白、ATP、MicroRNA及端粒酶等活性物质的放大检测，构建高灵敏度、高特异性的纳米生物SERS检测体系；发展微米孔阵列固定/标记单细胞的新技术，探索单细胞拉曼分析新方法，对单个肿瘤细胞、细胞表面/内部活性物质的分布情况、含量进行分析检测；进一步深入到单肿瘤细胞的细胞器内进行肿瘤相关活性物质的检测探索，并同时研究多种恶性肿瘤相关物质的SERS信号和成像强度变化。该课题将为单个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。

该项目面向癌症疾病早期诊断的前沿问题，开展基于核酸信号放大策略的恶性肿瘤相关物质检测新方法和肿瘤细胞成像分析的研究。针对恶性肿瘤不同活性物质合成具有智能识别功能的纳米生物探针，通过“分子识别”和“信号放大”技术实现对恶性肿瘤相关物质突变如miRNAs、端粒酶等活性物质的放大检测，构建高灵敏度、高特异性的纳米生物检测体系，并探索单细胞分析方法，对单肿瘤细胞内部活性物质进行分析，同时研究恶性肿瘤相关物质的信号和成像强度变化。主要研究工作为三方面： 1）针对癌症相关物质端粒酶、miRNAs设计具有靶向性的双功能探针和双信号响应性识别芯片。结合分子识别和杂交链式反应，利用金属荧光增强效应和SERS增强性能等信号放大技术，建立生物相容性好的可视化芯片系统，实现对肿瘤细胞内两种癌症相关标志物的高灵敏度、高特异性检测。进一步提出基于Boolean逻辑“and”策略，实现肿瘤标志物的双信号定量分析，为肿瘤标志物早期诊断相关研究领域提供可视化技术支持。2）设计具有优异催化性能、模拟酶性质的纳米材料，结合电化学生物分析技术实现对肿瘤细胞内双氧水的高灵敏性、高选择性检测分析。3）利用DNA去甲基化、光动力-光热治疗和免疫调控技术，构建具有优良生物相容性和抗肿瘤免疫效应的纳米药物，并通过体外和体内实验证实这种纳米药物具有明显的抗肿瘤作用，为肿瘤疾病早期诊断和致病机理的研究提供理论依据和技术支持。以第一或通讯作者在Biosens. Bioelectron.、ACS Appl. Mater. Inter.、Nanoscale等期刊发表SCI论文15篇，其中中科院一区论文12篇；获山东省高等学校科学技术奖1项；授权国家发明专利1项，申请国家发明专利1项；培养博士后3名，研究生9名；指导学生获中国国际“互联网+”大学生创新大赛国家级铜奖、山东省金奖（探癌者-国内新一代高精准无创多癌早期筛查专家）。