基于DNA纳米技术的激活式核酸适配体探针构建及其肿瘤活体荧光成像

One of the key contents for in vivo fluorescence cancer imaging is the design and construction of molecular recognition probes with high stability, high affinity, high selectivity and high contrast. In this project, by taking advantages of the high specificity of aptamers to targets and the ability of DNA nanotechnology to assemble highly ordered, controllable and addressable two-dimensional or three-dimensional structures, a control method for assembling activatable aptamer probes will be developed based on the targets recognition or the acidic microenvironment of the cancer induced aptamer configuration changes. A series of multivalent, multiple targets and multi-response activatable aptamer probes with good affinity and high stability will then be designed and constructed. By mainly choosing liver cancer and lung cancer as the study objects, the in situ, in vivo and rapid fluorescence imaging and detection method for cancer will be developed and adopted for cancer early diagnosis. Moreover, we will also develop activatable diagnostic and therapeutic integration technology platforms by introduction of therapy effects of functional nucleic acids or by the use of the antitumor drugs which bind with DNA bases through intercalation, coordination or electrostatic interaction. We will then explore the novel strategies for high contrast in vivo fluorescence imaging guided efficient cancer treatment. This project will carry out innovative research in the crossing field of analytical chemistry and cancer medicine, which will deepen and expand the application of aptamer and DNA nanotechnology in cancer medicine research.

设计和构建高稳定性、高亲和力、高选择性和高对比度的分子识别探针是肿瘤活体荧光成像研究与应用的关键内容之一。本项目利用核酸适配体的识别特异性和DNA纳米技术的可组装高度有序性、可控性与可寻址性二维或三维结构的能力，以核酸适配体识别靶标或肿瘤酸性微环境刺激引起构型变化为激活式探针设计原理，建立基于DNA纳米技术的新型激活式核酸适配体探针可控组装方法，构建系列亲和性好、稳定性高的多价、多靶标及多响应模式的激活式核酸适配体探针，以肝癌、肺癌等肿瘤为主要研究对象，发展针对恶性肿瘤原位、快速、活体荧光成像与检测新方法。通过进一步引入功能核酸治疗作用或利用碱基嵌入、配位或静电作用等结合抗肿瘤药物，发展基于DNA纳米技术的激活式诊疗一体化技术平台，探索高对比度活体荧光成像引导下的肿瘤高效治疗。该项目在分析化学与肿瘤医学交叉领域开展创新性研究，将深化和拓展核酸适配体和DNA纳米技术在肿瘤医学研究中的应用。

该项目结合纳米生物学技术、分子工程技术、肿瘤生物学、活体成像技术等交叉学科和前沿技术，利用核酸适配体（Aptamer）的识别特异性和DNA纳米技术的可组装高度有序性、可控性与可寻址性的各种二维或三维几何结构能力，以Aptamer识别靶标或肿瘤酸性微环境等刺激引起构型变化为激活式探针设计原理，建立基于DNA纳米技术的新型激活式Aptamer探针可控组装方法，构建系列亲和性好、稳定性高的多价、多靶标及多响应模式的激活式Aptamer探针，发展针对恶性肿瘤原位、快速、活体荧光成像与检测新方法。通过引入功能核酸治疗作用或利用碱基嵌入、配位或静电作用等结合抗肿瘤药物，进一步发展基于DNA纳米技术的激活式诊疗一体化技术平台，开展高对比度活体荧光成像引导下的肿瘤高效治疗研究。通过项目的实施，制备了碳量子点、DNA模板化金属荧光纳米颗粒、中空型介孔二氧化硅载药智能体系等多种荧光纳米成像探针基元和肿瘤治疗基元纳米载体体系；利用i-motif、酸敏感键等作为响应元件，结合裂开型核酸探针设计方法，构建了基于肿瘤酸性微环境和靶标识别触发DNA纳米结构重构的系列新型激活式Aptamer探针，开展了肝癌、肺癌等肿瘤的靶向荧光成像；引入反义寡核苷酸、DNAzyme、抗肿瘤药物阿霉素（DOX）等治疗基元，通过静态组合或动态组合反应方式，发展了多种基于DNA纳米技术的“激活式诊疗一体化”技术平台，实现了Aptamer靶向和高对比度活体荧光成像引导下肿瘤高效化疗和化学-基因联合治疗。通过项目的完成取得了一批具有重要意义的研究成果，在Theranostics、Small、Chemical Science、Analytical Chemistry、Chemical Communications等国内外学术期刊上发表创新型研究论文59篇，其中影响因子大于5的论文有38篇，获授权发明专利2项，新申请发明专利1项。项目执行期间，培养硕士和博士研究生共12人，新增国家自然科学基金面上项目1项，并获得了湖南省重点研发计划“实验动物重点研发项目”项目资助，作为主要完成人之一参与的“湖南大学化学生物传感创新团队”获2019年湖南省科学技术创新团队奖。