荧光树枝状大分子的合成及作为生物探针的应用研究

荧光分子探针在生命科学和医学等研究领域有着迫切需求，是近期国际上的研究热点之一。本项目拟设计合成新型的单分散性更高的、结构可精确控制的具有生物相容性的荧光树枝状大分子，探索其潜在的生物应用前景。具体设想是：1.设计合成一系列外围末端携带多种反应性官能团的苝系荧光树枝状大分子，精确设计/控制大分子代数的增长；2.分析研究分子结构与其光学性能的关系，总结影响规律；3.研究外围官能团的种类、数量对其水溶性的影响及与生物分子反应的特性，利用荧光成像来表征其在活体细胞和组织中的分布与定位，探索此类大分子对细胞生命活动的影响，研发新型特异性荧光分子探针和基因载体等。本项目以有机化学、高分子化学及细胞生物学等新兴交叉研究为导向，以申请人在荧光聚合物的合成及应用的前期研究为基础，科学性、可行性强，预计该项目能够圆满完成并取得显著的成果。

基因疗法和遗传学控制是化学与生物学交叉学科的前沿热点领域。为了避免病毒体系的潜在危险，非病毒体系的基因传送系统是当前的研究焦点。因此，我们设计并合成了一类以化学稳定性优异的苝酰亚胺（PDI）为荧光核的树枝状分子，并将其应用于基因和药物载体。主要研究成果如下所述：.1、荧光聚酯树枝状分子的设计制备、基本性质及生物应用。首先以苝酰亚胺为荧光核，通过单体和功能基团之间选择性的点击化学反应方法合成荧光树枝状大分子。两个不对称单体甲基丙烯酰氧基丙烯酸乙酯（MAEA）和2-巯基乙胺（CA）与苝酰亚胺反应合成外围氨基并能够生物降解的聚酯类树枝状大分子。细胞摄取实验表明随着代数的增加，聚酯树枝状大分子（G1-G3）穿透细胞膜及运载基因的能力增强。最后，我们将G2用于基因和药物载体，为害虫防治和植物发育及改良提供了参考。.　　2、荧光聚酰胺树枝状分子的设计制备、基本性质及生物应用。以苝酰亚胺为核，通过N,N-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）和氨乙基哌嗪（AEPZ）两个单体与苝酰亚胺的迈克尔加成反应合成了外围携带氨基官能团的聚酰胺类荧光树枝状大分子（PDI-PAmAm）。该载体能够快速携带外源基因dsRNA进入活体昆虫体内细胞中抑制害虫基因的正常表达，导致害虫发育停滞。该类载体的荧光特性可以示踪遗传物质在细胞水平和组织水平的传送过程，为农业害虫治理提供了新的研究思路。.3、单分子荧光聚合物胶束（UFPM）的设计制备、基本性质及生物应用。通过原子转移自由基聚合（ATRP），以苝酰亚胺为核的八臂引发剂PDI-8Br分别引发2-氨乙基甲基丙烯酸酯（AEMA）和丙烯酸（AA）的聚合，得到两种聚合物PDI-PAEMA和PDI-PAA。其中PDI-PAEMA以-NH2为功能基团，PDI-PAA以-COOH为功能基团。当pH值变化时，聚合物所形成的单分子胶束尺寸及荧光性质会发生相应的变化。这种荧光聚合物单分子胶束具有可逆pH敏感性，可以回收并重复利用。随后进一步研究了PDI-PAEMA分子在基因载体方面的应用。结合RNA干扰（RNAi）技术，将载体和体外合成的几丁质酶CHT10-dsRNA混合后喂食害虫幼虫，使其关键发育基因的表达受到有效抑制，导致害虫发育停滞、不能蜕皮、直至死亡。这项工作首次通过非病毒基因载体控制害虫生长发育，有助于避免化学农药的过度使用，为农作物害虫的遗传学控制打开了新思路。