基于DNA纳米结构的功能核酸荧光纳米探针的构建及其初步细胞内生物成像应用研究

Due to the high affinity and specificity for tagets, functional nucleic acids (FNAs) have been widely used to construct various fluorescent probes for biomolecules or ions detection. However, FNA itself cannot freely penetrate the cell membrane and is easily digested by nuclease or interfered by nontarget protein in cells, therefore most of FNA-based fluorescent probes are limited to sensing applications in extracellular environments. To detect intracellular biomolecules, the efficient intracellular delivery and stability of FNAs were key factors. By taking advantage of the specific recognition ability of FNAs and the good biocompatibility, cell membrane permeability of DNA nanostructures as well as the ability of DNA nanostructures protecting the nucleic acids from nuclease digestion or nontarget protein interferences, the project intends to synthesize and select the DNA nanostructure with excellet performance as an efficient nanocarrier of FNAs and develop highly biocompatible, sufficiently stable, sensitive and selective fluorescent nanoprobes by integrating FNAs into the DNA nanostructures. This design strategy can achieve the efficient intracellular delivery of FNAs and the in situ, real-time monitoring and imaging of intracellular biomolecules or ions, which will provide a valuable theoretical basis and technical support for the early diagnosis of the disease.

功能核酸由于对靶标的亲和力强、特异性好而被广泛用于构建各种生物分子或离子的荧光探针。然而，由于功能核酸本身难以进入细胞，并易被细胞内核酶降解或受非目标蛋白的干扰，目前大部分功能核酸荧光探针仅限于体外样品的检测；要实现细胞内分子检测，功能核酸的细胞内输送及稳定性是关键。本项目拟将功能核酸的特异性识别能力与DNA纳米结构所具有的生物相容性好、生物膜穿透能力强、并能保护核酸免受核酶和非目标蛋白的干扰等优点相结合，设计制备并筛选出性能优良且易于功能化修饰的DNA纳米结构作为纳米运载体系，进一步利用各种策略将功能核酸嵌入到DNA纳米结构，构建生物相容性好、膜穿透能力强、高生物稳定性、高灵敏、高选择性的荧光纳米探针，实现功能核酸的细胞内输送，从而实现细胞内生物分子或离子的原位、实时荧光检测和成像研究，获取这些生物分子或离子在细胞内的分布信息，为疾病的早期诊断提供有价值的理论依据和技术支持。

功能核酸由于对靶标的亲和力强、特异性好而被广泛用于构建各种生物分子或离子的荧光探针。然而，由于功能核酸本身难以进入细胞，并且容易被细胞内核酶降解或受非目标蛋白的干扰，目前大部分功能核酸荧光探针仅限于体外样品的检测。因此，本研究工作开发了DNA树枝状纳米材料、双光子介孔硅、金纳米簇、银纳米簇以及二氧化锰纳米片等一系列具有特定功能的纳米材料及纳米复合材料，改善了生物识别特性与信号放大功能；并结合生物与纳米的自组装技术，构建了多种荧光纳米探针体系和DNAzyme传感体系，实现了生物分子的高灵敏检测和细胞成像分析，为解决疾病的诊断与治疗、环境监测等重要问题提供了相关的理论基础和技术支持。（1）荧光纳米探针体系。基于双光子成像技术的独特优势以及二氧化锰优良的物化特性，构建了一种多功能纳米探针用于高对比度的双模式细胞成像和肿瘤的诊疗；将双光子硅纳米颗粒的荧光作为内参，构建了一种具有高选择性、高灵敏度的比率型双光子荧光纳米探针并用于细胞中HOCl的成像分析；将DNA树枝状纳米材料作为高效运载体，构建了一种荧光纳米探针用于肿瘤细胞中基因沉默。（2）DNAzyme传感体系。基于脱氧核酶的识别和信号放大功能，结合银纳米簇的优良光学特性，构建了一种无酶、无标记的DNAzyme荧光传感体系并用于铅离子和L-组氨酸的放大检测；利用苝二酰亚胺阳离子化合物作为荧光信号的报告分子，富G核苷酸序列作为铅离子的识别探针构建了一种简单、快速和无标记的荧光增强型铅离子传感器。