金属有机框架材料对细胞内Caspase的检测、成像及功能分析

Metal-Organic Frameworks (MOFs) are a kind of crystalline molecular materials, which show promising applications in bioanalysis. Focusing on the key scientific issues in analysis of cells, this project aims to design novel metal organic frameworks for detection, imaging and functional analysis of intracellular caspase based on the new achievements of analytical chemistry, nanomaterials chemistry and cell biology. The main project includes the synthesis of MOFs nanomaterials with good biocompatibility, high stability and low toxicity, exploiting the relationship between composition and performance of MOFs structure, and constructing multifunctional MOFs nanoplatform; The deep research and clarification on caspase recognition mechanism of MOFs probes provides a theoretical basis for the new caspase sensing principle and method, and then a rapid, sensitive, and high-throughput detection of target molecules is achieved; With the help of time-resolved fluorescence imaging techniques, the new imaging strategy is established for imaging of intracellular caspase with time- and space-resolution, which can be in situ applied in monitoring the evolution of intracellular caspase family, and elucidate the relationship between their evolution and cell apoptosis; Moreover, controllable MOFs-based technology provides an effective method for realizing the integration of cancer diagnosis and therapy, and shows a potential application. These new multifunctional MOFs nanoplatform, detection methods and imaging principles play a positive role in analytical chemistry, especially for bioanalytical chemistry.

金属有机框架物（MOFs）是一种新型分子晶体多孔材料，在生物分析领域有着潜在应用价值。本项目针对细胞分析中的关键科学问题，将分析化学与纳米科学和细胞生物学等领域新成就相结合，拟合成生物相容性好、性质稳定、毒性低的纳米MOFs材料，探讨MOFs的结构组成与性能之间的关系，构筑多功能MOFs纳米平台；深入研究和澄清MOFs探针对caspase识别机制，为caspase传感新原理与新方法提供理论基础，实现对靶标分子快速、灵敏、高通量检测；借助时间分辨荧光等成像技术，建立胞内caspase酶的时间与空间分辨成像新技术，原位监测胞内caspase酶家族的演变，并阐明caspase演变与细胞凋亡的关系；而且，可控的MOFs纳米平台技术为实现癌症诊断和治疗的一体化提供了有效手段，具有潜在的应用价值。这些新的多功能MOFs材料、检测方法和成像原理对分析化学，特别是生命分析化学的发展起到积极推动作用。

在基金项目21675084的资助下，研究工作按项目计划围绕新型MOFs纳米探针的精准构建与细胞分析中信号转换等关键科学问题，将分析化学与纳米科学和细胞生物学等领域新成就相结合，构建了MOFs纳米复合探针用于细胞内生物功能分子的检测、成像和功能分析。主要成果包括：（1）合成了生物相容性好、性质稳定的MOFs复合探针，阐明了MOFs探针的信号转换新原理与新方法，并利用MOFs良好的仿生催化性质，构建了生物酶活性的高灵敏检测方法，为实现细胞内的功能分子实时监控提供了坚实基础；（2）设计了新型功能化MOFs的离域信号转换策略用于亚细胞谷胱甘肽的实时成像，构建了核壳型MOF探针可对活细胞内的组织蛋白酶B和caspase进行逐步响应成像；（3）创建了一种基于双金属MOFs探针的平行累积脂质过氧化物新策略，实现了优异的抑制肿瘤生长效率；提出了自供氧新策略并用于双触发型黑磷纳米系统的增强光动力治疗；开拓了核壳型MOFs异质结构在成像介导的肿瘤增强治疗及信号反馈应用，形成了诊疗一体化新型平台。..经过四年的研究工作，圆满完成了研究计划，实现了预计各项科学目标，已发表SCI论文37篇，其中在影响因子大于5.0刊物发表论文30篇（包括J. Am. Chem. Soc. 1篇，Angew. Chem. Int. Ed. 3篇，Chem. Soc. Rev. 1篇）。本研究为细胞的功能分子成像及癌症治疗提供了高效的新型纳米探针，在化学测量与临床诊断领域具有广阔的应用前景。