基于亲和多肽的新型荧光纳米传感器构建及其在肿瘤干细胞标志物检测中的应用

Cancer stem cells (CSCs) are thought to be responsible for growth and dissemination of many malignant tumors and for relapse after therapy. Therefore, the rapid, sensitive and accurate detection of CSC markers, can be helpful for early diagnosis and efficacy assessments of tumor. Studies have shown that, affinity peptides with specific amino acid sequences can specifically recognize CSC markers. The proposed research aims to base on the selected affinity peptide sequences with specific binding for CSC markers, including CD44, CD133 and Nestin, combine with nanomaterials which have unique optical and functional properties, and are easy to interact with biomolecules, to construct novel fluorescent nanosensors.. By utilizing chemical synthesis, modification, chemical coupling, or nano-labeling, we design and prepare functional (singe functional, multi-functional fused, DNA hybrid) affinity peptide probes, and discover the general principles for rational designing of peptide probes. Then combined with molecular self-assembly, nanotechnology, and enzymatic amplification technology, we implement the processes of sensing, signal transduction and amplification of the designed probes on nanoquencher platforms, illustrate the basic principles for fabricating the peptide-based novel fluorescent nanosensors, and establish novel methods and techniques for highly sensitive and highly selective sensing CSC markers based on different strategies. The research not only provides theoretical and experimental foundations for developing novel peptide-based analytical technology, but also gives a scientific basis for early diagnosis and efficacy assessments of tumor.

肿瘤干细胞是导致肿瘤发生、转移、复发及放化疗耐药的根源，快速、灵敏、准确检测其标志物，有助于肿瘤早期诊断和疗效评估。研究发现，特定氨基酸序列的亲和多肽可特异性识别肿瘤干细胞标志物。本项目旨在基于CD44、CD133、巢蛋白特异性识别多肽，结合具有独特光学、易与生物分子相互作用、功能化等特性的纳米材料，构建新型荧光纳米传感器。借助化学合成、修饰、偶联/纳米标记等手段，设计并制备功能化(单功能、多功能融合、DNA杂交)亲和多肽探针，探寻其合理设计的一般性原则；结合分子自组装、纳米技术及酶信号放大技术，实现亲和多肽在纳米猝灭剂平台上的传感识别、信号转换与放大。阐明新型多肽荧光纳米传感器构建的基本原则与规律，建立高灵敏度、高选择性检测肿瘤干细胞标志物的新技术和新方法。这不仅为开发新型多肽传感器提供理论和实验基础，更为肿瘤的早期诊断及疗效评估提供科学依据。

肿瘤等疾病的发生、转移、复发及耐药性涉及复杂的生命代谢与分子调控过程，建立有效的肿瘤干细胞标志物等重要生物分子的灵敏、准确检测方法，并探索可行的生物调控手段，有助于促进疾病的预防与诊断，加深对生命健康的理解。本项目主要以亲和多肽、核酸等为分子识别探针，结合具有独特光学、电学特性的石墨烯氧化物、羟基氧化钴纳米片、金纳米颗粒等功能纳米材料，利用分子自组装、酶反应、多重信号放大技术，实现分子探针在纳米平台上的传感识别、信号转换与放大，构建新型纳米开关、纳米传感器，用于灵敏检测肿瘤干细胞标志物、焦磷酸根、凝血酶等重要生物分子和金属离子，并实现其在细胞和活体中的检测和成像应用，为肿瘤等疾病的诊断提供新的分析手段，推动对肿瘤干细胞标志物等重要生物分子与肿瘤等疾病发生发展相关性的研究。挖掘常见有机分子等的多信号特征，建立多信号传感响应模型，利用纳米扩增单元和自组装事件演化过程，建立多事件分子信息编码映射，实现多重信号利用与放大设计在传感分析和分子信息处理和编码中的应用，推动多目标物分析、医疗诊断智能化和大规模并行分子信息处理。基于纳米传感平台进行微纳米图案设计，利用原有形貌和激光雕刻技术，实现石墨烯等微纳图案的一步可控制备，构建多样化细胞-纳米生物感知界面，实现其在细胞感知和行为调控中的应用，揭示了纳米传感界面从分析检测向生物调控应用发展的新可能。该项目研究工作，不仅对纳米平台的构建、传感、信号转换与放大设计提供基础，而且对多信号综合利用和分子信息编码的挖掘及其在疾病诊断、非电子信息安全和生物行为调控等方面应用提供了有价值的参考。