可视化电致化学发光传感器用于肿瘤细胞的研究

Cancer is a great threat for human health. It originates from genetic abnormalities that usually cause the affected cells to behave differently at molecular level. The best way to cure cancer is early diagnosis and early treatment. The development of (ECL) biosensor has attracted particular interest of scientists. However, the study about visual ECL biosensor is too little than respect. This project is based on our previous studies which used high sensitivity ECL strategy for sensitive determination of cancer biomarkers and cells. Here, we carries out some innovative research work as follows: design and synthesis biochip based on ITO or FTO electrode; synthesis ECL nanoparticles with excellent light and biocompatibility; develop novel signal amplifacation techeniques using nanoparticles to improve the sensitivity of ECL biosensor; prepare high -efficiency biosensor to realize visual microfluidic biosensor with various functions, such as enrichment of biomolecules and cells, manipulation, and on-line monitoring. This research develops some simple, sensitive, portable, and visual biosensor arrays which could realize multiplexed cancer cell research and single cancer cells bioanalysis. It provides an effective method for life science research.

癌症是严重威胁人类生命的一种疾病，防治癌症的最好办法是早期诊断、早期治疗，因此，发展新型的高灵敏特异性的肿瘤检测方法对于癌症的早期发现及治疗具有重大的实际意义。电致化学发光(ECL)生物传感器的发展一直以来深受关注，而基于可视化的ECL生物传感器的研究却少之又少。本项目以我们前期所建立的高灵敏度的电致化学发光技术为基础，为了实现可视化的肿瘤标细胞的检测研究为目的。具体研究内容包括：设计并制备电极生物传感芯片；研究并制备高效且生物相容的ECL纳米材料，开发高效的信号放大技术；研制有效地生物传感界面从而实现直读型可视化检测传感器；研制具有不同功能的可视化传感器阵列芯片，如：肿瘤细胞的富集、操纵、在线监测等，提高单个分析流程中获取信息的深度和广度，进而将ECL活性物质导入细胞中，实现单个肿瘤细胞的ECL可视化分析，实现肿瘤的早期诊断，为生命科学研究提供有用、简便的测试方法。

本项目面向医养健康领域，针对肿瘤诊疗面临的关键问题，在生物传感与成像分析、诊疗一体化研究等方面开展了一系列研究工作。1. 在设计制作的FTO电极芯片上电镀铂纳米簇-聚鲁米诺复合物，该复合物在500倍光电倍增管下稳定发光强度可以达到11000 a.u.，是一种优秀的ECL信号探针。此外，设计合成新型介孔硅功能化纳米材料，在介孔二氧化硅纳米粒子（MSN）内装载佛波醇（PMA）并在表面修饰核酸适体和端粒酶引物作为靶向药物载体。该方法既实现了15-9000个HL-60细胞中的端粒酶活性的检测（R =0.986，S/N=3），又实现了靶向肿瘤细胞给药。通过将诊断和治疗两个功能集成于同一纳米载体上，成功构建了纳米诊疗一体化平台。2. 在金纳米笼中装载PMA，利用DNA Gate封装并且修饰适配体作为靶向载体。在适配体的识别作用下，金纳米笼识别并进入HeLa细胞，DNA Gate在细胞内的miRNA作用下打开释放PMA 诱导肿瘤细胞产生活性氧基团（ROS），利用EMCCD和光谱仪实现单个肿瘤细胞中miRNA成像。此后，金纳米笼的光热效应被激活与ROS结合实现高效肿瘤治疗。本工作构建的化学-光热联合治疗途径可以达到31.35%的肿瘤细胞凋亡率，实现了高效的肿瘤治疗效果。此外，利用适配体的特异性和DNA Gate的特异性作为靶向大大避免了抗肿瘤药物对普通细胞的伤害。该研究通过发展集靶向、成像、治疗等功能于一体的金纳米笼药物载体，为肿瘤的早期精准诊疗提供有力的技术支撑。3.以介孔二氧化硅填充PMA和DOX药物并用适配体封装作为药物载体。将合成的药物载体和HeLa肿瘤细胞孵育之后，肿瘤细胞中标志物核仁素靶向释放药物，释放的PMA可以实现单个肿瘤细胞中核仁素的ECL图像，同时释放的ROS和DOX抗肿瘤药物双重作用下引起HeLa细胞高效凋亡。经过CCK数据分析，普通细胞与介孔硅药物载体孵育之后的存活率可以达到90%以上，肿瘤细胞的存活率不足40%，该工作通过设计了双通路肿瘤凋亡治疗方法，靶向细胞核进行治疗，有效弥补单一治疗模的不足。