纳米载体材料对细胞的安全性评估：比率荧光纳米探针实时检测成像活性氧水平的变化

With the rapid development of nanotechnology, nanomaterials as carriers have been widely applied in the field of biology and medicine. More and more attention have been paid in the biological safety problems of nanomaterials because these materials have the advantages of small particle size, high surface energy and high chemical reactivity. After the nanomaterials contact with the cells, it will lead to the change of contents for a series of intracellular active small molecules, including reactive oxygen species, reactive nitrogen species and hydrogen ions. Among these molecules, reactive oxygen species play an important role in maintaining cell structure and function stability. Moreover, the disorder and abnormity of reactive oxygen species are closely associated with the occurrence and development of many major diseases. In this project, we will design and synthesize a variety of fluorescence nanoprobes based on inorganic, organic and complex nanomaterials, which can be applied in the accurate detection and imaging of intracellular reactive oxygen species. Then, the safety problems of these related nanomaterials will be investigated. Furthermore, we will explore the interaction process of nanomaterials and cells, the mechanisms and related pathways of reactive oxygen species. We anticipate that the current study could provide the basis for the practical application of nanomaterials as carriers in the field of biology and medicine.

随着纳米技术的快速发展，纳米载体材料在生物学和医学等领域的应用越来越广泛。由于纳米材料具有粒径小、表面能高和化学反应活性等特点，其生物安全性问题也受到越来越多的关注。纳米载体材料与细胞接触之后可能引起细胞内的一系列活性小分子含量发生改变，包括活性氧、活性氮、H+等。其中，活性氧在维持细胞结构和功能稳定中发挥重要作用，活性氧的失调和异常与许多重大疾病的发生、发展有密切关系。基于此，本项目拟设计合成一系列无机、有机、复合纳米荧光探针，实现对细胞内活性氧的精准检测与成像，从而研究相关纳米载体材料的安全性问题。同时，进一步探究纳米载体材料与细胞的作用过程以及活性氧变化机制和相关通路，为纳米材料在生物医学领域的实际应用提供依据。

纳米载体材料在化学、生物学和医学等领域的应用越来越广泛，基于不同种类的纳米载体材料构建纳米荧光探针进行检测、成像、治疗应用是许多科学家的研究目标。基于此，本项目合成了一系列纳米载体材料，构建了多种纳米荧光探针，对其在细胞内的安全性进行了评估，并进一步应用于活细胞和活体的检测、成像与治疗。主要研究内容有：基于纳米级石墨烯载体材料，构建了多种荧光纳米探针，评估了其细胞安全性，并利用这些纳米探针，实现了细胞内miRNA的高灵敏检测、miRNA和mRNA的多重检测、荧光和光声双模式成像；共价有机骨架材料(COFs)是一种具有广泛应用潜力的新型材料，我们制备了纳米级COFs载体材料，在此基础上构建了多种纳米荧光探针，评估了其细胞安全性，并利用这些纳米探针，实现了细胞内肿瘤标志物的成像，并用于癌症的诊断、治疗和预后评估；合成了不同尺寸的介孔二氧化硅纳米颗粒，利用比率荧光法检测细胞内pH值的变化，研究其进入肺上皮细胞后的细胞毒性；基于中空介孔二氧化硅纳米颗粒制备了仿生的纳米反应器，实现了化学激发光动力结合饥饿治疗用于转移瘤的治疗；基于二氧化钛纳米粒子作为载体材料，构建了多种纳米荧光探针，评估了其细胞安全性，在细胞和活体中进行了生物学应用，并用于增强癌症的治疗效果；合成了一种可结合蛋白并用于肿瘤光热消融的分子光热试剂，在低功率密度下可有效地提高光热治疗的效果；制备了一种谷胱甘肽响应的二聚体纳米前药用于同时抑制肿瘤细胞的糖酵解和缓解免疫抑制微环境，实现了双管齐下的肿瘤抑制效果。