氧呼吸纳米感应器用于乏氧的实时荧光监测与动态转移研究

Oxygen deficiency, known as hypoxia, occurs in the core part of most solid tumors and is believed to be one of the major causes for the failure of anti-cancer therapies. Real-time hypoxia detection is important for personalized treatment and prognosis judgment. This project will design and synthesize a new type of composite nanostructure based on UCNP core/silica shell to overcome the drawbacks of traditional hypoxia detection, such as tissue injury, analysis of low accuracy and high equipment requirements. Fluorescein FITC and ATP aptamer decorated with Cy5 will be loaded in and on silica through bonding technology, as lactate (anaerobic respiration) and ATP ( aerobic respiration) fluorescence detector, to improve the detection accuracy of dynamic oxygen in microenvironment. The effect of respiration on invasion and metastasis will also be studied. The launching of this project will pave the way for anoxia related diseases in the coming future.

乏氧是实体瘤的固有特征，是肿瘤难以治愈的根本原因。然而，传统检测技术存在组织损伤大，分析技术准确度低及设备要求高等难题，因此，开展安全无损、实时便捷的乏氧检测，对肿瘤个性化治疗及愈后准确判断意义重大。基于此，本项目拟设计一种全新的基于上转换发光纳米颗粒（UCNPs）/二氧化硅（SiO2）核壳结构的肿瘤细胞氧呼吸感应器。通过键合方式分别将FITC及Cy5修饰的ATP适配体嫁接在外壳层SiO2骨架内外，拟利用UCNPs与荧光染料分子间的发光共振能量转移（FRET）效应，实现对肿瘤细胞内有氧呼吸产物-ATP及无氧呼吸产物-乳酸的对比荧光检测，避免单一检测中复杂生理条件对结果的影响，显著提高微环境动态氧变化信息的实时检测精度，系统探究呼吸对肿瘤细胞侵袭转移的影响。本项目的开展有望为人类缺氧相关疾病的研究提供借鉴性思路和方法。

乏氧普遍存在于恶性肿瘤内，是肿瘤难以治愈的根本原因。然而，传统检测技术存在组织损伤大，分析技术准确度低及设备要求高等难题，因此，开展安全无损、实时便捷的乏氧检测，对肿瘤个性化治疗及愈后准确判断意义重大。基于此，本项目拟设计一种全新的基于上转换发光纳米颗粒（UCNPs）/二氧化硅（SiO2）核壳结构的肿瘤细胞氧呼吸感应器。通过键合方式分别将FITC及Cy5修饰的ATP适配体嫁接在外壳层SiO2骨架内外，利用UCNPs与荧光染料分子间的发光共振能量转移（FRET）效应，实现对肿瘤细胞内有氧呼吸产物-ATP及无氧呼吸产物-乳酸的对比荧光检测。相比于传统介孔孔道装载或表面功能化修饰有机染料分子的方法，在分子层次将有机染料分子（FITC）嵌入Si-O-Si 骨架中，实现染料分子对乳酸检测的性能调节和系统优化，同时提高染料分子的负载效率，有效避免分子的聚集与泄露，高效保障FITC分子在体内极端环境下的光学稳定性。同时，借助于SiO2层易改性的特点，在颗粒外表面进行cDNA适量修饰和ATP-Cy5适配体的嫁接，实现细胞微环境响应型的ATP-Cy5适配体快速灵敏释放。由于UCNPs供体和ATP-Cy5染料受体间能量转移效率受多种因素影响，如供体发射光谱和受体吸收光谱的重叠程度，能量转移时两个荧光团间的偶极方向，及供体和受体间的距离（1-10 nm）等，调控UCNPs发射光谱、SiO2层厚度及SiO2层表面ATP-Cy5负载量，在离体细胞及活体组织层面体上可望实现对胞内有氧呼吸主产物-ATP实时荧光监测的目的，为缺氧相关疾病的研究提供借鉴性思路和方法，为乏氧肿瘤的高效治疗相关课题开展提供了基础和依据。