基于介孔二氧化硅纳米材料的低背景级联信号放大电化学传感体系及其RNA肿瘤标志物检测研究

RNA, as one of important biomarkers in tumor, has the advantage of providing dynamic insights into cellular states and regulatory processes than other tumor biomarkers. Obtaining information about the RNA tumor biomarkers will help to provide a reliable medical warning for the tumor from the genetic point of view. The aim of this project is to develop a novel electrochemical method for RNA tumor biomarkers detection with high sensitivity and high specificity by combining with nanotechnology, molecular engineering and electrochemical sensing technology. We will construct a series of mesoporous silica nanomaterials based low background signal cascade amplification electrochemical sensing systems by taking advantage of the large capacity loading and controllable release of mesoporous silica nanomaterials. In these electrochemical sensing systems, the signal cascade amplification will be realized through the combination of nucleic acid probe design technology and nucleic acid signal amplification technology. We hope to use these constructed electrochemical sensing systems to achieve high sensitivity and high specificity detection of single or multiple types of RNA tumor biomarkers (eg. mRNA, miRNA, piRNA, lncRNA, circRNA, and so on), obtained from the tumor cells, tumor tissues or exosomes, which could provide technical methods and important information for the early diagnosis and prognosis monitoring of tumor as well as the design of tumor drugs. This project is not only an innovative topic which is significant for the development of modern analytical chemistry, but also can play an important role in promoting the development of tumor medicine.

作为肿瘤标志物重要成员之一的RNA肿瘤标志物具有更能动态反映肿瘤细胞状态和调控过程的优势，获取RNA肿瘤标志物相关信息，将有助于从遗传角度为肿瘤提出可靠的预警。本项目以发展RNA肿瘤标志物高灵敏、高特异性电化学检测新方法为目标，结合纳米技术、分子工程技术和电化学传感技术，利用介孔二氧化硅纳米材料大容量装载和可控释放特性，通过有机融合核酸探针设计技术与核酸信号放大技术，构建一系列基于介孔二氧化硅纳米材料的低背景级联信号放大电化学传感体系，实现对肿瘤细胞、肿瘤组织和外泌体等不同生物体系来源的单靶标或多靶标RNA肿瘤标志物（如mRNA和非编码RNA包括miRNA、piRNA、lncRNAs、circRNA等）的高灵敏、高特异性检测，为肿瘤早期诊断和预后监测以及肿瘤药物设计提供技术方法与重要信息。这不仅是一项对现代分析化学的发展具有重要意义的创新性课题，而且也将对肿瘤医学的发展起到重要的推动作用。

该项目以发展 RNA 肿瘤标志物高灵敏、高特异性电化学检测新方法为目标，结合纳米技术、分子工程技术、电化学传感技术、化学及医学等交叉学科与前沿技术，利用介孔二氧化硅纳米材料有序分布的纳米孔以及大容量和可控性释放特性，通过有机融合核酸探针设计技术与级联信号放大策略，围绕基于介孔二氧化硅纳米材料的低背景级联信号放大电化学传感体系及其RNA肿瘤标志物检测开展研究。从降低背景、设计核酸探针与级联信号放大技术以及电化学传感体系构建与应用三个方面解决关键科学问题，获得了具有典型MCM-41型介孔结构且具有不同表面功能化修饰的3-D介孔二氧化硅纳米颗粒、不同长径比的3-D中空介孔二氧化硅纳米棒和电极上原位生长的2-D 介孔二氧化硅膜。拓展了用于活性分子高装载和可控释放与有效传递的其他功能化纳米材料如多功能有序介孔碳、多功能2-D黑磷纳米片制备与表面修饰研究。结合具有信号放大效应的功能化纳米材料、二维和三维DNA纳米结构、功能核酸探针、催化发夹自组装等核酸信号放大技术以及核酸工具酶，通过靶标循环或是探针放大的方式，设计了多种可用于单靶标或多靶标RNA肿瘤标志物高灵敏检测的级联信号放大策略。分别构建了基于2-D 介孔二氧化硅膜的低背景级联信号放大电化学传感体系和基于3-D 介孔二氧化硅纳米材料的低背景级联信号放大电化学传感体系，实现了复杂生物体系中miRNA-21、miRNA-155和TK1 mRNA等RNA肿瘤标志物的高灵敏特异性检测。通过项目的完成取得了一批具有重要意义的研究成果，在Chemical Science、Analytical Chemistry、Chemical Communications等学术期刊上发表了创新型研究论文26篇。获授权发明专利1项，新申请发明专利1项。项目执行期间，培养硕士、博士共12人，在站博士后1人，新增国家自然科学基金面上项目1项，作为主要完成人之一参与的“湖南大学化学生物传感创新团队”获2019年湖南省科学技术创新团队奖，作为通讯作者发表在Chinese Chemical Letters 上的学术论文被评为2021年度优秀论文。