生物正交拉曼纳米探针的构建及其在乳腺癌诊断和治疗中的应用

Surface-enhanced Raman scattering (SERS) imaging has shown great potential in bioimaging field due to its high sensitivity, excellent photostability, and capability of molecular fingerprint identification etc. However, SERS signals of conventional Raman reporter molecules are often complicated, which are easy to embed in the background signals from biological systems. In this project, we will prepare novel Raman reporter molecules including alkyne, azide and nitrile groups, and construct a series of bioorthogonal Raman nanoprobes by loading these molecules and AS1411 aptamer that targets tumor cells onto gold nanoparticles for in vivo breast cancer diagnosis and treatment. The gold nanostructures with near-infrared (NIR) light absorption and strong Raman signals can be prepared by optimizing the shape and size of gold nanoparticles. The modification of silica and polyethylene glycol (PEG) can increase the stability of Raman reporter molecules, prolong blood half-life of nanoprobes, and improve their tumor targeting accumulation. We will develop their potential theranostic applications for SERS imaging-guided photothermal therapy in breast cancer animal model, and evaluate their in vivo safety. The multifunctional theranostic nanoprobes may help realize precise cancer therapy, and provide rationale, new method and new technique for the establishment of breast cancer therapeutic regimen.

表面增强拉曼散射成像由于灵敏度高、光稳定性好、具备分子指纹识别能力等优点，在生物成像领域显示出良好的应用前景。然而，常规的拉曼报告分子在生物体系中拉曼信号非常复杂，很容易嵌入生物本身的背景信号中。本项目将设计合成新颖的携带叠氮、炔基、氰基等位于生物体拉曼“沉默区”的拉曼报告分子，将这些分子和肿瘤细胞靶向识别的核酸适配体修饰在金纳米颗粒表面构建一系列生物正交拉曼纳米探针，应用于乳腺癌诊断和治疗。通过优化金纳米颗粒形状和尺寸，得到具有近红外光吸收且拉曼信号较强的金纳米结构。通过二氧化硅和聚乙二醇的修饰，增加拉曼报告分子稳定性，延长纳米探针血液半衰期，提高肿瘤靶向积累，从而实现拉曼成像指导的乳腺癌光热治疗，并在动物水平对载体安全性给予综合评价。这种多功能的诊疗一体化纳米探针，将有助于实现更精准的癌症诊疗，为建立全新的肿瘤治疗方案提供理论依据、新方法和新技术。

表面增强拉曼散射（SERS）技术由于灵敏度高、光稳定性好、具备分子指纹识别能力、光谱峰窄等优点，在生物医学方面显示出良好的应用前景。利用贵金属（如金和银），可显著提高拉曼报告分子的拉曼信号，从而大大提高检测灵敏度。这些优势使SERS能作为荧光标记方法的替代，用来实现超灵敏、精准的、同时多指标的生物标志物检测。然而目前文献报道的SERS探针大多使用荧光染料作为拉曼报告分子，这些荧光染料的拉曼信号非常复杂，且与生物体系中的生物分子本身（如蛋白和脂质）的拉曼信号重叠。.为此，我们发展了一系列新颖的生物正交拉曼报告分子（包含叠氮、炔基、氰基等位于生物拉曼“沉默区”1800-2800 cm-1的功能基团），从而避开生物分子本身的信号干扰。进而将这些拉曼报告分子和特异性识别肿瘤细胞的核酸适配体修饰在金纳米花表面，实现了高灵敏的循环肿瘤细胞检测（最低检测限为5个肿瘤细胞）。将含有二炔、氰基和叠氮的拉曼报告分子分别修饰在金纳米花表面，包裹二氧化硅后通过聚乙二醇作为连接分别修饰三种靶向分子，在细胞和动物水平实现了乳腺癌细胞表面三种生物标志物的精准检测。在具有光热性质的金纳米棒表面修饰生物正交拉曼报告分子和靶向分子，实现了小鼠体内无背景干扰、特异性的肿瘤拉曼检测和光热治疗。此外，我们通过聚合的方法开发了一系列具有高密度叠氮、炔基、氰基或碳氘的聚（甲基丙烯酸酯）拉曼微球。这些拉曼微球不需要金属作为拉曼增强剂就能在生物拉曼沉默区得到强烈而独特的拉曼位移。我们通过单体末端取代的方法构建了一个多种频率的拉曼微球库，实现了多色的生物拉曼光谱检测和成像。.这些多功能的生物正交拉曼纳米探针，有助于实现高灵敏、更精准、同时多指标的癌症诊疗，为建立全新的肿瘤治疗方案提供理论依据、新方法和新技术。