基于共轭聚合物及其复合材料的钙调蛋白功能调控与检测研究

In this proposal, the conjugated polymers (CP) and their composite materials for function regulation and detection of calmodulin (CaM ) will be designed and fabricated. CaM -binding peptide or anti- CaM antibody is linked to graphene oxide (GO) and the assembly of CP/GO with CaM is constructed. The specific protein photoinactivation system for real-time function regulation of CaM will be set up by taking advantage of the biological activity of calmodulin and the photo-responsive properties of conjugated polymer which produces singlet oxygen with irradiation and photothermal effect of GO. Furthermore, the photoinactivation of CaM produces conformation changes, which controls the hydrophobic and electrostatic interactions with conjugated polymer, regulating the spatial proximity with conjugated polymer, leading to varied FRET efficiency in aqueous media. A convenient and visualized by "naked-eye" approach with high sensitivity and low background to dynamically monitor the function changes of CaM will be developed, and therefore the multifunctional systems that simultaneously combines regulation and detection of CaM will be presented. Moreover, the near infrared-absorbing nanoconjugates with anti- CaM antibody will be applied to regulate CaM function by utilizing its photothermal effect and the specific binding to CaM, and thus control the function of the small-conductance Ca2+-activated K+ channel (SK) which is activated by CaM, providing new technology for studying the status of CaM in intracellular signal pathways.

本项目旨在构建基于共轭聚合物（CP）及其复合材料的钙调蛋白（CaM）功能调控与检测体系。将CaM结合肽或抗体共价连接到氧化石墨烯（GO）表面，通过自组装构建CP/GO与CaM的复合物，结合CaM的生物活性以及CP在光照条件下敏化周围环境中氧气产生单线态氧的特性，并利用GO的光热转化能力，发展实时的CaM功能调控体系。同时，利用CaM功能变化过程中的构象变化控制其与GO的疏水及静电相互作用，从而调控CP与CaM的距离，发展基于荧光共振能量转移（FRET）技术的简单、肉眼可视、高灵敏度、动态检测CaM功能变化的传感方法，构建能够实现钙调蛋白功能的调控和检测的多功能体系。并且，利用表面修饰钙调蛋白抗体的近红外CP纳米颗粒的光热效应及其与钙调蛋白特异性结合的性质，调控钙调蛋白功能，进而影响细胞内钙调蛋白激活的信号转导通路-小电导钙激活的钾通道（SK），探索钙调蛋白在细胞内信号传导通路中的作用。

在Ca2+介导的信号传导过程中，钙调蛋白（Calmodulin, CaM）-Ca2+的生物活性及其构象变化起着重要作用。对于CaM的深入研究有利于进一步理解细胞内的信号通路，进而揭示各种相关生理活动的发生机制。发展能够特异性、高灵敏度识别CaM并通过外界刺激调控其功能的智能体系，对研究CaM与Ca2+结合的动态变化、作用机制，了解细胞内Ca2+/CaM介导的信号通路，以及发展新的CaM拮抗剂具有重要意义。本项目基于真核细胞中CaM与Ca2+结合的重要作用以及CaM结合Ca2+后构象和功能变化的特点，构建了共轭聚合物（CPs）复合材料和共轭聚合物纳米颗粒（CPNs），通过将钙调蛋白抗体和抑制剂引入到复合材料及纳米颗粒体系中，利用抗体及抑制剂与CaM的特异性作用，调控CaM相关离子通道的功能，提高对肿瘤细胞的杀伤效率。将CaM结合肽共价连接到阳离子共轭聚合物聚芴苯/还原型氧化石墨烯（rGO-P）复合材料表面，利用rGO的光热效应，实现了实时CaM功能的调控，影响了细胞内CaM激活的小电导钙激活钾通道（SK），探索了CaM在细胞内信号传导通路中的作用。同时，利用表面修饰钙调蛋白抗体的CPNs与CaM特异性结合，在光热效应下，热失活CaM，调控相关PI3K/Akt信号通路，诱导肿瘤细胞的凋亡。而且，通过将抑制剂包裹在CPNs内部，构建了一种可控释放TRPA1通道抑制剂的近红外光触发CPNs，调控抗凋亡通路。通过近红外光触发CPNs与离子通道靶点的结合，有效地打破癌细胞的氧化应激防御系统，促进肿瘤细胞的死亡，克服肿瘤细胞的耐药性，抑制乳腺癌肿瘤的生长。该项目为共轭聚合物复合材料和近红外光触发CPNs的设计提供了新策略，并提高了CaM相关离子通道的多通道调控效率，同时探索了新的肿瘤治疗机制和靶点，为利用CaM功能相关信号通路抑制和克服肿瘤耐药性提供了新的思路。