基于分子聚集体的高灵敏纳米荧光探针的设计、合成及其用于细胞内活性氧的检测与成像

Reactive oxygen species (ROS) are closely associated with a number of human diseases. The research of ROS has been the hot topic of chemistry, biology, medicine and other disciplines. However, owing to the limited sensitivity, the application for most of fluorescent probes for detection and imaging of ROS was performed with external stimuli and extra ROS addition. The exogenous addition of ROS to whole-cell cultures or animal models cannot precisely simulate true physiological situations. Based on this, we propose to develop a signal amplification strategy for highly sensitive detection of ROS. We synthesize a variety of block copolymers and prepare multiple fluorescent nanoprobes, which could detect the real concentration of ROS with high sensitivity, high selectivity and real-time quantification in living cells and in vivo. The current strategy could provide new insights and methods for exploring the design and synthesis of novel fluorescent probes.

活性氧与许多人类的疾病都有密切关系，因此对它们的研究一直是化学、生物学、医学等各个学科的热点。然而，由于受到检测灵敏度的限制，目前大部分检测与成像活性氧的荧光探针都是在外加条件或药物刺激下进行，这并不能准确地模拟真实的生理环境。基于此，我们拟发展一种高灵敏度检测活性氧的信号放大策略，通过合成一系列的嵌段共聚物制备多种纳米荧光探针，能够高灵敏度、高选择性、实时定量检测细胞和细胞器内的活性分子，实现细胞和活体内活性分子真实浓度的检测。当前的策略可以为探索设计合成新型荧光探针提供了新思路和新方法。

活性小分子和活性大分子是基础医学和生命科学领域的研究热点，发展高选择性、高灵敏度的荧光探针用以动态研究复杂生物体中活性分子是许多科学家的研究目标。本项目在细胞内多种活性分子的检测、功能纳米药物载体用于肿瘤的精准靶向及治疗等方面取得了进展。研究内容主要有：设计了一种FRET纳米探针，可以实现活细胞中多种肿瘤mRNA的同时检测和成像，该探针可以有效地提高肿瘤的诊断率及治愈率。该研究方法对单一激发波长下进行多种肿瘤标志物的检测具有一定的指导意义（Chem. Commun., 2016, 52, 4569）。Theranostics杂志创刊主编、美国国立卫生研究院陈小元教授在其综述“高性能荧光和生物发光RNA成像探针的研究进展”中对这种FRET纳米探针进行了正面报道，指出单一激发波长检测多种标志物可以减少对荧光光谱的要求；发展了一种纳米荧光探针用于快速同时检测活细胞中的miR-21和PDCD4 mRNA。两种分别靶向miR-21和PDCD4 mRNA的带有荧光团的单链DNA通过π-π堆叠吸附到GO表面，此时荧光被GO猝灭，当两种靶标存在时，单链DNA分别与靶标互补配对形成双链远离GO，荧光恢复，从而实现对两种靶标的同时检测。实验表明荧光探针具有很好的选择性和稳定性，在人乳腺癌细胞（MCF-7）中可以监测miR-21和PDCD4 mRNA表达水平的变化。这种简单有效的策略可以用于监控其他生物分子的变化，为研究其与生理病理的关系提供了一种有力的工具（Nanoscale, 2018, 10, 14264）；活细胞及细胞器内pH的变化与许多重大疾病密切相关，所以研究活细胞中不同细胞器的pH值变化及其相互作用具有重要的意义。基于二氧化硅纳米粒子以及亚细胞结构定位基团，我们设计了一系列单一激发波长下不同发射的比率型纳米荧光探针，可以实现对活细胞内细胞质和不同亚细胞结构pH值的检测及可视化成像（Anal. Chem., 2016, 88, 6743）。韩国科学院院士、高丽大学Kim教授在综述“荧光生物成像pH：从设计到应用”（Chem. Soc. Rev., 2017, 46, 2076）以及伊利诺伊大学香槟分校Kenneth S. Suslick教授在综述（Chem. Rev., 2019, 119, 231）中对我们发展的这种纳米荧光探针进行了正面报道。