基于聚集诱导发光原理的荧光纳米探针制备及其生物传感和成像应用

摘要

荧光探针已成为了分析传感和光学成像的有力工具。它在分子水平上可以对复杂的生物结构和过程进行可视化分析。传统的染料大多数在高浓度时会荧光会减弱，甚至不发光，称为聚集诱导淬灭效应。直到2001年，唐本忠教授课题组发现了另一种现象的染料分子，在聚集状态时，荧光强度会大大增强，这种现象称为聚集诱导发光效应效应。基于聚集诱导发光分子的生物检测方法，与基于传统染料的检测方法相比，它可以对水溶液中特定的分析物或生物过程直接地可视化检测，并且具有更高的灵敏度。本论文合成了三种发不同颜色荧光的聚集诱导发光分子，并通过共价键与功能核酸分子连接，开发出新的生物传感探针，并将其应用在体外检测早期肿瘤标志物及用于活细胞成像。本论文的主要内容包括四个方面：
　　(1)设计了一种高灵敏度的检测miR-21的方法。实验中用到的探针合成，只修饰了荧光团，没有修饰其它淬灭基团，这样可以简化荧光基团和淬灭基团之间合适距离精确设计的复杂过程。此外，通过调节反应温度可以提高miR-21检测限。结果发现，反应温度为4oC时，检测限可以达到10aM，相当于在50μL体积内有约300个分子。接着，将此检测手段应用于临床样品的检测，成功地检测出21个膀胱癌患者的尿样本。
　　(2)合成了一种发射黄色荧光的AIE分子，并将其修饰在DNA上，得到另一复合探针TPEPy-LDNA。利用该探针可以区分癌症患者的尿液样本和正常人的尿液样本，同时，分别对乳腺癌细胞（MCF-7）、宫颈癌细胞（HeLa）和人胚肺成纤维细胞（HLF）三种细胞内荧光成像，同时设计了另外两种修饰传统染料的探针作为对照组，分别是FAM-LDNA探针和Cy3-MBDNA探针。结果发现在MCF-7细胞内的荧光强度最大，因为MCF-7细胞内miR-21的表达量比其它两种细胞的高。接着利用该探针对MCF-7细胞内miR-21长时间成像示踪，从实验结果发现，利用TPEPy-LDNA探针对细胞成像，随着时间增加，荧光强度增强，说明了该探针染料分子具有很强的抗光漂白能力。FAM-LDNA探针的光漂白现象最严重，荧光一直在减弱，甚至最后会消失，不适合在细胞内长时间荧光示踪。
　　(3)设计出一种1：N2的信号放大的策略，Exo III作为信号放大器，可以高灵敏地检测端粒酶活性。在端粒酶催化下，重复单位（TTAGGG）n在引物的3’端依次延长，同时，TPE-Py-DNA探针中的DNA会与重复单元杂交形成双链，此时Exo III会催化水解探针中DNA部分，释放出疏水的TPE-Py分子，TPE-Py-DNA探针会与解离出来的重复单元和再次延长的重复单元杂交形成双链，开始第二个周期，依次循环下去，疏水的TPE-Py分子会聚集在一起，产生与端粒酶活性有关的荧光信号，最后，可以达到目标-信号（target-to-signal）1:N2的放大比率。该方法可以用来监测不同的细胞系（包括Hela、乳腺癌细胞（MDA-MB-231）、MCF-7、人皮肤黑色素瘤细胞（A375）、HLF和人胚肺成纤维细胞（MRC-5））的端粒酶活性变化，同时用来检测临床尿液样本，得到了表现出良好的结果，可区分15例癌症病人的样本和8例健康人的尿液样品。
　　(4)成功地合成一种发红色光的AIE分子，并将该分子通过点击反应与DNA相连，得到复合探针TPE-R-DNA，成功应用于细胞成像。MCF-7细胞中mRNA表达量大于HeLa细胞的，实验发现在MCF-7细胞中的荧光强度明显高于HeLa细胞。同时利用虫草素和脂多糖（LPS）分别下调和上调MCF-7细胞内mRNA的表达量时，可以从细胞荧光强弱可以观察出细胞内mRNA表达量的变化，对研究生物过程和疾病的发病机制具有重要的意义。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 AIE探针用于生物传感的工作原理

1.3 AIE探针在生物小分子及大分子检测中的应用

1.4 AIE探针在细胞成像及活体检测中的应用

1.5本论文的研究目的和主要内容

参考文献

2 利用单标记的DNA探针检测膀胱癌病人尿液中的miRNAs

2.1引言

2.2 实验思路

2.3 实验部分

2.4 结果与讨论

2.5小结

参考文献

3基于AIE分子和外切酶III辅助循环扩增的活细胞内miRNAs成像

3.1引言

3.2 实验思路

3.3 实验部分

3.4 结果与讨论

3.5 小结

参考文献

4核酸外切酶III辅助二次放大检测端粒酶活性和细胞成像

4.1 引言

4.2 实验思路

4.3 实验部分

4.4 结果与讨论

4.5 小结

参考文献

5基于发红光AIE分子的荧光探针及其在活细胞内mRNA成像的应用

5.1引言

5.2 实验思路

5.3 实验部分

5.4 结果与讨论

5.5 小结

参考文献

6总结与展望

6.1总结

6.2展望

致谢

附录1 攻读博士学位期间发表和待发表论文目录

附录2 攻读博士学位期间参加的科研项目