基于活细胞中肿瘤标记物的生物成像研究

摘要

近年来，探讨并建立重大疾病（如癌症，心血管疾病等）的早期诊断及预后监测新方法，特别是在更深入的细胞水平上对重要的生物功能分子进行实时原位成像与表征，在细胞水平上揭示其生物学功能，并进一步了解发生过程中相关作用机制和规律，对于在细胞水平上了解生命的本质以及对疾病的早期诊断具有重要的意义。纳米生物传感器主要是纳米技术与化学、生物及纳米科学等多个交叉学科的联合应用，特别纳米技术与生命科学的不断交叉融合，为开发新型生物功能分子的细胞成像与表征方法提供了许多创新性的思路。一方面，纳米材料具有可调的纳米尺寸结构，良好的生物相容性，表面容易修饰等优良的物理化学性质，通过生物功能化修饰的纳米材料具有独特的信号产生和增强效应，同时，纳米材料可以作为优良的细胞传递功能载体，为在细胞水平上实现功能分子的生物标记和检测提供了可能；另一方面，核酸分子探针易于设计和修饰，通过专门的设计可以实现核酸序列特异性识别。本论文基于核酸分子的荧光探针，有机分子探针建立了生物传感方法用细胞内与疾病相关物质的生物成像。具体内容如下：
　　细胞内某些 mRNA的表达水平与疾病息息相关，细胞内的 mRNA的不正常表达可导致多种严重疾病如神经系统疾病或癌症的产生。但是，细胞内 mRNA的含量通常是微量的，此外，同一疾病的产生可能是多种 mRNA共同调节、相互作用的结果。因此，在细胞水平上实现高灵敏的 mRNA多元检测具有非常重要的意义。在第2章中，我们以二氧化锰（MnO2）纳米片作为细胞传递载体，发展一种等温无酶核酸扩增技术─催化发夹组装(CHA)用于细胞内mRNA的双色荧光成像。在 MnO2纳米片上组装上4组发夹探针，当进入细胞后，细胞内的谷胱甘肽（GSH）将MnO2纳米片还原成 Mn2+，释放出的4组发夹探针分别与相应的癌症相关 mRNA作用，产生激活的荧光信号，同时，由于发夹探针的 CHA循环催化反应，进一步增强其荧光信号。通过该策略实现了细胞内两种 mRNA（TK1 mRNA和生存素 mRNA）信号放大多元检测。本章发展的分析方法有望用于 mRNA的表达水平分析和相关疾病早期的诊断。
　　硝基还原酶是一类含有单核苷酸单元或者腺嘌呤二核苷酸单元的细胞质还原酶，它是反映细胞内或生物体缺氧状态的一项重要指标，其含量的高低与缺氧肿瘤的发生、发展和迁移紧密相关。在第3章中，我们基于硝基还原酶可有效触发多米诺级联式反应，发展了一种新型激活式荧光探针用于细胞内的硝基还原酶成像。所合成的荧光探针具有低背景荧光、高选择性等优良特征。另外，本章发展的荧光探针对硝基还原酶具有很好的响应性，其检测下限可达到26 ng/mL，同时，活细胞成像结果表明该探针能成功应用于低氧条件下肿瘤细胞内硝基还原酶的激活成像。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 生物传感器概述

1.1.1生物传感器技术

1.1.2光学生物传感器

1.2 纳米材料生物传感器中的应用

1.2.1 纳米金、银等金属纳米材料

1.2.2 量子点、上转换纳米材料

1.2.3 复合纳米材料

1.3 核酸分子探针信号放大技术

1.3.1 酶促信号放大技术

1.3.2 基于核酸杂交的无酶信号放大技术

1.4 有机分子荧光探针在细胞成像中的应用

1.5本研究论文的工作内容

第2章 利用CHA反应放大信号技术进行细胞内mRNA 的双色成像

2.1 前言

2.2 实验部分

2.2.1 实验试剂与材料

2.2.2 MnO2纳米片的制备及结构表征

2.2.3 体外CHA扩增反应荧光分析

2.2.4 琼脂糖凝胶电泳分析

2.2.5 细胞培养及荧光成像

2.2.6 MnO2纳米片对细胞的毒性分析

2.3 结果与讨论

2.3.1 实验设计原理

2.3.2 MnO2纳米片的结构表征

2.3.3 CHA扩大信号的体外分析

2.3.4 凝胶电泳验证实验原理

2.3.5 活细胞内荧光成像

2.4 小结

第3章 基于级联激活式的荧光探针用于硝基还原酶的活细胞成像

3.1 前言

3.2 实验部分

3.2.1 试剂与材料

3.2.2 仪器与设备

3.2.3 有机荧光分子探针的合成

3.2.4 光谱测量

3.2.5 细胞培养和毒性实验

3.2.6 活细胞荧光成像

3.3 结果与讨论

3.3.1 实验设计原理

3.3.2化合物结构表征

3.3.2可行性验证

3.3.3 探针荧光响应的条件的优化

3.3.4探针响应性能的研究

3.3.5探针的选择性分析

3.3.6 探针对细胞毒性的分析

3.3.7 活细胞激光共聚焦荧光成像分析

3.4 小结

结论

参考文献

致谢