基于氧化石墨烯和端粒酶的新型生物传感技术的研究与应用

摘要

近年来，纳米材料由于其独特的光学和电化学性能，已成为当前研究的焦点，纳米材料也在生物传感器的研究中得到越来越广泛的应用。纳米材料与生物传感器的结合，涉及到生物技术、信息技术、纳米科学等多个学科，因此纳米材料在生物传感器中的研究为许多基础研究提供了许多创新性的研究思路，同时对临床检测、医学诊断、环境监测等领域有着重要影响，也得到了前所未有的发展机遇。本文利用纳米材料氧化石墨烯和金纳米颗粒，开发了一系列成本低、操作简单、灵敏度高的新型纳米生物传感技术，成功实现了对核酸、蛋白质的高灵敏检测和抗癌药物的筛选。此外，针对当前癌症标志物端粒酶检测方法中存在的灵敏度较低、检测时间较长，容易出现假阴性信号等问题，结合本实验室已发展的方法和技术，开发了一些新颖的生物传感策略用于端粒酶的灵敏检测。其主要内容如下：
　　(1)在第2章中发展了一种新型的基于核酸外切酶Ⅲ辅助目标循环放大的生物传感策略用于目标DNA高灵敏的检测。在这种方法中，设计了一条标记有荧光基团的发夹状信号探针，其3’末端突出了7个碱基，此时核酸外切酶Ⅲ不能水解信号探针，信号探针吸附在氧化石墨烯表面上，荧光被氧化石墨烯猝灭。当存在目标DNA时，目标DNA的5’末端与信号探针的3’末端杂交，形成双链结构的平齐末端，从氧化石墨烯表面上解离下来，荧光得到恢复，而核酸外切酶Ⅲ会从3’末端开始水解信号探针，而目标DNA的3’末端突出了6个碱基，目标DNA不会被核酸外切酶Ⅲ水解，被释放出来进入下一个循环反应，继续与发夹状信号探针杂交，然后信号再被核酸外切酶Ⅲ水解，这样目标DNA就可以得到循环利用。该方法实现了对目标DNA的高灵敏、高特异性检测，响应动态范围为1 pM到50 nM，检测下限可达1 pM，比传统的DNA检测方法要低3个数量级，同时该方法具有较好的碱基错配识别能力。
　　(2)在第3章中建立了一个基于氧化石墨烯的通用的生物传感平台用于抗癌药物的筛选。该方法以人类端粒DNA的重复序列为模板设计了一条标记有荧光的信号探针，信号探针会吸附在氧化石墨烯表面，从而猝灭荧光。当目标药物出现时，信号探针上的碱基与中药单体之间通过π-π共轭作用和氢键作用形成分子内反平行的G-四股螺旋复合结构，从而使信号探针从氧化石墨烯表面上解离下来，荧光信号得到恢复，进而达到对抗癌抗肿瘤药物筛选的目的。该方法对三类传统中药单体进行了筛选，结果发现黄酮类中药单体能与信号探针形成G-四股螺旋复合结构，是一种潜在的抗癌药物，同时该方法在发现新的抗癌药物方面具有潜在的应用价值。
　　(3)为了进一步拓宽氧化石墨烯的应用领域，在第4章中，利用氧化石墨烯优越的负载能力，构建了一个通用的生物传感平台用于蛋白水解酶的检测，并用于活细胞内蛋白水解酶的成像分析。这种生物传感技术利用共价交联的方法，将多肽信号探针固定到氧化石墨烯的表面，达到降低背景荧光的目的。当目标蛋白水解酶存在时，蛋白水解酶特异性地水解多肽信号探针，荧光基团从氧化石墨烯表面解离下，远离氧化石墨烯，从而产生荧光信号。在这种方法中，氧化石墨烯一方面作为荧光猝灭剂，用来猝灭信号探针的荧光，另一方面，氧化石墨烯又作为多肽信号探针的优良载体，将多肽信号探针运送到肿瘤细胞的内部。当肿瘤细胞被诱导产生目标蛋白水解酶时，蛋白水解酶特异性地水解固定在氧化石墨烯表面的多肽信号探针，从而产生荧光成像信号。该方法实现了对目标蛋白水解酶caspase-3的灵敏、快速检测，其线性范围在7.25 ng/mL到362 ng/mL之间，同时也具有较好的选择性，此外还可实现对多元目标蛋白水解酶的同时检测。
　　(4)在第5章中，利用金纳米颗粒具有优越的荧光猝灭能力，建立了一种新颖的生物传感技术用于肿瘤细胞中端粒酶活性的检测。该方法先将信号和巯基捕获探针退火杂交形成双链DNA，再将双链DNA自组装到金纳米颗粒表面，得到DNA-纳米金探针。巯基捕获探针的3’端包含端粒酶扩增的引物序列，在目标端粒酶存在的条件下，引物进行扩增，扩增产物与捕获探针上的互补序列形成分子内发夹结构，将信号探针置换下来，从而产生荧光信号。该方法实现了对目标端粒酶的灵敏检测，动态响应范围为100到30000个HeLa细胞，并且当HeLa细胞在0到1600个范围内时，荧光强度与HeLa细胞的个数呈现良好的线性关系。此外该传感技术还可用于二价铅离子高灵敏、高特异性的检测，检测下限可达2 nM。
　　(5)在第6章中，制备了一种基于构象变换的电化学DNA生物传感器用于肿瘤细胞中端粒酶活性的检测。该方法将3’端包含了端粒酶扩增引物序列的捕获探针组装到金电极表面，再将二茂铁标记的信号探针与捕获探针的5’端杂交。在目标端粒酶的作用下，引物进行扩增，扩增产物使得捕获探针由线型转换成发夹结构，通过捕获探针的构象变换，二茂铁标记的信号探针远离电极表面，从而使得电化学信号减弱。这种方法成功地实现了对肿瘤细胞中端粒酶活性的灵敏检测，动态响应范围为100到60000个HeLa细胞，并且在该范围内峰电流信号与HeLa细胞个数的对数呈现良好的线性关系，同时该方法具有较高选择性，线性范围宽，高特异性等优点。
　　(6)在第7章中，开发了一种基于T7核酸外切酶辅助目标循环的放大方法用于肿瘤细胞中端粒酶活性的高灵敏检测。在该方法中，设计了一条5’标记有荧光素(FAM)和中间标记有四甲基罗丹明(TAMRA)的Taqman探针，由于T7核酸外切酶对单双链DNA具有较好的区分能力，几乎不水解单链状态的DNA，因此，在没有目标端粒酶时，单链状态的Taqman探针不被水解，体系的背景信号也很低。此外，T7核酸外切酶是从双链DNA的5’端开始水解DNA，所以引物3，端的扩增产物不会被水解，从而得到进一步的循环利用，大大提高了目标检测的灵敏度。该方法成功地实现了对端粒酶活性的灵敏检测，检测范围为5到1000个HeLa细胞，并且在5到100个HeLa细胞范围内呈现良好的线性关系，同时还具有高选择性，高特异性的优点，为肿瘤细胞中端粒酶活性的快速灵敏检测提供了一种新的思路。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪 论

1.1 碳纳米材料

1.1.1 富勒烯

1.1.2 碳纳米管

1.1.3 石墨烯

1.2 金属纳米材料

1.2.1 磁性纳米颗粒

1.2.2 金纳米颗粒

1.3 本研究论文的工作内容

第2章 基于氧化石墨烯和核酸外切酶Ⅲ辅助目标DNA循环的放大方法用于核酸的检测

2.1 前言

2.2 实验部分

2.2.1 试剂和仪器

2.2.2 氧化石墨烯的制备

2.2.3 目标DNA的检测

2.3 结果与讨论

2.3.1 实验设计与工作原理

2.3.2 纳米层状氧化石墨烯的表征

2.3.3 目标DNA检测的荧光信号响应

2.3.4 氧化石墨烯猝灭荧光能力的考察

2.3.5 核酸外切酶Ⅲ浓度与反应时间的优化

2.3.6 高效液相色谱与荧光各向异性表征

2.3.7 目标DNA的检测

2.3.8 特异性识别碱基错配分析

2.4 小结

第3章 基于纳米层状氧化石墨烯的生物传感平台用于抗癌药物的筛选

3.1 前言

3.2 实验部分

3.2.1 试剂与仪器

3.2.2 纳米层状氧化石墨烯的制备

3.2.3 目标中药单体的筛选

3.2.4 熔链温度分析

3.3 结果与讨论

3.3.1 实验设计与工作原理

3.3.2 纳米层状氧化石墨烯的表征

3.3.3 氧化石墨烯荧光猝灭能力的考察

3.3.4 目标药物筛选的荧光信号响应

3.3.5 氧化石墨烯浓度的优化

3.3.6 熔链温度(Tm)分析

3.3.7 荧光各向异性表征

3.3.8 大豆苷元的检测

3.3.9 传统中药单体的筛选

3.4 小结

第4章 基于氧化石墨烯-多肽共价交联的生物传感平台用于caspase-3的活性检测和活细胞成像分析

4.1 前言

4.2 实验部分

4.2.1 试剂与仪器

4.2.2 氧化石墨烯的制备

4.2.3 氧化石墨烯与多肽探针的共价交联反应

4.2.4 caspase-3体外活性检测

4.2.5 caspase-3活性的活细胞成像分析

4.2.6 比色试剂盒对细胞提取液中caspase-3的活性分析

4.2.7 三种蛋白水解酶的多色分析

4.3 结果与讨论

4.3.1 实验设计与工作原理

4.3.2 氧化石墨烯与多肽共价交联物的表征

4.3.3 氧化石墨烯与多肽共价交联物的稳定性考察

4.3.4 蛋白水解酶caspase-3的荧光信号响应及控制实验

4.3.5 实时荧光信号考察

4.3.6 荧光各向异性表征

4.3.7 目标蛋白水解酶caspase-3活性的检测

4.3.8 活细胞内caspase-3活性的成像分析

4.3.9 比色试剂盒检测细胞提取液中caspase-3的活性

4.3.10 蛋白水解酶的多色分析

4.4 小结

第5章 基于纳米金-DNA的复合探针用于端粒酶活性和二价铅离子的检测

5.1 前言

5.2 实验部分

5.2.1 试剂和仪器

5.2.2 纳米金的合成

5.2.3 纳米金的DNA修饰

5.2.4 HeLa细胞的培养和端粒酶的提取

5.2.5 端粒酶活性的检测

5.3 结果与讨论

5.3.1 实验设计与工作原理

5.3.2 DNA修饰纳米金的表征

5.3.3 荧光探针序列的优化

5.3.4 端粒酶检测的荧光响应

5.3.5 端粒酶扩增时间的优化

5.3.6 目标端粒酶活性的检测

5.3.7 端粒酶活性的AZT抑制实验

5.3.8 二价铅离子(Pb2+)检测的实验设计和工作原理

5.3.9 目标Pb2+的检测

5.3.10 干扰实验

5.4 小结

第6章 基于构象变换机理的电化学DNA生物传感器用于端粒酶活性的检测

6.1 前言

6.2 实验部分

6.2.1 试剂与仪器

6.2.2 二茂铁甲酸标记NH2-修饰的寡核苷酸信号探针

6.2.3 HeLa细胞的培养和端粒酶的提取

6.2.4 金电极的处理和巯基捕获探针的自组装

6.2.5 二茂铁甲酸标记的信号探针与巯基捕获探针的杂交反应

6.2.6 端粒酶扩增反应以及电化学信号检测

6.3 结果与讨论

6.3.1 实验设计与工作原理

6.3.2 DNA传感器的电化学信号响应

6.3.3 DNA传感器的电化学阻抗表征

6.3.4 金电极巯基捕获探针固定密度的确定

6.3.5 信号探针与巯基捕获探针杂交温度和时间的优化

6.3.6 端粒酶扩增反应时间的优化

6.3.7 目标端粒酶活性的检测

6.3.8 端粒酶活性的AZT抑制实验

6.4 小结

第7章 基于T7核酸外切酶辅助目标循环的放大方法用于端粒酶活性的超灵敏检测

7.1 前言

7.2 实验部分

7.2.1 试剂与仪器

7.2.2 HeLa细胞的培养和端粒酶的提取

7.2.3 端粒酶活性的检测

7.2.4 控制实验和验证实验

7.3 结果及讨论

7.3.1 实验设计与工作原理

7.3.2 端粒酶活性检测的荧光信号响应

7.3.3 端粒酶活性检测的验证实验

7.3.4 端粒酶扩增时间的优化

7.3.5 T7核酸外切酶酶切时间的优化

7.3.6 高效液相色谱表征

7.3.7 荧光各向异性表征

7.3.8 目标端粒酶活性的检测

7.3.9 端粒酶活性的AZT抑制实验

7.4 小结

结 论

参考文献

附录A 攻读学位期间发表的学术论文目录

致 谢