用于肿瘤细胞检测的荧光性核酸适体微流控传感平台研究

摘要

血液肿瘤是严重威胁人类健康的最主要的疾病之一。发展针对血液癌症早期诊断的方法，能够有效地提高癌症的治疗率，因此这一直是医学和生物学等相关学科广泛关注的热点。其中，由于高灵敏性和高选择性的特点，生物传感器在疾病诊断、食品污染、法医鉴定和环境检测等领域发挥着越来越重要的作用。而微型化、集成化、智能化的分析装置，也是分析化学发展的必然趋势。近年来，许多新的生物技术、材料技术以及微加工技术的快速发展也促进了生物传感器的进步。例如，基于SELEX技术筛选的核酸适体不仅保留了传统抗体的高特异性和高亲和力，而且具有合成简便、小体积、稳定性好、靶物质范围大、易于修饰、免疫原型小等特点。故以其作为新型的生物识别分子，为生物传感器的设计提供了新的选择。纳米材料具有许多独特的性能，如比表面积大、反应活性位点多、催化效率高、吸附能力强、稳定性好等，这些特点为生物检测提供了新的手段，同时也推动了化学和生物传感器的迅速发展。微全分析系统具有样品容量少、分析时间短、灵敏度高以及易于与其它技术联用等优势，这使它在对仪器检测下限和分析动态范围有着严格要求的生物分析研究中占据越来越重要的地位。
　　针对光学生物传感器在肿瘤的早期诊断过程中存在的问题，如癌变早期细胞免疫表达肿瘤标志物以及膜上过度表达的蛋白含量低、光学检测背景干扰大、特异性不强、稳定性差等，本论文结合纳米材料、核酸适体以及微流控体系各自的优势，构建了低背景、高稳定性、高特异性的荧光生物微流控传感平台。其工作原理是:我们选择单荧光基团标记的核酸适体作为识别体，氧化石墨烯纳米材料作为其吸附基质和纳米淬灭剂，依据他们之间的荧光共振能量转移(FRET)作用，构建了荧光信号增强型核酸适体传感器。论文的主要内容如下:
　　第一章绪论
　　首先，介绍了血液肿瘤的研究背景和目前肿瘤诊断的常规方法。其次，系统阐述了核酸适体生物传感器的原理、分类及其研究进展，其中着重介绍了基于纳米材料的FRET荧光型核酸适体传感器。接着，阐述了微流控芯片在生物分析中的应用，尤其是其与FRET技术的结合在生物检测中的应用。最后，阐述了本论文的目的和意义。
　　第二章一种新型的氧化石墨烯纳米探针技术应用于快速、灵敏、混合核酸分子的荧光检测
　　本文利用氧化石墨烯作为核酸分子的吸附平台和荧光淬灭剂，以其作为纳米探针发展了一种在均相溶液中快速、灵敏、特异性、多颜色的核酸分子的荧光检测方法。首先，利用Hummers方法，在超声辅助下，制备了单层结构的、水溶性良好的氧化石墨烯纳米材料。其次，通过CCK-8细胞毒性实验验证了氧化石墨烯具有良好的生物相容性。实验中，我们以氧化石墨烯作为纳米探针，采取了“Postmixing”的策略，对多种核酸分子进行了荧光检测。该方法的基本原理是，先让目标DNA与荧光标记的核酸适体发生杂交互补反应，后向体系中加入氧化石墨烯，最后根据该体系荧光强度的变化进行定量地分析。该方法对DNA1和DNA2的检测范围分别为15-100 nM和30-150 nM，检测限分别为10nM和25 nM。这里，由于氧化石墨烯具有优良的荧光淬灭性能，以及对单链DNA的特异性的识别作用，使得检测反应能够快速地（2 min内）淬灭多种荧光基团标记的单链DNA，该方法的检测时间明显快于“Premixing”方法。同时，DNA杂交反应的高度特异性保证了各个目标之间的检测互不干扰。因此，此方法能够实现对目标物快速、特异性的检测，有望用于复杂体系的多物质同时分析。
　　第三章基于氧化石墨烯的微流控荧光传感平台用于对肿瘤细胞的可视化、高通量检测
　　本章结合核酸适体的高度特异性、氧化石墨烯纳米材料优良的淬灭性能、以及微流控芯片少样品、多通道的优势，构建了基于FRET原理的、高灵敏的荧光信号增强型微流控传感平台，应用于急性白血病肿瘤细胞CCRF-CEM的检测。首先利用Hummers方法，在超声辅助下，制备了单层结构的、水溶性良好的氧化石墨烯。其次，选择绿色荧光基团FAM修饰的核酸适体Sgc8c，它能特异性识别目标细胞，并与氧化石墨烯通过π-π作用形成稳定的FAM-Sgc8c/GO复合物。由于它们之间发生荧光共振能量转移，从而可有效地降低背景的荧光信号。当引入目标细胞时，核酸适体与目标细胞发生特异性结合而形成稳定的发夹结构，使得Sgc8c远离GO表面，从而使得被淬灭的荧光得到恢复。在此基础上，我们设计了具有33条通道的微芯片平台，利用上述传感原理，进行可视化的、多细胞样品的同时扫描成像分析。通过激光共聚焦扫描成像以及半定量分析得出，该微流控传感芯片能够同时对7种不同浓度的细胞样品进行定量分析，且细胞浓度在2.5×101-2.5×104 cells/mL范围内得到了良好的线性响应，检测限达到25 cells/mL，这远低于其他检测方法的检测限。因此，该微流控传感平台实现了对目标肿瘤细胞快速、多通量、高灵敏的检测，可用于发展肿瘤疾病的早期诊断方法。

目录

摘要

第一章 绪论

1 血液肿瘤概述

1．1 血液肿瘤的研究背景

1．2 血液肿瘤诊断的常规方法

2 核酸适体生物传感器及其研究进展

2．1 核酸适体的特点

2．2 核酸适体在肿瘤诊断与检测中的应用

2．3 核酸适体生物传感器的原理和分类

2．4 基于纳米材料的FRET荧光型核酸适体传感器

2．5 纳米技术在核酸适体传感器中的发展前景

3 微流控芯片生物传感平台

3．1 微流控芯片制作技术

3．2 微流控芯片的优点

3．3 微流控芯片技术在生物分析中的应用

3．4 微流控生物传感平台的发展前景

4 本论文的研究目的以及意义

参考文献

第二章 一种新型的氧化石墨烯纳米探针技术应用于快速、灵敏、混合核酸分子的荧光检测

1 引言

2 实验部分

2．1 材料

2．2 仪器

2．3 实验方法

3 结果与讨论

3．1 氧化石墨烯的合成和表征

3．2 氧化石墨烯生物相容性分析

3．3 氧化石墨烯与荧光标记的核酸适体之间的FRET分析

3．4 ‘‘postmixing”反应策略进行DNA2的荧光分析

3．5 氧化石墨烯与不同荧光标记的两种核酸适体之间的FRET分析

3．6 ‘‘postmixing”反应策略进行多目标DNA的同时荧光分析

4 结论

参考文献

第三章 基于氧化石墨烯的微流控荧光传感平台用于肿瘤细胞可视化、高通量的检测

1 引言

2 实验部分

2．1 材料

2．2 细胞培养

2．3 仪器

2．4 实验方法

3 结果与讨论

3．1 氧化石墨烯与荧光标记的核酸适体之间的FRET分析

3．2 目标细胞CCRF-CEM诱导的GO／FAM-Sgc8c荧光恢复

3．3 荧光检测CCRF-CEM细胞

3．4 荧光增强型传感器的特异性分析

3．5 PDMS芯片平台上高通量检测目标肿瘤细胞CCRF-CEM

4 结论

参考文献

在硕士期间已发表和待发表的论文

致谢

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