核酸荧光纳米探针的制备及应用研究

摘要

核酸（nucleic acid）是由许多核苷酸组成的生物大分子化合物，负责贮存和传递遗传信息，是生命活动最基本的物质之一。核酸广泛存在于所有动植物细胞和微生物中，常与蛋白质结合形成核蛋白。根据核酸化学组成的不同，可以将其分为核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）。DNA 是储存、复制和传递遗传信息最主要的物质基础。RNA则在蛋白质合成过程中起着决定性作用，其中信使核糖核酸，简称mRNA，它是由DNA经转录而来，是合成蛋白质的模板；microRNA （缩写为miRNA）是短的非编码RNA分子（含有约22个核苷酸），其在RNA沉默和基因表达的转录后调节中起作用。随着疾病分子生物学的发展，特别是人类基因组计划取得的突破性进展，人们认识到人类重大疾病如心血管疾病、癌症、糖尿病等均是直接或间接由基因表达异常引起的；在实际临床应用与研究中，一些表达异常的核酸分子，如microRNA-21和胸苷激酶1 (TK1)mRNA等已被用作是相关疾病的生物标志物。通过体外或原位监测这些异常表达的核酸分子可以实现对疾病的诊断或疾病治疗后的疗效评估。　　目前，核酸的检测已经从最初的定磷法和戊糖定量法等根据核酸分子最基本的化学组成来进行检测的方法逐步发展到紫外分光光度法、荧光染料法、实时荧光定量聚合酶链式反应（PCR）分析和流式细胞术等。然而，这些检测方法大多需要昂贵的仪器设备、专业的技术操作人员或者繁琐的操作步骤，这都限制了核酸检测技术面向大众化的普及与推广。近年来，许多课题组利用DNA序列互补配对的性质，设计了一系列荧光纳米探针用于核酸检测。这些荧光纳米探针的制备过程简单，而且利用这些探针可以实现便捷、高通量、高灵敏度、高选择性的原位核酸检测，因此在核酸检测中有着很大的应用潜力。本论文设计了两种荧光探针，并将其应用于核酸检测中，主要研究内容如下：　　① 在本文第二章中，我们合成了具有良好光致发光性能的二硫化钼量子点（MoS2 QDs），通过Mo-S键在其表面共价修饰带有染料分子标记的DNA链，制备了用于肿瘤生物标志物microRNA-21检测的荧光纳米探针。在文中我们详细介绍了该纳米探针检测核酸的工作原理，并采用透射电镜（TEM）、X射线光电子能谱分析（XPS）、Zeta电位、紫外-可见光吸收光谱（UV-Vis）等分析手段对纳米探针进行了全面的表征。我们研究了该纳米探针在缓冲和复杂基质中检测microRNA-21的能力，以及区分正常细胞与肿瘤细胞的能力。　　② 在本文第三章中，我们首次以Y型DNA（Y-DNA）为生物模板，采用温和的生物矿化法制备了一种新型的Y-DNA@Cu3(PO4)2杂化纳米花用于核酸的检测。我们论述了纳米花成型的机理，并对其检测核酸的原理进行了详细的介绍。利用扫描电子显微镜（SEM）、TEM、X射线衍射（XRD）、XPS等技术对纳米花的形貌及成分进行了全面的表征。我们考察了杂化纳米花作为核酸探针的载体用于细胞内肿瘤生物标志物TK1 mRNA的检测、区分肿瘤细胞和正常细胞、以及评估药物治疗效果的能力。

目录

1 绪 论

1.1 核酸概述

1.2.1 基于碳纳米材料的核酸检测

1.2.2 基于DNA自组装体的核酸检测

1.2.3 基于贵金属纳米材料的核酸检测

1.2.4 其它纳米材料在核酸检测中的应用

1.3 生物矿化研究进展

1.3.1 基于蛋白质的生物矿化

1.3.2 基于多糖的生物矿化

1.3.3 基于合成聚合物大分子的生物矿化

1.4.1 研究意义

1.4.2 研究内容

1.4.3 创新点

2 基于硫化钼量子点的miRNA比率荧光纳米探针制备及应用

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 主要试剂与仪器

2.2.2 实验方法

2.3.1 材料表征

2.3.2 双通道的MoS2 QD@MB纳米探针对microRNA-21的响应

2.3.3 MoS2QD@MB纳米探针的抗干扰能力

2.3.4 MoS2QD@MB纳米探针的特异性

2.3.5 复杂基质中microRNA-21的检测

2.3.6 细胞内miRNA-21的原位成像

2.4 本章小结

3 基于Y-DNA@CuP纳米花的mRNA荧光探针制备及应用

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 主要试剂与仪器

3.2.2 实验方法

3.3.1 材料表征

3.3.2 Y-DNA的灵敏度与特异性

3.3.3 核酸探针释放

3.3.4 细胞内肿瘤生物标志物原位检测

3.4 本章小结

4 结论与展望

4.1 主要结论

4.2 存在问题与展望

参考文献

附录

A 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 学位论文数据集

致谢