DNA自组装结构在纳米诊疗中的应用

DNA分子具有良好的生物相容性和可编程性,被广泛用于构建新型纳米生物材料.研究者利用DNA纳米技术已构建了尺寸、形貌及对称性精确可控且可对环境条件做出特异性响应的DNA自组装结构,它们在生物成像及检测、药物的精准输送等纳米诊疗领域有着极大的应用潜力.然而, DNA纳米材料应用于活体系统存在稳定性不足、细胞摄取效率不高以及药物的包裹及可控释放程度不够等问题.本文简述了DNA自组装结构的构建方法以及将这些结构用于生物成像、生物检测和药物载带方面的进展,概括了提高DNA自组装结构体内稳定性及细胞摄取效率的方法,最后讨论了DNA自组装结构应用于纳米诊疗中所面临的机遇与尚待解决的问题.     

DNA四面体结构纳米材料及其应用

基于DNA纳米技术自组装的DNA四面体纳米材料,由于结构稳定、机械性能优越、分子修饰位点丰富等特点,逐渐成为DNA纳米材料领域的研究热点。此外,该DNA四面体纳米材料只需一步热变性即可自组装形成,具有合成方法简单、产率高的优点。可通过不同的设计,利用自组装方法将功能分子修饰在DNA四面体的顶点处,包裹在其笼状孔隙结构内,镶嵌或悬挂在双螺旋的边上,甚至通过引入发卡环结构等方式智能控制其结构变化。本文综述了DNA四面体结构纳米材料的设计和自组装原理、功能化修饰方法和结构的智能化,同时介绍了DNA四面体纳米材料在分子诊断、生物成像、分子输送和靶向给药等方面的应用研究,并探讨了此类纳米材料在今后应用研究中应关注的方面。     

小分子级联自组装/解组装策略在精准癌症诊疗中的应用

“智能”识别及靶向癌细胞是精确诊断与高效治疗的关键。目前的策略中,使用小分子共价前体探针（或药物）存在机体代谢速度快及对其他器官毒副作用大的局限;使用纳米探针（或载药）体系则存在分子量不明确、生物穿透性低和易被网状内皮系统捕获等问题。肿瘤“原位自组装”策略兼具了小分子和纳米体系的优点,利用小分子作为前体可提高药物分子在肿瘤组织的生物穿透性,?而自组装形成的纳米结构则提供了更好的生物利用度、更高的代谢稳定性和更长的滞留时间。在此基础上,研究者们通过设计多个肿瘤特异性生物分子顺次激活分子前体,进一步开发了小分子顺次级联自组装/解组装策略,以实现肿瘤组织的精准定位和肿瘤细胞的高选择性。在癌症的诊疗应用中,该策略可有效提高诊断信号的灵敏度,时空追踪癌细胞内的系列动态生物过程,同时实现药物的有效富集,并降低对正常细胞的副作用。该文概述了当前增强型级联自组装、级联自组装/解组装策略的研究进展,为癌症诊疗提供了新见解。     

硫化金包覆金纳米棒局域等离子体共振的纳米生物传感器研究

纳米生物传感技术是近年来迅速发展起来的一种超微生物传感技术,具有高选择性、高灵敏度、快速、方便检测等优点.尤其基于金纳米颗粒的生物探针的研究备受关注.近年来,对基于棒状金纳米结构的生物探针合成及在生物传感及医学成像中的应用的研究是金纳米棒研究的重要方向.纳米金由于其制备简单、易于修饰、稳定性和生物相容性好等优点,被广泛应用于生物分子的识别和检测领域.     

二苯丙氨酸二肽微纳米结构的可控组装及应用

近年来,生物组装单元构筑微纳米结构的组装体在生物纳米技术等领域得到了广泛的研究。不同形貌的微纳米组装体可以通过生物分子的自组装这样快速、简便的方法获得。在众多肽基构筑基元中,二苯丙氨酸二肽及其衍生物作为一种生物活性的肽,具有生物兼容性好、容易化学修饰/生物功能化、制备简单等特点,是构筑微纳米结构材料时重要的生物基元之一。通过可控的方法组装,可以得到基于二苯丙氨酸及其衍生物的不同结构的组装体,他们在光学、机械工程、电化学传感检测等方面也具有广阔的应用前景。研究证明通过改变组装条件以及引入外源小分子等方法可以实现调控短肽的分子组装。本文综述了二苯丙氨酸二肽微纳米组装体的可控组装及他们在生物医学、生物传感、光电材料、光波导和催化等方面的应用。     

苯丙氨酸二肽类分子自组装:分子设计、结构调控与材料应用

近年来,苯丙氨酸二肽类分子的自组装研究受到了广泛关注,已成为超分子化学、生物材料科学研究的前沿领域之一。苯丙氨酸二肽类纳米组装体因具有结构多样、易功能化以及良好的生物相容性等优点,在纳米制造、组织修复等方面展示出巨大的应用潜力。本文从分子设计、组装结构调控与材料应用三个层次系统综述了苯丙氨酸二肽类分子自组装的研究进展。首先总结了苯丙氨酸二肽类分子的修饰改性,包括乙酰基、芳香环、氨基酸、短肽等基团。然后,重点介绍了苯丙氨酸二肽类分子自组装的调控策略和方法,如溶剂、界面、气相、多组分共组装和酶催化组装。最后,介绍了苯丙氨酸二肽类自组装材料在纳米材料合成、传感检测、药物传递及组织修复等方面的应用现状,并分析了该领域今后的发展方向。     

无标记电化学生物传感平台用于癌胚抗原的检测

基于目标物诱导DNA杂交链式反应(HCR)及银纳米颗粒(Ag NPs)自组装过程构建了无标记型电化学生物传感平台,并将其应用于癌胚抗原(CEA)的检测.在目标物存在的情况下,适配体对CEA进行特异性识别并结合,释放出与之互补的触发DNA链(t DNA).该t DNA能够被金电极上的捕获探针(c DNA)捕获,并启动HCR过程,使得两条发夹DNA链被相继打开并串联成长的DNA双链结构,带正电的Ag NPs通过与该DNA结构之间的静电作用大量自组装到电极表面,并产生强的电化学信号.在优化的实验条件下,该电化学生物传感平台能够在0.5 ng·L~(-1)到50μg·L~(-1)的浓度范围内实现对CEA的良好响应.     

基于末端脱氧核糖核酸转移酶的纳米界面上DNA的生长策略及用于恩诺沙星的适配体传感器构建研究

在纳米金(Au nanoparticles,AuNPs)表面通过组装巯基DNA制得AuNPs-DNA生物探针后,末端脱氧核糖核酸转移酶(Terminal deoxynucleotidyl transferase,TdTase)催化探针DNA的3′-OH端,实现DNA的生长,并得到生长产物长单链DNA(Single-stranded DNA,ssDNA)。通过琼脂糖凝胶电泳和原子力显微镜成像(Atomic force microscope,AFM)对探针及ssDNA进行表征,结果表明TdTase能够实现纳米界面上DNA的高效生长,卷曲状态下链长可达850 nm。进一步将这种DNA的生长策略与适配体(Aptamer)技术相结合。首先在纳米金表面组装适配体片段1,在醛基化的磁珠颗粒表面组装适配体片段2,以此构建针对恩诺沙星的适配体生物传感器(Aptasensor)。该传感器对ENR在10～1.0×10~5 ng/mL具备良好的响应性能,检出限为1.0 ng/mL,能明显区分环丙沙星、氧氟沙星、诺氟沙星等对照组信号。研究表明,基于TdTase的适配体传感器操作便捷,具备良好的靶分子响应性能和特异性,可为食品安全检测等领域提供新的研究思路。     

基于长余辉纳米发光探针的生物传感检测和成像

长余辉纳米粒子由于其特殊的发光现象、超长的余辉寿命、可实现免原位激发以及光谱发射区域可被调控至"生物光学透明窗口"内等特征而被广泛应用于光学传感检测和生物医学成像领域。近年来,长余辉纳米发光探针的合成和应用吸引了光谱学、声子学、光化学、材料科学领域的极大关注。本文对长余辉纳米分子探针的合成方法、颗粒表面功能化及其作为靶向探针在体内和体外进行传感检测及活体成像的应用进行深入探讨。本文主要讨论Mn~(2+)和Cr~(3+)掺杂的红色-近红外发光纳米材料,特别是镓锗酸盐,其具有强烈的近红外持续发光,超过两周的余辉寿命更适合于生物成像的应用。功能化的红色近红外长余辉纳米材料为长期实时监测体内生理学过程和疾病的诊断提供有前景的技术平台。最后本文对长余辉材料应用面临的挑战和未来的发展趋势进行了展望。     

基于生物条形码的粘蛋白和特定细胞电化学发光适配体生物传感方法研究

本文基于适配体识别和生物条形码放大策略,以MCF-7细胞和粘蛋白(MUC1)为目标物,MUC1的特异性适配体(rcDNA)为分子识别物质,Ru(phen)₃²⁺为信号物质,rcDNA通过巯基自组装于金电极表面作为传感界面,发卡DNA(hpDNA)和rcDNA通过巯基自组装在金纳米粒子(AuNP)表面合成的hpDNA/AuNP/rcDNA为生物条形码探针,建立了测定MUC1和特定细胞的电化学发光适配体生物传感新方法.当目标物被传感界面上的rcDNA俘获后,进而与生物条形码探针形成夹心复合物,Ru(phen)32+嵌入hpDNA中.在共反应剂的存在和+0.95 V恒电位下测量电化学发光强度.电化学发光强度的变化值与MUC1和MCF-7细胞浓度的对数在4~800 pg/mL和30~5.0×10^(4 )cells/mL范围内呈良好的线性关系,检出限分别为0.5 pg/mL和9 cells/mL.将该法应用于监测两种物质刺激下MCF-7细胞表面MUC1含量的变化,发现芹黄素刺激下细胞表面MUC1含量降低,而过氧化氢刺激下细胞表面MUC1含量不变.     

肽超分子自组装:结构调控和功能化

生物分子自组装对生物体有重要意义,利用生物分子构筑具有功能性的有序组装体一直是人们关注的焦点.肽分子是一类重要的组装基元,肽的超分子自组装可形成多种纳米或微米尺度的结构,并可应用于能源、医药等领域.如何实现肽自组装结构的精准调控以及精准调控肽自组装实现功能化,是目前该领域面临的新挑战.肽的自组装是基于非共价键力的协同作用实现的,通过各种因素调节这些非共价键力的作用,是实现自组装结构调控和功能化的关键.虽然自组装结构调控可以通过改变外部环境调控,但是通过精确分子设计、组装基元分子间的相互作用调控可以更好地实现结构的精准调控;并有利于进一步通过引入功能性分子作为组装基元,实现自组装体的功能化.本文将针对肽自组装体的结构调控以及功能化两个方面对相关研究进行综述.     

稀土纳米晶用于近红外区活体成像和传感研究进展

稀土纳米晶具有丰富的激发和发射波长,良好的化学和光稳定性、大Stokes位移等特点.近年来,稀土纳米晶在生物活体成像与传感领域的应用研究取得了迅速进展.通过纳米尺度的材料设计与合成,可以对稀土纳米晶的荧光效率、波长、寿命等光学性质,以及生物相容性、靶向性、响应性等生化性质进行精细调控,使其更好地适应于活体深组织的成像与分析.先概述活体荧光成像的技术特点与要求,然后介绍稀土纳米晶的一般组成、光学性质和荧光机理,随后详细讨论对稀土纳米晶光学和生化性质进行调控的方法,着重展示这些材料的设计和修饰在生物成像与传感领域的一些最新应用.通过总结最近的研究成果,期望能够为下一步的研究提供一些参考思路,以推进基于稀土纳米晶的生物成像与传感技术的临床转化和应用.     

高保真纳米耀斑在生物传感中的应用

传统的纳米耀斑是基于金纳米颗粒（Au NPs）通过金-硫（Au-S）键共价组装功能核酸而成,广泛应用于DNA可编程组装、生物传感、成像和治疗等领域。然而,在细胞环境中,生物硫醇和其他化学物质的干扰是一个长期存在的问题,阻碍了其实际应用。针对此问题,通过升级纳米耀斑实现细胞内的高保真荧光成像,避免生物硫醇和其他化学物质的干扰以获得高保真信号,对细胞内高精度成像具有重要意义。本文对高保真纳米耀斑相关研究进行了归纳整理,系统概述了高保真纳米耀斑的设计原理及其在生物传感中的应用,最后展望了该策略在细胞成像方面的优势及应用前景。     

DNA G-四链体识别探针研究进展

G-四链体是一种由富含鸟嘌呤核酸序列形成的独特的二级结构,广泛分布于真核生物基因组,如端粒DNA、r DNA和一系列基因中的启动子区域。G-四链体结构对很多重要的生理过程如基因的转录、复制、重组以及保持染色体的稳定性方面具有重要作用。G-四链体的特异、高灵敏检测将为进一步了解G-四链体结构在人类细胞基因组中的分布、功能和机制奠定基础,也可能为靶向G-四链体的肿瘤治疗方法提供新的思路。因而过去几十年人们一直致力于开发设计具有高选择性和高灵敏度的G-四链体识别探针,这些探针已经广泛应用于溶液中G-四链体的识别,而且具有良好的选择性。目前也有少数探针能够直接用于检测活体G-四链体结构。本文综述了一些常见的靶向G-四链体的小分子配体,以及它们在染色体和活体细胞G-四链体检测中的应用。笔者希冀本文能为设计识别G-四链体的高性能探针,进一步实现活细胞内G-四链体的检测提供借鉴。     

新型树枝状硫醇的自组装单层膜──图案化表面及其浸润性的调控

近年来 ,自组装膜的研究不断引起人们重视[1] .一方面 ,其兴趣可能源于纳米级器件的组装 ,如生物传感器等 [2 ] ;另一方面 ,它可作为研究摩擦学 [3]、生物膜模拟 [4 ]和微观浸润性的模型体系 [5] .树枝状分子的结构可在分子水平上精确控制 ,是很有潜力的纳米构筑基元 [6 ] .不同于常规的自组装膜构筑基元 ,树枝状分子的特殊结构使其在金属表面形成某些特殊的组装结构成为可能 .结合界面分子自组装技术和树枝状分子化学 ,国内外已有机构开展了树枝状硫醇的自组装膜的研究[7～ 9] .我们曾发现一种聚醚树枝状硫醇分子在金表面形成的自组装单层…     

金属配合物分子纳米结构构筑与调控的STM研究进展

金属配合物分子具有结构多样且可控以及功能丰富等特点,在催化、传感、分子识别、纳米器件等领域得到广泛应用, 对金属配合物分子的研究已是分子科学研究中的热点之一.同时, 利用配合物分子构筑表面分子纳米结构以及对配合物单分子性质的研究也日趋活跃. 近年来, 本研究组发展了配合物分子在固体表面的自组装技术, 并结合扫描隧道显微技术(STM)开展了一系列有关金属配合物分子表面纳米结构的研究工作, 在固体表面成功实现了对配体、配合物分子的高分辨STM成像、原位配合以及分子识别, 设计和构筑了多种功能配合物分子纳米结构,并系统研究了结构形成规律. 本文以本研究组近年来有关金属配合物分子组装的研究结果为主, 结合国内外相关研究小组的研究结果,综述有关金属配合物分子纳米结构的构筑与调控的STM研究进展, 介绍该类分子在固体表面的组装和分散规律, 为表面分子纳米结构的构筑和调控提供理论和实验基础.     

基于磷脂膜的界面相互作用研究

磷脂是一类非常重要的生物分子,它是细胞膜的主要组成部分,同时也在诸多生命活动（如细胞激活、代谢维持和激素分泌等）中发挥着不可替代的作用。磷脂种类繁多,且具有自组装能力强、生物相容性好、无细胞毒性、易于获得等一系列优点。作为一种最典型的界面材料,磷脂膜特殊的双层结构及出色的生物学性能引起了科研人员的广泛关注,其能够模拟生物膜结构,有助于研究界面上的分子特征及作用行为。此外,磷脂可被用作生物医学材料,改性磷脂以及磷脂与纳米颗粒的复合物在肿瘤成像技术、药物靶向递送系统等方面具有良好的发展前景,显著促进了新型生物材料的开发与进步。本文先归纳了磷脂的分类,并比较了磷脂在不同基底的吸附行为;之后重点分析了磷脂膜界面的选择性识别功能以及与多肽、酶、蛋白质等生物分子之间的相互作用;最后对基于磷脂膜的生物材料在生物传感、药物研究和成像技术中的应用作出了展望。     

基于三维DNA纳米结构的电化学SNP检测

单碱基多态性（single nucleotide polymorphisms,SNP）一直以来被认为可以作为疾病诊断的有效标记,所以这方面的研究一直备受关注.现有的检测方法多在均相体系中进行.相比较而言,在界面上如果能方便快捷地区分SNP,此方法在医疗检测方面的应用性就可以大为加强.我们成功地利用DNA自组装技术在金电极表面组装了四面体结构的DNA纳米结构探针（tetrahedron structure probes,TSPs）,有效地控制界面上DNA组装的密度,使得基于四面体结构的DNA探针的杂交行为更接近于溶液相体系,进而实现了在原有界面上受限于异相反应而无法较好完成的SNP分型检测.在TSP和作为信号分子的reporter DNA之间只有6个互补配对碱基的条件下,就可以得到大于10倍的信噪比.相对地,在传统的单链DNA组装上6个碱基的作用力不足以实现良好的信噪比.同时,基于TSP的金电极组装模式由于较厚的四面体组装层所得到的有效空间,更利于DNA杂交反应以及复杂结构的形成.我们使用了Y-支状的DNA杂交策略分别在TSP和单链上做了对比,发现TSP能非常好地区分SNP,而传统单链上在Y-支状DNA杂交策略的条件下区分度就非常有限.这两点都充分地体现了TSP更接近于溶液相体系的优越性,这种三维DNA探针的优越性为我们研究和应用DNA纳米技术在界面反应提供了新的可能.     

多指示剂标记适体探针卡那霉素传感器的电化学行为与分析性能

以三分子亚甲基蓝(MB)标记适体探针为分子识别元件,构建了一种卡那霉素生物传感器。该传感器采用目标物诱导探针构型变化的信号转导机制。以Au-S化学法将适体探针自组装于金电极表面形成稳定的单分子层传感界面,利用交流伏安法和循环伏安法考察了传感过程的基础电化学行为和传感器分析性能。在优化条件下,相比于单分子MB标记,该传感器的界面电活性和电流输出效率获得了明显提升。在PBS中用于目标物卡那霉素检测,检出限为3.3 nmol/L,电流响应平衡时间为15 s,同时具有高选择性、强抗污检测能力和好的平行构建稳定性。该方法检测过程免样品前处理,无需添加辅助试剂。     

基于核酸探针的光学传感方法和细胞成像研究

许多疾病的特征在于各种生物分子表现出的异常活性,这些物质通常在细胞内外显示过表达现象,因此对其灵敏靶向识别可以提供诊断和治疗效用。由于基因诊疗和化学传感技术的发展,用于灵敏检测细胞内外生物化学物质的核酸探针突显优势。核酸探针可以在稳定进入细胞的同时,特异性地结合目标物质,通过光学方法检测或通过成像技术标识出来。本文综述了采用光学传感方法和成像技术,基于核酸探针检测生物分子的新进展。根据检测对象进行分类,概括分析了几个代表性体系:核酸序列、蛋白质和酶、化学物质和物理化学条件,并详细阐述其关键设计原理、灵敏度及样品检测等结果,同时指出了各类核酸探针的优缺点。