细胞凋亡相关功能分子的双光子荧光成像与生物传感

Apoptosis is a critical biological process related to the pathogenesis and chemical treatment of tumor. The qualitative and quantitative analysis of the related molecules is the key process for apoptosis study. How to in situ and real-time detection of molecules in interior or on surface of apoptotic cells was in badly need of breakthrough in analysis methods and key technology. The goal of this project is to qualitative and quantitative analysis, image and dynamic study of the proteins, nucleic acids, small molecules related to the process of apoptosis. We will synthesis multifunctional nanomaterials with two-photon characteristics and build high sensitive, selective, accurate and high-throughput detection nanoprobes through integration of highly specific recognition elements and inner reference elements. The protocols for determination of the molecular concentrations, distribution and dynamic imaging in apoptotic cells are mainly developed through the surface-plasmon resonance-based enhanced fluorescence spectroscopy. On this basis, we further study the dynamics of the interaction between related biomolecules to pursue the molecule mechanism of cell apoptosis. This basic research breakthrough will play a very important role in the life study and treatment of disease.

细胞凋亡是一种与肿瘤的发病机制及化学治疗相关的重要生物学过程，其相关功能分子的定性定量分析是研究细胞凋亡过程的关键。而如何原位、实时地检测细胞内部和膜表面的功能分子亟需在分析方法和关键技术上取得突破。本项目以细胞凋亡过程中蛋白质、核酸、活性小分子等的定性定量分析、分布成像及动态变化为研究目标，合成具有双光子特性的多功能纳米材料，利用靶分子和内参比分子的功能化修饰，构筑高灵敏、高选择、高准确、高通量的检测纳米探针；发展以双光子荧光技术为核心的适用于细胞微区分析并且能够获取分子浓度、分布成像和动态变化等多元信息的增强荧光光谱新方法新技术。在此基础上，深入研究细胞凋亡过程中相关生物小分子与蛋白质、核酸等大分子的相互作用动力学，为进一步探究细胞凋亡过程中的分子机制提供基础，为细胞凋亡技术在生命研究及疾病治疗中发挥更重要的作用提供分子学基础。

细胞凋亡是一种与肿瘤的发病机制及化学治疗相关的重要生物学过程，其相关功能分子的定性定量分析是研究细胞凋亡过程的关键。而如何原位、实时地检测细胞内部和膜表面的功能分子亟需在分析方法和关键技术上取得突破。本项目首先通过细胞内原位合成以DNA为模板的银纳米簇，实时监测端粒酶活性，研究发现干细胞的增殖、分化和凋亡过程均与端粒酶活性息息相关；随后合成了一种基于硫化铜的多功能纳米材料，首次实现了细胞凋亡过程中铁离子浓度和α-突触核蛋白聚集度的同时监测，发现铁离子浓度和α-突触核蛋白聚集度呈正相关，并利用硫化铜的光热效应，通过α-突触核蛋白聚集体解聚实现了帕金森病模型小鼠（MPTP）中的诊疗一体化；此外，又设计和制备了磁性金纳米星功能化的三肽级联靶向纳米探针，实现了从线粒体途径和死亡受体途径共同调节细胞凋亡状态并实时监测，进一步提高了肿瘤治愈率。在此基础上，申请人还将研究拓展到与凋亡相关的细胞自噬，创建了一种基于氧化钼的荧光、拉曼双模式纳米探针，同时监测细胞自噬相关的两种miRNA，并研究了光热治疗（PTT）疗效与自噬水平之间的关系：在氧化钼介导的PTT过程中，miR-18a *和miR-4802的浓度明显下降，说明氧化钼介导的PTT过程能通过下调miR-18a *和miR-4802的浓度来提高细胞的自噬水平；而同时，PTT诱导的自噬又抑制了PTT效率；因此，通过调节细胞内自噬水平是一种提升PPT诊疗效率的潜在手段。随后，设计并制备了一种基于碳点的荧光寿命成像的双光子纳米传感器，用于细胞自噬及凋亡的标志酶ATG4B和Caspases 3的同时检测，实现了活细胞和脑组织中自噬和凋亡水平的评估，为神经退行性疾病的治疗提供了潜在的理论依据。本项目的以上研究成果，为细胞凋亡技术在生命研究及疾病治疗中发挥更重要的作用提供了分子学基础。