基于适体酶的双光子DNA水凝胶用于细菌感染早期检测、成像与治疗

The development of effective early diagnosis technology for bacterial infection is of great importance in reducing morbidity, mortality and medical costs, because of the always delayed diagnosis of bacterial infection in clinic. This project aims to construct single bacterial detection methods and intelligent DNA hydrogel based on two-photon bacterial aptazymes, which is used for highly sensitive detection of bacterial infection in the early stage, accurate two-photon imaging and intelligent drug release. The main research contents include three aspects: (1) construct two-photon dye labeled bacterial aptazyme probes, in order to overcome the light injury, bleaching and biological background fluorescence, and develop digital fluorescent array techniques for the detection of single bacteria; (2) Design self-assembled functional DNA hydrogel based on two-photon bacterial aptazyme, targeting bacterial infection sections. Using bacterial specific protein to activate the two-photon imaging probe, realizing the precise high-resolution imaging.(3) Construct intelligent DNA hydrogel systems for drug loading, using aptazymes to switch pathway to control the drug release. Carry out the study of integration of the diagnosis and treatment of bacterial infection. The research hopes to form key technologies with independent intellectual property rights in the research areas of highly sensitive detection, accurate imaging and intelligent drug release for therapy. The study focuses on solving the problems of delayed diagnosis, low sensitivity and poor selectivity, and developing new probes and techniques for the clinical diagnosis and treatment.

活体细菌感染在临床上存在延迟诊断现状，发展有效的早期诊断技术，对降低发病率、死亡率和医疗成本都具有重要的研究意义。本项目拟发展基于双光子适体酶的单细菌检测技术及智能DNA水凝胶用于细菌感染早期检测、感染部位精准成像和智能释药治疗。主要包括三方面的研究：1.构建双光子标记的细菌适体酶探针，发展数字式单细菌荧光检测阵列新技术，用于细菌早期感染超灵敏快速检测；2.构建基于双光子细菌适体酶的功能DNA水凝胶，靶向细菌感染部位，产生激活式双光子成像探针，实现活体细菌感染的早期精准高分辨成像；3.设计DNA水凝胶智能载药系统，以细菌适体酶为开关通路，刺激响应的同时释放药物，开展细菌感染早期诊断与治疗一体化研究。通过本研究，以期形成细菌感染高灵敏检测、精准成像和智能释药治疗领域具有自主知识产权的关键技术，解决延迟诊断、灵敏度低、选择性差的问题，为临床治疗提供依据和方案，提高细菌感染早期诊疗的研究水平。

疾病感染在临床上存在延迟诊断现状，发展有效的早期诊断技术，对降低发病率、死亡率和医疗成本都具有重要的研究意义。本项目致力于发展基于双光子适体DNA酶的早期检测、精准成像和治疗新方法。发展了基于适体的DNA三维分子机器，以DNA纳米结构作为骨架，集成了基于核酸适体的双信号识别分子触角和“与”门逻辑运算触角，通过分子间的临近反应，发生特异性识别和信号输出新方法，实现了对癌细胞表面的逻辑运算和精准识别。基于荧光共振能量转移原理构建了适体DNA三棱柱纳米探针，利用裂开型核酸适配体提升检测灵敏度，用于活细胞成像。构建了基于适体双光子DNA酶-纳米金的激活型荧光探针，克服了传统单光子探针穿透深度浅、易光漂白的缺点，应用于活细胞和深层组织成像。将内质网靶向基团与双光子荧光探针结合，构建了亚细胞器靶向的内质网氨基肽酶1（ERAP1）双光子成像探针。构建的细胞膜锚定小分子荧光探针可用于活细胞中CO等信号分子的监测。利用金属有机骨架（MOFs）的尺寸可调、可生物降级等优势，采用合成后点击化学修饰策略，构建了双光子MOF成像探针，性能优于介孔硅纳米探针，利用MOF孔道对分子尺寸的筛分作用，提高抗干扰能力，可用于复杂体系硫化氢等靶标的深层组织成像。利用固态荧光探针可实现原位成像。项目组还验证了针对内源性多硫化物的生物探针在细胞和小鼠细菌感染模型中的应用。为了进一步提高生物成像和治疗的精准性，设计了 “双钥匙-单锁”智能纳米探针，用于高特异性的生物成像和光热治疗。基于疾病微环境中较高水平的NO和低pH值的特性，设计合成了双激活的D-π-A-π-D型响应分子，结合惰性内参，构建了激活式光声/光热双信号输出的纳米探针，用于高特异性生物成像和精准治疗。进一步发展了NIR-II增强等离子体催化供氧的策略，用于克服缺氧环境，增强放疗增敏效果，具有好的放射和光热联合治疗效果。项目研究的系列高灵敏检测、精准成像和智能精准治疗的新方法能够应用于疾病感染的早期诊疗。