高信噪比多色SERS探针的制备及其在癌症精确检测中的应用研究

Surface-enhanced Raman scattering (SERS) has received intense attention because of its high specificity and sensitivity. However, traditional SERS tags exhibit various limitations such as tedious preparation procedures, spectral overlap, and poor reproducibility, which enable them difficult to be used in multiplexed detection of trace targets of interest. In this proposal, we present a one-pot strategy to fabricate high-sensitivity multiplex SERS tags with high reproducibility. In addition, we would like to employ resonant dyes as the molecular frame to synthesize a series of Raman reporters with bioorthogonal property, which means that the characteristic single non-overlapping peaks are shown in the cellular Raman-silent region, thus eliminating background noise and spectral overlap. As a result, the signal-to-noise ratio and resolution can be enhanced significantly. In combination with lateral flow strip testing, these as-prepared SERS tags will be conjugated with specific antibodies for multiplexed detection of cancer biomarkers in clinical sera, providing a useful tool for early diagnosis and occurrence monitoring of cancers. Moreover, these SERS tags will be used to evaluate the expression of cancer biomarkers in clinical tissue specimens, thus improving the precision of cancer diagnostics.

近年来，表面增强拉曼散射（surface-enhanced Raman scattering, SERS）光谱因其特异性强、灵敏度高等优点而备受关注。然而，传统SERS探针存在制备繁琐、光谱重叠、重现性差等缺点，难以实现对痕量靶标物质的多色快速检测。本项目拟发展一种“一锅法”制备高灵敏度多色SERS探针的方法，大大提高了探针制备的可重现性。此外，我们拟以激发光共振染料为母核，合成一系列生物正交拉曼报告分子，其特征信号处于细胞拉曼沉默区，且为单峰，从而消除背景信号干扰，同时避免了不同探针之间的信号重叠，进而大大提高了检测的信噪比和分辨率。这些多色SERS探针与特异性抗体结合，拟在试纸条上实现对血样中不同肿瘤标志物的同步检测，为癌症的早期诊断和复发监测提供有用工具；同时，这些SERS探针还将用于同步检测癌症组织切片上不同肿瘤标志物的表达，有助于癌症精确诊断。

本项目发展了一系列基于无背景表面增强拉曼光谱（surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS）的新方法，用于疾病标志物高信背比检测与成像。SERS是一种分子指纹信息检测技术，具有单分子检测灵敏度，被广泛应用于癌症标志物检测。然而，常规SERS的拉曼信号一般处于指纹区（200-1800 cm-1），在进行生物样品分析时，内源性生物分子的拉曼信号也会被增强，从而不可避免地产生背景信号干扰。为了解决这一重大难题，我们发展了一种基于外源性报告基团（如氰基、炔基等）的SERS生物检测新策略，其信号处于生物拉曼静默区（1800-2800 cm-1），在此区域，生物体完全不产生背景干扰，从而实现零背景干扰SERS检测。. 在消除背景信号干扰的同时，通过提高检测灵敏度，可提高分析方法的信背比。我们以不对称功能化金纳米基底作为SERS探针，检测靶标通过介导纳米颗粒组装形成热点，实现单分子检测。我们将该高信背比分析方法延伸到其他癌症标志物检测，并与现有临床诊断方法（如免疫染色）做对比，验证了该方法在复杂生物体系分析中的优越性能。. 某些反映癌症发生发展的标志物（如HER2，EGFR，p53等）并不能分泌到体液中，故只能在肿瘤组织中对其进行原位检测。SERS正是一种检测原位分子指纹信息的先进技术。受到“特洛伊木马”启发，我们发展了一种二氧化锰包裹胶体金（Au@MnO2）的刺激响应性拉曼纳米探针。该探针的MnO2层在酸性环境中能被H2O2特异性地高效降解，从而释放出Mn2+并暴露出裸露的胶体金。Mn2+具有优越的T1加权成像能力，可作为磁共振成像造影剂特异性获取病灶多维空间信息和解剖结构形态；裸露的胶体金可显著增强周围分子的拉曼信号，发挥表面增强拉曼效应，获得周围生物环境在分子层面的指纹信息。该探针被成功应用于小鼠乳腺癌模型的T1加权磁共振成像以及肿瘤微环境的SERS检测，提供了不同时期肿瘤模型的整体分子指纹图谱，从而首次实现对肿瘤微环境中生物分子结构信息的原位测量。