基于功能化核酸骨架的多组分可控纳米颗粒簇的构建及其在多模态活体医学影像中的应用

The multi-modal imaging, which can effectively combine advantages of several imaging techniques, has become an important approach for in vivo biomedical imaging. Its imaging performance is strongly affected by the materials for marking. Therefore, reliable synthesis of materials with distinct physical functions and precise targeting ability is important for multi-modal imaging. In recent years, nanoparticle clusters (NPCs) have attracted significant attention owing to their unique characteristics arising from the enhancement of collective individual properties as well as their excellent stability in vivo. Herein, we propose a new strategy to construct controllable multi-component NPCs using the combination of DNA scaffolding and protein-tagging technology. Multi-component NPCs can be obtained in pre-designed nano-architectures with precise control over shapes, sizes and particle alignment patterns. Moreover, the over-crosslinking between nanoparticles and DNA is reduced to prevent their aggregating into random network structures. The synthesis efficiency of overall multi-component NPCs is highly improved to meet further application. Based on this strategy, dual-modal imaging can be achieved by multi-component NPCs composed of quantum dots for fluorescent imaging and magnetic nanoparticles for magnetic resonance imaging. This project will promote developments of multi-modal in vivo medical imaging in biomedicine analysis.

多模态影像技术可有效实现多种成像技术的优势互补，弥补单一成像技术的缺陷，是目前生物医学发展的重要方向。其中，制备多功能、高性能的成像材料是实现活体多模态成像的前提。近年来，纳米颗粒簇由于拥有特殊微小结构而表现出可协同放大纳米颗粒的光、电、磁学等性质的优异能力，并且具有更好的稳定性和靶标能力，因而受到广泛关注。要将其广泛应用于多模态生物医学影像，实现在特定纳米颗粒簇中同时整合具有不同功能的纳米颗粒，并精确控制产物中各纳米颗粒的比例和排布是最为关键的基础。本项目拟通过核酸作为模板分子，并结合具有高度特异性的蛋白质标签技术，建立一种可同时实现磁性和荧光纳米颗粒有序、精确、可控排布形成特定纳米颗粒簇的新技术。以此为基础，优化该材料在生物活体中的成像条件，从而发展出一种针对生物活体肿瘤的高灵敏、高靶向、高稳定、低组织弥散的多模态生物医学成像方法，为肿瘤的早期示踪和诊断提供新的思路。

纳米颗粒簇由于拥有特殊微小结构可表现出可协同放大纳米颗粒的光、电、磁学等性质的优异能力，以及更好的结构稳定性和靶标能力，可应用于多模态影像，弥补单一成像技术的缺陷。然而，要在微纳米尺度实现对粒子的操控，使其有序结构排列才能发挥颗粒簇的巨大优势，同时实现纳米粒子与纳米颗粒簇的高效分离也是目前研究的巨大挑战。本项目以编辑特定序列的多功能核酸为模板分子，结合具有高度特异性的蛋白质标签技术、纳米材料偶联技术等，实现了纳米颗粒有序、精准、可控排列成簇，并高效分离了纳米颗粒簇。以此为基础，实现了对肿瘤细胞高灵敏、高靶向、高稳定、低组织弥散的多模态生物医学成像，具体工作包括：.1. 设计并成功构建了多种关键核酸及功能性蛋白，包括：3种长度、序列不同的核酸骨架、2种识别序列不同的锌指蛋白、2种蛋白质标签、4种锌指蛋白-标签蛋白融合体，合成了蛋白标签的对应配体，并实现了锌指蛋白与核酸骨架的有效结合，同时，制备了蛋白标签-纳米材料、锌指蛋白-蛋白标签配体、锌指蛋白-核酸骨架等多种纳米颗粒簇构建所需关键复合物；.2. 基于核酸骨架-锌指蛋白-蛋白标签介导的有序纳米颗粒簇的构建，并通过于核酸互补磁珠技术获得纳米颗粒簇的高效分离，对其生物相应性、毒性等进行评价，并实现其在活细胞成像中的应用；.3. 基于多功能核酸结构构建了双核酸探针Y型检测结构的miRNA高灵敏、高特异分析检测平台，利用FERT相应信号的不同精确对不同miRNA样本中的单碱基差异进行有效区分，并应用于多种miRNA及真实样本检测。.项目按计划已完成预定指标，发表SCI论文2篇、申请专利6项，成果有望为肿瘤的早期示踪和诊断提供新的思路。