负载功能分子的介孔硅纳米探针在溶酶体中的传感研究

作     者：赵一蓉 

作者单位：湖南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨荣华

授予年度：2015年

学科分类：0710[理学-生物学] 081704[工学-应用化学] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 071009[理学-细胞生物学] 09[农学] 070302[理学-分析化学] 0901[农学-作物学] 0703[理学-化学] 090102[农学-作物遗传育种] 

主      题：化学生物传感 荧光传感 有机小分子探针 溶酶体 介孔硅 

摘      要：化学生物传感器是原位、实时监测生物体,如细胞、组织等生理和病理过程的关键技术,是现代生命科学以及疾病诊断等领域不可或缺的分析工具。荧光传感器结合日渐精益的成像技术是现今化学生物传感领域的主力军。其中,荧光有机小分子探针因其灵敏度高、检测范围广等特点在现代生命科学领域中广受关注。随着科学技术的进步与发展,丰富和发展高效的针对细胞中更精细结构——亚细胞区域定位荧光探针成为研究热点,同时也是一个难题。众多亚细胞结构中,溶酶体是其中极其重要的一员。因此,靶向溶酶体荧光探针的设计和开发对探究与溶酶体相关的细胞生理过程意义重大。然而,溶酶体中的酸性环境和多蛋白酶特点加之固有的生物相容性差等问题让有机小分子探针无从适应,传统方法尽显疲态。为了应对新需求带来的高挑战,在荧光有机小分子探针的基础上构建新平台成为了适应溶酶体内严苛环境的突破口。本论文以解决上述荧光有机小分子探针面临的挑战为目的,结合纳米技术,以设计荧光纳米探针为主线,具体开展了以下两个工作:(1)目标物和pH双激活型纳米复合荧光探针应用于溶酶体内自由铜离子的分析检测。铜是生命体必需元素,溶酶体中铜离子失衡会引发威尔森氏病等多种疾病。近年来,大量的荧光探针被设计用于检测Cu,但是其中大部分是针对整个细胞Cu的检测和成像,而选择性检测溶酶体中Cu的探针鲜有报道。其难点有二,首先,在探针分子上加一个靶向基团的传统方法不能消除来自细胞液等位置的背景信号;其次,探针分子在溶酶体“苛刻环境中的不稳定性会影响其检测性能。为了实现溶酶体Cu的检测,本研究基于同时对目标物和低pH双刺激响应的策略,设计、合成了一种新型的纳米复合荧光探针。一方面,探针分子包含了一个H识别位点,这样就避免了非酸性环境中的背景荧光。另一方面,探针分子被包埋在介孔硅的孔道中,保证探针在细胞内不会被干扰或降解。最重要的是,介孔硅被细胞内吞后只在溶酶体内聚集使得探针能够高分辨的检测溶酶体内的Cu。同时,靶向缩氨酸RGD的修饰,使其拥有更好的细胞通透性和滞留效应,因此,该纳米探针Rhod-SP@MSN-CD-RGD最终实现了酸性溶酶体内Cu变化的高灵敏示踪以及人肝癌细胞(HepG2)和正常的肝细胞(HL-7702)内Cu含量的检测。(2)纳米孔道实验室:一种新方法用于溶酶体内一氧化氮的检测。利用介孔硅的多孔洞结构,本设计中,作者把对一氧化氮特异性响应的有机小分子探针Rhod-NO物理包覆于介孔硅孔道内,并以环糊精作为堵孔工具。一方面,Rhod-NO与介孔硅纳米颗粒结合达到溶酶体靶向效果的同时提高了Rhod-NO的生物相容性,另一方面,环糊精的引入可以有效避免活细胞环境中蛋白等生物大分子进入孔道干扰,而环糊精的内腔直径又足以让一氧化氮通过,因此,此设计就像是专门为一氧化氮打造的微型实验室,只有一氧化氮能够让该体系输出信号,从而实现了HeLa细胞溶酶体内一氧化氮的高灵敏度检测与成像。