功能化金纳米粒子在生物医药方面的应用

作     者：李镇华 

作者单位：苏州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：袁琳;王宏炜;陈红

授予年度：2018年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0703[理学-化学] 070301[理学-无机化学] 

主      题：功能化金纳米粒子 蛋白质活性 靶向基因转染 表面拉曼增强散射 

摘      要：金纳米粒子(AuNP)由于其独特的氧化还原性能、表面等离子体性能以及表面拉曼增强性能等被广泛应用于疾病监测、疾病治疗、生物成像以及生物传感等领域。而这些功能的发挥需要将AuNP与不同生物分子相结合,从而实现不同的生物学功能。本论文的主要工作是构建功能性的AuNP复合物,实现其在生物医学领域不同的功能,包括:调控蛋白质活性,表面拉曼增强散射实现疾病早期检测,以及靶向基因转染实现疾病治疗。具体研究内容如下:1.利用可逆加成-断裂链转移聚合(RAFT)合成 pH 响应性聚合物聚甲基丙烯酸N,N-二甲氨基乙酯(PDMAEMA)以及聚甲基丙烯酸(PMAA),乙醇胺还原端基形成一端为巯基的聚合物,随后利用Au-S键自组装,将PDMAEMA接枝到金纳米沉积膜表面,然后将半胱氨酸突变的无机焦磷酸酶(Escherichia coli inorganic pyrophosphatase,PPase)与PMAA按一定比例共接枝到AuNP表面,形成三元复合物。研究不同 pH 条件下金纳米沉积膜表面对功能化金纳米粒子的吸附作用,发现其吸附的最适 pH 在7.0,而释放的最适 pH 在10.0。同时,探究了金纳米沉积膜粗糙度对其吸附活性的影响。由于 pH 响应性聚合物自身的性质会随着外界 pH 的变化而发生可逆变化,利用这种可逆变化,能够在 pH 循环条件下控制纳米粒子复合物在材料表面的吸附与释放,实现表面活性的可控,以及材料的循环利用。最后,通过物理吸附的方式在AuNP表面共接枝辣根过氧化物酶(HRP)以及PMAA,将两种粒子依次吸附与共吸附结果表明,两种纳米粒子复合物既能够依次发挥作用,也可以共同吸附发挥作用并完成释放。这种利用聚合物与聚合物之间的静电相互作用实现表面蛋白质吸附释放的功能表面,打破了利用蛋白质与聚合物之间相互作用时,依赖蛋白质等电点的限制,拓宽了其应用范围。该可循环使用的多功能生物活性表面在生物载药、生物检测、分子固定等领域具有显著的潜在应用价值。2.功能化的AuNP在疾病检测方面具有诸多应用,其中,表面拉曼增强散射基于窄的谱带宽度,不受水的影响,不易发生光漂白等优势,发展了SERS标记免疫技术。目前,在这方面的研究重点主要集中在固相基底的制备以及阻止固相基底非特异性吸附两方面。在我们的工作中,利用修饰在GNPL上的抗体与修饰在AuNP上的抗体通过抗原结合形成“固相抗体-待测抗原-标记抗体夹心复合物。利用这种“三明治模型进行前列腺抗原的检测,以实现前列腺癌症的早期治疗。实验结果表明,表面修饰后GNPL具有超亲水性能,能够有效阻止非特异性吸附。并且,系统研究了不同的粗糙度对于SERS信号增强的影响,同时,在不同抗原浓度下,检测信号强度,找到抗原与信号强度的对应关系。结果表明,这种以金膜为固相基底的SERS标记免疫检测手段,能够实现对前列腺特异性抗原(PSA)特异性抗原的检测,由于其制备简单、抗非特异性吸附等优势,在SERS标记免疫检测方面具有巨大的应用潜力。3.通过在聚乙烯亚胺(PEI)骨架上修饰癌细胞靶向分子叶酸(folate,FA),合成了两种聚合物包裹的AuNP。分别以PEI与PEI-FA为还原剂与稳定剂,合成PEI包裹的金纳米粒子(PEI-AuNP)以及PEI-FA包裹的金纳米粒子(PEI-FA-AuNP)。详细研究了两种AuNP对于DNA的包裹能力以及在不同N/P下的转染效率与转染细胞毒性。结果表明,由于叶酸中游离的羧基,使得PEI-FA-AuNP的转染能力下降,因此,通过将两种纳米粒子混合,利用PEI-AuNP对DNA的包裹能力的同时,发挥PEI-FA-AuNP的靶向转染能力。实验证明,两种纳米粒子在5/5比例下时,具有最高的转染效率,同时,显示出很好的靶向转染能力。并且,利用DNA染色技术,证明这种转染体系能够很好进行细胞核转染,这种高效低毒性的转染体系有望在癌症治疗方面有重大应用。综上所述,通过将金纳米粒与不同的生物分子相结合,制备功能化的AuNP,能够实现多种生物学功能。AuNP作为良好的生物分子载体,能够负载蛋白质,实现蛋白质活性的调节;通过与标记分子有效结合,实现SERS标记免疫检测;以及与DNA复合,负载其进入细胞,实现靶向基因转染,达到癌症治疗的目的。随着纳米技术的发展,AuNP的研究不断深入,其未来在生物医学领域必将扮演更加重要的角色,在疾病诊断治疗、生物传感等多个领域去的更多进展。