基于ICT的含腈萘杂环有机—无机复合荧光纳米探针的合成及生化分析与生物成像
作者单位:河南师范大学
学位级别:硕士
导师姓名:仉华
授予年度:2020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] 09[农学] 070302[理学-分析化学] 071007[理学-遗传学] 0901[农学-作物学] 0703[理学-化学] 090102[农学-作物遗传育种]
主 题:二腈衍生物 荧光纳米探针 ICT 生化分析与生物成像
摘 要:荧光纳米探针因其具有高灵敏性、高选择性以及可以忽略不计的生物毒性等优点,其常被作为生化分析与生物成像研究中的一种新型检测方法并被广泛用于生物体内各个生命活动中相关信息的检测。近年来,国内外学者已报道开发了大量的荧光纳米探针并将其用于生物体内生化信息的检测分析。其中,部分探针展现了优良特性,他们在实现生物体内相关生化信息检测分析的同时,也能够在体内实现生物成像,这对于生物学、医学乃至病理学等相关的领域的研究和发展均具有非常重要的推动意义。然而遗憾的是,目前为止,对生物体内生化信息进行生化分析与生物成像的同时,能够实现对相关疾病诊疗的荧光纳米探针却少之又少。因此,如何开发兼具生化分析与生物成像以及疾病诊疗的荧光纳米探针成为相关领域研究的热点与难点,特别是对于兼具癌症诊断与治疗的相关荧光纳米探针的研究与开发。鉴于以上研究现状,在本工作中,针对癌症的诊断与治疗特点,基于超氧阴离子(O)与mt DNA在癌症发生与发展过程中的作用,设计合成了两例基于ICT的含腈类萘杂环有机-无机复合荧光纳米探针,研究考察了纳米探针在生物体内对超氧阴离子与mt DNA进行分析成像的能力,以及其在癌症诊疗过程中的作用。超氧阴离子(O)是生物体内新陈代谢过程中的一种重要氧化小分子,也是维持生物体内某些环境平衡的关键性活性氧之一。因此,当生物体内超氧阴离子异常表达时,即会引起生物系统的稳态失衡,甚至是引发某些疾病。此外,超氧阴离子(O)作为最主要和最有毒的活性氧(ROS)之一,由于其较强的氧化性可以氧化关键的生物大分子,从而可以导致靶细胞的死亡,因此其已被确定为相关疾病治疗(如:癌症)的主要氧化剂和协同化学疗法的辅助剂。基于上述的研究,在本章工作中开发了一例用于超氧阴离子检测的荧光纳米探针(Ti O-AD)。首先合成了用于超氧阴离子检测的ICT型含腈类荧光探针(AD),在检测的基础之上,我们使用钛酸四乙酯为二氧化钛源,采用沉淀法合成了掺杂该荧光探针的有机-无机复合荧光纳米探针(Ti O-AD)。光谱实验表明:在超氧阴离子的存在下,该探针AD的荧光强度可发生急剧的变化;同时该探针还表现出良好的水溶性、光稳定性以及可忽略的生物毒性。因此探针AD也可用于生物体内超氧阴离子的生化分析与生物成像。然而,令人遗憾的是,由于其合成过程中采用的二氧化钛源与合成方法上存在固有问题(如:易水解吸潮),导致该纳米探针只能实现体外超氧阴离子的生化分析而无法实现细胞内的生化分析和生物成像。基于此,在接下来的工作中,以肿瘤发生过程中的重要物质(mt DNA)为目标对象,设计合成兼具诊疗双重功能的相关纳米探针,并研究其在癌症的诊断与治疗过程中所发挥的作用。mtDNA作为线粒体独有的遗传物质,当其发生损伤时,其可能对生物体产生正面或负面的影响。但是,合理地使用mt DNA损伤可以有效抑制癌细胞的分裂和扩散。研究表明:当线粒体中出现Ca浓度超载时,可以使mt DNA发生不可逆的损伤,而当mt DNA损伤程度过高时便会导致细胞的凋亡甚至是死亡。因此,在本工作中,针对生物体内mt DNA,我们着手开发能激发其积极作用并消除对活生物体负面影响的功能化纳米颗粒。本工作采用温和的水-醇溶剂沉淀法设计合成了一种基于ICT型触发性的自毁羟基磷灰石超薄纳米片(HAP-PDCns)—一种高Ca仿生材料。HAP-PDCns可以特异性的在癌细胞的线粒体中发生触发式自毁。这种自毁现象促进瞬间形成钙超载现象的产生,从而引起mt DNA破坏,最终抑制了肿瘤生长。同时,通过量子理论计算表明:由于自毁过程中HOMO-LUMO能隙的变化,改变了分子从S1到S0的辐射跃迁,实现了识别信号由绿-红-绿的荧光变化。生物实验进一步表明:HAP-PDCns充分激活了mt DNA损伤对活生物体的积极影响,即导致癌细胞凋亡和死亡,同时监测了mt DNA损伤的程度。即,HAP-PDCns的设计是可行的,其兼具癌症诊疗双重功效,在癌症的临床诊断治疗应用方面具有很好的潜力。