伴随着生命科学和医学技术的发展,人类对生活品质的要求越来越高,高效获取生物信息以探索各类生命现象本质和实现疾病早期诊疗已经成为当前生物医学和生命科学的重要发展方向。因此,快速、灵敏地检测与生命活动相关的生物分子以及构建新的疾病诊疗体系是现代生化分析的重要研究课题。其中,基于功能核酸和纳米材料的新型多功能纳米诊疗体系在该领域倍受关注。功能核酸不但具有遗传信息储存功能,还具有其他特殊功能。根据功能不同主要分为两大类:一类是具有类似于蛋白酶的催化活性、依赖辅助因子而发挥催化作用的核酸分子,称为脱氧核酶(DNAzymes);另一类是能够像抗体一样特异性识别金属离子、小分子、药物、蛋白甚至细胞等目标物的核酸分子,称为核酸适配体(Aptamers)。此外,将二者结合起来还可以得到适体酶(Aptazymes)。目前,功能核酸是通过人工合成得到的:脱氧核酶主要是通过一种被称为“体外筛选(in vitro selection)”的组合生物学技术获得的;核酸适配体是利用指数富集配体系统进化、法(systematic evolution of ligands by exponential enrichment,SELEX)从随机单链寡聚核苷酸文库中筛选出来的,可以是RNA也可以是DNA。适体酶则是将核酸适配体和脱氧核酶的功能区域结合起来,同时具有一个靶向识别区域和一个催化区域。理论上,功能核酸可以识别各种特定的目标物,甚至包括由于免疫性差不能产生抗体的分子或者具有高毒性的目标分子。功能核酸与目标物的结合能力可以通过不同的筛选条件进行调整,且它们对目标物的识别能力和结合能力都很强,几乎可以与蛋白抗体相媲美。功能核酸本身有较好的水溶性和生物相容性,且设计简单、易合成、易修饰、易保存。这些独特的优势使得功能核酸成为一种引人注目的分子识别工具用于细胞内生物分子的检测和生物医学诊疗。纳米材料是指在1～00nm之内的超微粒子,相比较于其他的常规材料,纳米材料具有许多独特的性质,包括量子尺寸效应、表面等离子共振效应、量子隧道效应、电效应以及磁效应等。目前,纳米材料,比如金纳米颗粒、量子点、上转换纳米颗粒、石墨烯、聚合物纳米颗粒、DNA纳米组装材料、二氧化锰纳米材料以及介孔二氧化硅纳米材料在合成和表征方面都得到了很大的发展。这些纳米材料通常具有比较大的比表面积、较强的负载能力和独特的形状,而且材料本身根据其特殊的化学组成成分也会表现出一些特有的性质。例如,有些纳米材料具有荧光或者磁效应,可用于荧光成像和核磁共振成像等生物成像研究;有些纳米材料可产生光热效应或者与生物体内的生物分子发生反应,可用于光热治疗等生物治疗研究。另外,纳米材料之间相互结合或者与其他小分子、核酸分子、蛋白分子等生物材料相结合,利用各自的优势在生物成像或生物治疗领域发挥作用。本论文的研究内容是基于功能核酸和纳米材料的优势,开发了一系列新型多功能纳米诊疗体系并用于生物成像和治疗研究。具体内容如下:(1)锰是正常机体必需的微量元素之一,它参与构成体内若干种有重要生理作用的酶。锰缺乏或者锰中毒会对人体的神经系统和分泌系统造成伤害,所以监测机体内的锰含量对于人体健康有很重要的生物医学意义。而在金属离子的检测方法中,脱氧核酶以其快速、灵敏、高效的优势倍受关注,是当前金属离子研究的重要手段。在第二章中,我们利用体外筛选技术筛取了对二价锰离子特异性识别的脱氧核酶序列,并考察了该序列的活性和对二价锰离子的选择性,证明了该序列可以作为二价锰离子特异性响应的脱氧核酶。(2)基于脱氧核酶对底物链的高效催化切割特性,其在基因沉默方面具有很好的发展前景。但是其较差的生物相容性、生物稳定性以及细胞穿透性限制了其在该领域的发展,尤其是细胞内缺乏足够的辅助因子来激活脱氧核酶的切割功能,大大降低了其基因沉默效率。为了解决这一难题,在第三章中,我们构建了脱氧核酶-二氧化锰纳米诊疗探针。二氧化锰纳米片可以吸附脱氧核酶,防止其被酶降解,又可以通过细胞内吞作用高效地将其运输到细胞内。进入细胞后,二氧化锰纳米片可以被谷胱甘肽还原为Mn2+,而Mn2+可以作为脱氧核酶10-23 DNAzyme的辅助因子对目标mRNA进行催化切割,提高基因沉默的效率。另外,我们利用光敏剂Ce6标记DNAzyme,利用光动力治疗协同基因沉默治疗。同时,Mn2+可以作为造影剂用于核磁共振成像,Ce6可以作为荧光染料用于荧光成像。(3)分子影像是肿瘤早期检测的一项重要手段。然而,单一模式的分子影像仍然具有一定的局限性。发展高灵敏分子影像技术的经典思路是结合不同成像模式的优点,发展多模式成像策略。在第四章中,我们将标记有荧光染料的核酸适配体组装于二氧化锰纳米片表面,构建核酸适配体-二氧化锰纳米探针,用于肿瘤细胞双激活的荧光/核磁共振双模成像。在该纳米体系中,二氧化锰纳米片具有多重作用,既可以作为核酸适配体的载体,又可以作为荧光猝灭剂和谷胱甘肽激活的核磁共振造影剂。在没有靶细胞存在的情况下,荧光信号和核磁共振信号都很弱,而在靶细胞存在的情况下,核酸适配体与靶细胞相结合,削弱了其与二氧化锰纳米片的吸附作用,导致一部分荧光恢复,使细胞膜表面荧光增强。同时,核酸适配体与靶细胞的结合也促进了该纳米探针进入细胞。随着二氧化锰纳米片被细胞内的谷胱甘肽还原,又有一部分荧光恢复,且产生的大量Mn2+可以作为核磁共振造影剂进行核磁共振成像。因此,该工作提供了一种双激活的荧光/核磁共振双模成像平台。(4)光动力治疗目前已被广泛应用于癌症治疗,其主要原理是利用组织内的氧和光敏剂在光辐射的条件下产生单线态氧来达到杀死癌细胞的目的。但是癌细胞内高含量的谷胱甘肽可以与单线态氧发生氧化还原反应而消耗大量的单线态氧,从而降低光动力治疗的效果。为了解决这一难题,在第五章中,我们报导了一种光敏剂-二氧化锰纳米诊疗体系用于高效的光动力治疗。在该体系中,二氧化锰纳米片可以作为载体吸附光敏剂Ce6,增强其进入细胞的效率,并且可以猝灭Ce6荧光,在细胞外降低其产生单线态氧的能力,从而降低毒副作用。一旦该纳米体系进入癌细胞,二氧化锰纳米片可以与细胞内的谷胱甘肽发生氧化还原反应,消耗谷胱甘肽,且产生大量的Mn2+。该反应既可以降低谷胱甘肽在细胞内的水平,从而降低其对单线态氧的消耗,又可以完全释放光敏剂Ce6,在产生单线态氧方面有turn-on的效果,大大增强光动力治疗的效果。另外,谷胱甘肽激活的荧光/核磁共振双模成像可以监测该纳米体系在细胞内的运输过程。(5)光动力治疗主要是利用组织内的氧和光敏剂在光辐射的条件下产生单线态氧来杀死癌细胞,但是其治疗效果往往因癌细胞的缺氧环境和强大的防御系统而大大降低。在过去的几年里,克服缺氧环境的方法被屡屡报道,比如开发新的光敏剂、利用双氧水产生氧来增加氧含量、设计双光子光动力治疗的方法等,但是通过直接破坏癌细胞的防御体系来增强治疗效果的方法却很少被报道。在第六章中,我们介绍了一种通过破坏癌细胞防御体系来增强光动力治疗的方法。利用介孔二氧化硅纳米颗粒作为载体负载光敏剂Ce6和靶向沉默MTH1蛋白的siRNA,构建Ce6@MSN@MTHl siRNA纳米诊疗体系。MTH1蛋白可以水解细胞内被活性氧氧化的核酸碱基,保护细胞不被活性氧损害,而一旦该蛋白被沉默,癌细胞对单线态氧的敏感性就会增强,更容易被单线态氧杀死。于是我们通过沉默MTH1蛋白来提高癌细胞对单线态氧的敏感性,从而实现高效光动力治疗。该工作提供了一种新型的通过破坏癌细胞防御体系来提高光动力治疗的方法。