基于纳米技术的肺癌早期检测研究

项目名称： 基于纳米技术肺癌初期检测研究 首席科学家： 赵建龙 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 起止年限： .1至.8 依托部门： 中国科学院 上海市科委 一、关键科学问题及研究内容 1、拟处理关键科学问题 本项目围绕肺癌初期检测重大需求，采用多学科交叉、综合研究措施，重点处理纳米材料定向偶联和有序组装机理、低丰度样品富集及微弱信号检测措施以及肺癌初期预警、筛查和检测新模式等三个方面关键科学问题： （1）纳米材料定向偶联和有序组装机理 为了获得性能良好生物功能化探针，生物分子在微纳米界面上组装后应当保持原有生物活性，具有很好生物相容性，这就需要研究纳米构造与生物分子定向偶联和有序组装机理。定向偶联机理问题：怎样实现生物探针在微纳米界面上定向分布，使生物分子活性部位背对界面，使其与靶分子结合时空间位阻最小。有序组装机理问题：怎样实现生物探针在微纳米界面上均一分布，不重叠，不堆积，展现为功能化生物分子单层，使探针发挥最佳靶分子性能。 （2）低丰度生物样本富集及微弱信号检测措施 初期肺癌病人肿瘤标志物浓度很低，由于检测敏捷度低而出现假阴性。此外，生物标本（如血清等）中具有大量内源性分子和代谢产物，一般这些物质浓度远高于肿瘤标志物浓度，是重要干扰原因，由于标本成分复杂产生干扰而出现假阳性。本项目将研究肺癌标志物与纳米材料互相作用机理以及在微流控芯片中运动特性，设计对应功能纳米器件，分离标本中干扰组份，保留待测分子及其活性，建立微量肿瘤标志物高效分离提取富集措施和体系，以到达肿瘤标志物高敏捷度检测。 （3）肺癌初期预警、筛查和检测新模式 针对没有适合中国人群肺癌初期检测敏感性和特异性问题，联合检测多种肺癌标志物，运用高敏捷、高通量纳米检测技术和生物信息学分析措施，建立肺癌初期检测鉴别模型，同步提高检测敏感度和特异性，建立与初期肺癌明显有关血清蛋白和核酸标志物谱，并在高危人群中进行验证，建立适合我国肺癌高危人群患者肺癌预警、筛查和检测新模式。 2、重要研究内容 围绕肺癌初期检测重大需求，针对有关三个关键科学问题展开研究，然后运用临床标本对基于纳米技术肺癌初期检测新措施进行医学验证，与影像学、痰细胞学措施进行对照研究。本项目重要开展如下四个方面研究：功能纳米材料制备和表面修饰、纳米探针设计和构筑、纳米生物器件研制以及临床验证等研究。 1.1 功能纳米材料制备和表面修饰 功能纳米材料制备重要包括制备荧光量子点材料，用于构建多种肺癌标志物同步检测纳米器件；包括制备表面等离子体共振金纳米构造和硅纳米线材料，分别用于构建表面等离子体共振传感器和硅纳米线传感器，用于肺癌标志物超高敏捷检测。 （1）荧光量子点制备和表面修饰 运用微波辅助水相量子点制备技术，合成出荧光产率高、光稳定性强、粒径分布窄多种构造II-VI族量子点。选用合适化学或生物材料修饰量子点，使修饰后量子点既保持原有光学特性又具有良好生物相容性。研究量子点尺寸及表面构成对其物理化学性质尤其是光学性质影响。 （2）表面等离子体共振金纳米构造制备和表面修饰 研究不一样表面等离子体共振金纳米构造如金纳米壳、金纳米星等制备措施。研究在SiO2胶体晶膜微球表面金沉积机理以及金纳米壳层复合构造制备措施。研究金纳米壳层构造厚度和表面裂纹以及金纳米星枝角等控制措施，及其对局域表面等离子体共振光谱（LSPR）及表面增强拉曼光谱(SERS)信号影响。 （3）硅纳米线制备和表面修饰 研究光、电、温等影响原因对纳米硅材料腐蚀作用机理，提高纳米硅材料自停止腐蚀精度，发展硅纳米线阵列制造新机理和新措施；研究掩模、腐蚀、保护等关键工艺互相制约关系，提高硅纳米线尺寸和表面粗糙度控制精度，研究不一样基团在硅纳米线表面硅烷化修饰技术。 1.2 用于肺癌初期检测纳米探针设计和构筑 纳米探针设计和构筑重要是为了获得有良好生物活性和生物相容性生物功能化探针，重要包括生物分子在荧光量子点、表面等离子体共振金纳米构造以及硅纳米线表面定向偶联和有序组装。 （1）量子点与生物分子偶联和有序组装 研究量子点与具有特异选择或识别功能生物分子定向偶联和有序组装；重点发展针对肿瘤初期检测具有超敏捷度和特异识别能力“纳米材料-生物分子”纳米生物复合探针；研究这些纳米生物探针同待测分子之间互相作用及其识别能力。 研究量子点与待检测标志物有特异识别酶、抗体、基因等生物分子有序自组装（非简朴物理吸附和无序偶联），除运用分子间作用力、静电作用实现量子点与生物分子自组装外，重点发展基于特定生物分子介导生物分子有序组装措施，即通过表面功能基团或特定生物分子介导，实现生物分子在量子点表面定向偶联或有序组装。研究有效控制量子点标识数量和标识位置措施，获得既具有高标识效率又保持高活性“纳米材料－生物分子”生物复合探针。 研究量子点与不一样生物分子偶联方式，建立一套温和、有效生物标识措施，在此基础上建立不一样功能团量子点与抗体、酶和DNA等多种生物分子偶联措施及其纯化措施，并建立对应规范操作指南。 （2）生物分子在表面等离子体共振金纳米构造上可控组装 制备满足生物传感需要高质量聚苯乙烯有序多孔金纳米构造基底，研究试验条件对其LSPR和SERS性质影响；研究在金纳米构造基底多孔层表面均匀、高效地固定抗体及配基分子措施，以提高固定效率和固定化抗体及配基分子稳定性；运用LSPR位移检测抗原-抗体、配基-生物大分子等结合过程及结合容量等，得到生物分子互相作用原则曲线、结合常数及检测敏捷度等，研究非特异性吸附对分析影响；运用基于SERS分子独特振动能级和对应拉曼指纹图谱检测分子信息，并比较两种检测措施成果。 （3）生物分子在硅基纳米界面上可控组装 选择生物识别探针分子（抗体、核酸等），研究其通过不一样自身携带基团或衍生基团在硅基纳米界面上定位组装条件；研究其在界面上有序性、方向性和三维形态，探索多种不一样性质生物探针在特定环境中识别行为和捕捉行为；研究通过共组装技术和界面封闭技术减少探针分子与硅基纳米界面之间非特异性结合，优化硅基纳米生物界面后处理条件，提高其稳定性和耐受性；最终获取生物识别探针在一维纳米材料界面上实现可控组装若干共性条件。 1.3纳米生物器件研制 首先针对肺癌初期检测，选择合适联合检测肺癌标志物；然后构建微流控芯片用于样品中肿瘤标志物富集，同步消除基质效应；最终出检测敏捷度高、信噪比、反复性、稳定性和信号均一性等性能良好纳米生物器件，重要包括基于量子点纳米生物器件、表面等离子体共振传感器和硅纳米线传感器。 （1） 肺癌标志物选择 根据前期研究成果，综合文献报道，针对肺癌选择癌胚抗原(CEA)、细胞角蛋白21-1片段(CYFRA 21-1)、鳞状上皮细胞癌抗原（SCC）、神经元特异性烯醇化酶(NSE)、组织多肽抗原(TPA)、细胞维生素A结合蛋白(RBP)，α1-抗胰蛋白酶(α1-AT)、血清铁蛋白（FERRI）以及核酸标志物miRNA（目前已在肺癌患者中检测到）: let- 7、miR-29、miR-205 , miR-99 b、miR-203、miR-202、miR-10