纳米界面生物分子作用机制的基础研究及其在前列腺癌早....doc

项目名称:
纳米界面生物分子作用机制的基础研究及其在前列腺癌早期检测中的应用
首席科学家:
樊春海中国科学院上海应用物理研究所
起止年限:

依托部门:
上海市科委中国科学院
一、关键科学问题及研究内容
本项目拟解决的关键科学问题如下:
(1)如何设计生物传感界面并揭示纳米界面上生物分子作用机制
生物检测的关键步骤之一是在界面上通过抗体、DNA等识别分子实现对靶标分子的捕获。这一过程中涉及多种分子在纳米界面上的协同作用,在这个界面生物分子识别的效率是实现高灵敏生物检测的基础。一方面,生物分子在常规界面上容易产生非特异性吸附,这往往是影响生物传感器性能的重要因素和假阳性的重要来源,因此,如何通过合理设计纳米结构来构筑高特异性和高效生物反应的界面并实现生物识别分子的精确组装是本项目成功的关键。另一方面,组装在纳米材料界面上的生物分子需要保持其生理活性以充分发挥其功能(如特异性高效识别),因此生物分子在纳米界面的可控高效率偶联也是纳米生物检测技术中的一个关键问题。我们将研究生物传感过程中的电荷转移、能量转移以及电子耦合机制,通过自组装参数的改变,揭示界面生物分子组装的机理及生物传感检测性能之间的关系并在此基础上实现优化。而通过界面亲疏水性和电荷密度及其分布的调控以及导入外力场的作用将有可能实现防止蛋白质非特异性吸附,可以在不同体液介质中通用的纳米界面。
(2)如何实现生物检测中的有效信号转换及放大过程的光、电调控生物检测的基本原理是将分子识别的行为(如抗体-抗原的结合)转化为各种物理或化学信号,该信号可以被传送到某一检测技术的信号收集平台,并通过各种相应的物理化学过程将信号进一步放大以提高检测灵敏度。由于生物分子对环境因子非常敏感,不同分子发挥其最佳功能所需要的环境条件是不一样的,而在信号级联放大过程中又需要将若干分子集成在一起,且在相同环境条件下发挥作用。因此,如何有效实现纳米生物检测中信号的高效、可靠、可重复的转换,并将信号有效地放大是提高生物传感器的检测可靠性、准确性与灵敏度的关键。针对这一问题,我们将设计与合成生物分子相容性好的纳米材料,并通过系统研究多种纳米材料和纳米结构的制备与修饰方法,实现纳米材料的生长尺寸和粒径分布的精确控制,并通过化学和物理方法对其进行剪裁、修饰、分散以及表
面改性。通过考虑热力学和动力学因素,在实验中选择合适的生物分子组合,实现纳米材料与生物分子耦合,形成稳定、均一和高效的纳米生物探针用于生物检测信号的放大。同时通过调节环境因子(如pH,离子强度等)使得不同生物分子发挥最佳的协同作用。
(3)如何通过肿瘤标志物联合检测来提高前列腺癌检测的特异性临床医学研究表明,由于癌症成因和发生、发展的复杂性,通过单一靶标分子的检测来实现癌症的确诊几乎是不可能的;同时,各个已被发现的肿瘤分子标志物与肿瘤发生之间的关联性各有不同,目前也缺乏统一的标准和定论。因此,如何充分发掘已经发现的肿瘤相关的靶标分子的潜力,通过多个分子水平的多指标联合检测,将得到的大量数据建模分析,有望能对各个肿瘤标志物与特定癌症发生发展过程之间的响应性和相关性进行研究评价,并在此基础上通过多指标联合检测将提升早期检测的准确度,有效降低现有单一检测中假阳性与假阴性率过高的问题。对于前列腺癌,我们将以成熟的PSA检测为基础,通过跨越蛋白质、DNA、RNA和小分子代谢物等四个分子水平的多环节、多指标联合检测来判断这些标志物对于判断前列腺癌发生和发展的响应性以及多个标志物之间的相互关联情况。同时,我们将通过多指标的数据分析建立一套前列腺癌早期检测的新方法,提高基于PSA筛查的前列腺癌诊断准确性,降低假阳性与假阴性概率,既不漏查假阴性病人,也可最大限度地使假阳性患者避免穿刺活检的痛苦。
围绕以上关键科学问题本项目将进行以下研究:
1. 界面纳米结构的构筑与生物分子作用机制的基础研究
系统研究蛋白质、核酸等生物大分子在纳米粒子界面上(纳米探针界面)和界面纳米结构上(传感界面)进行组装的过程中的物理化学特性,深入了解生物分子界面组装和识别过程及其机制,从而为提高生物检测的灵敏度、选择性、稳定性和响应速度等主要性能指标提供指导。
纳米探针界面与传感界面纳米结构的设计与合成
合成一系列高质量的功能纳米材料,并实现其可控生长和粒径可调;在金、碳或硅基底表面构筑精细纳米结构,并建立一套简便、重复性好的界面纳米结构构筑的工艺流程。通过表面修饰与改性,赋予这些纳米界面良好的水溶性、化学稳定性与生物相容性。
纳米界面上生物分子的理化机制研究
从空间、能量、时间三个方面来对生物分子在纳米界面上的时空行为和动态结构进行高分辨、高灵敏表征,并进一步通过对特定分子功能团进行选择性剪裁和修饰,