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培训讲学.docx
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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培训讲学.docx
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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培训讲学
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:
2012.1至2016.8
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。
1.1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。
1.2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,实现对纳米界面上生物分子的结构和功能的调控。
通过利用光、电、磁外场的影响,研究该纳米生物体系中的结构变化、电子电荷输运、光电转换的问题以及相关的运作原理。
通过对生物分子在纳米界面上的固定化(组装)过程、分子识别过程、稳定性和可再生性的系统研究,形成对生物传感界面的完整认识并探索出一套系统、可行的组装方法,并获得纳米界面上的扩散、对流和生物反应的基本图景。
1.3多元、协同纳米界面的构筑
在深入理解界面生物分子作用机制的基础上,通过化学键合或分子自组装技术实现生物识别分子(如抗体、DNA、核酸适配体等)在纳米探针界面上的偶联,以设计具有选择性识别特定分子靶标的能力的纳米生物探针。
通过精确控制多种生物分子在其表面不同区域的组装,设计并构筑一个在局域空间内可协同发挥多功能的多元、协同纳米界面。
在这一界面上,通过亲疏水性和电荷密度的调控防止杂质吸附和背景干扰,以实现靶标分子的高特异性捕获与识别;通过纳米材料的光电效应将生物识别过程有效转换成光或电信号,并纳米结构表面的级联放大实现信号倍增以提高检测灵敏度。
2.基于多元、协同界面的电化学纳米生物传感器研究
设计并制备具有多元、协同传感界面的电化学电极,提高电化学传感器的灵敏度与特异性,发展手持式的便携、灵敏、快速、廉价的电化学纳米生物传感装臵,实现对PSA的快速灵敏检测,用以满足前列腺癌大规模低成本筛查及前列腺癌术后的预后评价与监测的要求。
2.1设计电化学电极的多元协同传感界面,制备PSA抗原响应性电极
利用生物识别原理,综合运用各种技术如自组装、原位沉积、物理插入、化学修饰及电化学处理等传感界面固定化方法,在电极和电极阵列界面上构建纳米结构。
通过,将特异性捕获探针(对PSA特异性识别的抗体或抗体片段)组装在具生物相容性的纳米界面上,制备对PSA抗原有特异性响应的生物敏感膜修饰电极。
研究多元协同纳米界面的设计与优化,通过测定探针分子的负载量、空间取向与识别量的关系等来标定界面特性及修饰效果。
纳米结构有助于使捕获探针保持高效的配体识别性能,并提高其稳定性。
2.2研制基于电化学传感技术的PSA检测平台
利用生物识别原理和光、电、磁等对界面行为的影响,发展基于能量转移的新原理和信号传导与放大的新方法,实现生物识别信号的放大以增加信噪比,提高灵敏度。
采用微电子光刻和化学镀等技术,设计与制备各种类型的阵列式传感基片,并设计相应配套的微流体通道及检测装臵,提供集成式的阵列微流体传感分析系统。
研制能够自动过滤干扰物质的样品检测传感探头与传感器的信号检测与数据分析模块,构建针对PSA标志物的集成化和程序化的微芯片电化学传感检测平台。
2.3电化学纳米生物传感器的综合评价通过调试以及样品测试条件的选择使电化学纳米生物传感器的综合性能指标误差控制在合理范围以内。
将该传感器初步应用于血清及唾液、尿液和前列腺液等其它体液样本中的PSA检测,通过对灵敏度、特异性、准确度、稳定性、相关性等生物检测技术指标的分析,综合评价所构建的多通道便携式电化学生物传感平台在多种复杂生物体系中的功能,验证其在实际生物体系探测中的实用价值。
3.基于多元、协同界面的前列腺癌标志物的纳米生物检测方法研究
建立基于时间分辨荧光和共轭高分子探针的检测系统,发展针对PSA及其它新型蛋白靶标、基因水平的甲基化靶标、microRNA靶标和小分子代谢物靶标等四个水平的多种指标的生物分析方法,为利用多指标联合检测来有效降低PSA筛查中的假阳性率提供技术平台。
3.1建立基于时间分辨荧光检测的蛋白质和小分子检测系统
建立及优化基于时间分辨荧光技术的检测平台。
通过多元协同界面纳米提高抗体探针在界面的识别捕获效率,并利用课题一设计的稀土(Eu)纳米信号探针激发产生高强度的时间分辨荧光,从而显著提高靶标的检测灵敏度。
3.2建立基于核酸扩增和水溶性共轭聚合物信号放大的核酸检测系统
利用水溶性共轭聚合物纳米探针的高效荧光信号放大作用,将核酸扩增、荧光共振能量转移(FRET)相结合,检测前列腺癌相关的DNA甲基化和血清中microRNA靶标含量。
通过对前列腺癌发生及早期发展过程中基因变化分析,研究多个基因与前列腺癌的累积叠加效应,发展具有高特异性、高灵敏度的前列腺癌早期预警技术。
3.3新型前列腺癌纳米检测技术的性能评价对课题中建立的多种前列腺癌检测方法进行性能评估。
主要指标包括:
准确度、精密度、线性范围、最低检测限(分析灵敏度)、特异性、高浓度Hook效应及样本稀释、参考值(范围)确定和试剂稳定性研究等。
4.前列腺癌纳米检测技术在筛查与验证中的应用研究
对于建立的疾病检测方法,必须利用实际样本进行检验后才能判断其临床价值。
拟建立并完善前列腺癌生物样本库与在线数据库,并用于评价本项目建立的PSA电化学传感器在前列腺癌诊断和治疗中的临床价值。
结合本项目发展的基于多元协同界面的多种前列腺癌靶标检测方法,筛选出针对前列腺癌的“最佳肿瘤标志群”,建立多指标联用预测模型并进行评价。
4.1前列腺癌临床病例选择及生物样本库的建立
建立包括前列腺癌组,前列腺癌术后组和前列腺良性疾病组(前列腺增生等)在内的在线数据库,支持远程提取与信息共享。
各组病例要求不小于300例,具备完整临床资料和随访情况。
提取相关人员的外周血样本、前列腺液与前列腺组织,建立相关的生物样本库。
4.2电化学纳米生物传感器的临床前研究
对发展的基于PSA靶标的电化学生物传感器进行临床价值评估,评价其在前列腺癌早期发现和筛查、鉴别诊断与分期、预后判断、疗效监测和复发等应用中的实际价值。
重点评估PSA电化学生物传感器的检测时间、方便程度,并进行经济学评价。
4.3多指标联用预测模型的构建及评估
利用建立的前列腺癌生物样本库,使用基于多元协同界面的纳米生物检测系统对相关靶标分子进行检测。
将得到的大量数据进行建模分析,研究这些不同靶标分子对于判断前列腺癌发生和发展的响应性以及多个靶标分子之间的相互关联情况。
应用粗糙集归类、遗传算法、递归特征消除等算法,选择影响前列腺癌诊断的主要特征。
同时结合支持向量机、随机森林、贝叶斯网络等机器学习算法以及一致性模型思想,建立多指标联用的前列腺癌诊断模型,根据建立的模型对前列腺癌进行诊断以及对可能出现前列腺癌的几率做出评估。
重点考察多指标联用的前列腺癌诊断模型的特异性指标,考察是否有效降低了假阳性。
二、预期目标
总体目标:
基于新兴的纳米技术和生物技术,以前列腺癌为研究对象,发展针对前列腺癌各种靶标的高灵敏生物传感新技术和新方法。
总体而言,本项目拟在深入研究纳米尺度界面上生物分子吸附、组装和折叠的基本物理化学原理的基础上,通过多元、协同纳米界面的设计与构筑提高生物检测方法的抗干扰能力、灵敏度以及特异性,从而大幅度提高我国纳米生物检测技术的创新能力和应用水平。
具体而言,我们期望研制“器件化”的便携、灵敏、快速、廉价的电化学纳米生物传感器件,用以满足前列腺癌大规模低成本筛查及前列腺癌术后的预后评价与监测的要求;发展针
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- 纳米 界面 生物 分子 作用 机制 基础 研究 及其 前列腺癌 早期 检测 中的 应用 培训 讲学