癌症是全球第二大死亡原因,一直威胁着人们的身体健康。因此,开发有效的分析方法用于癌症治疗具有非常重要的意义。缺氧是大多数实体瘤的典型特征,在肿瘤的耐药、侵袭和迁移中起着至关重要的作用。此外,在亚细胞水平上研究生物分子的表达水平有助于我们了解疾病的发生机制以及发展过程,进而研究出合适的治疗策略。然而,目前从亚细胞水平上研究缺氧相关病理的工作仍比较少。基于此,本论文构建了缺氧响应的线粒体靶向纳米探针,通过合理地设计应用于线粒体中生物分子的成像以及线粒体特异性靶向的缺氧肿瘤的治疗。具体的研究内容如下:1、设计了一种智能的纳米装置,将光响应的含有靶标适配体的探针（Y-apt）整合到具有缺氧响应性的金属有机框架（MOF）中,用于时空可控地监测线粒体中的生物分子。线粒体中的ATP被选为可控监测的模型。该纳米装置（MOF@Y-apt）可以响应缺氧而分解,从而释放出Y-apt,继而在光照下识别ATP。Y-apt上标记有花菁染料,可引导时空可控的探针在线粒体中积累,进而可在缺氧条件下准确地成像线粒体中的ATP。另外,标记在Y-apt上的Cy5.5的荧光可用作Cy3荧光自校正的内标,能有效地提高成像结果的准确性。更重要的是,与传统的使用紫外光调控光敏连接剂（PC linker）的工作相比,该方案进一步利用了能降低细胞损伤和具有优秀的组织穿透深度的双光子（TP,λ=740 nm）激光作为光源。该纳米装置在体外和小鼠肿瘤组织中都具有优越的检测性能。2、开发了一种缺氧激活和线粒体靶向增强光动力学治疗的DNA纳米火车。该纳米火车由两个发夹单体（H1和H2）和引发探针通过杂交链式反应（HCR）发生自组装而制备。花菁染料（Cy3）和黑洞淬灭剂2（BHQ2）,分别作为线粒体靶向的荧光分子和偶氮还原酶响应元件,共价连接到两个DNA发夹单体上。发夹单体（H2）末端延伸的富含鸟嘌呤（G）的序列作为光敏剂的纳米载体。在DNA发夹单体被引发探针引发后,形成的纳米火车中Cy3的荧光和光敏剂产生的单线态氧（~1O2）将通过荧光共振能量转移（FRET）被BHQ2淬灭。当纳米火车进入癌细胞时,BHQ2中的偶氮键将被缺氧条件下癌细胞中过表达的偶氮还原酶还原,随后Cy3的荧光和~1O2的产生将恢复。此外,在Cy3赋予的线粒体靶向特性下,载有光敏剂的纳米火车将积聚在癌细胞的线粒体中,并在光照下表现出增强的PDT功效。