糖基金纳米簇的制备及其在生物医学领域中的应用

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糖类物质与糖结合蛋白之间的相互作用,参与并介导了生物体内许多重要的生理与病理过程。研究并利用糖类物质的生物学功能,对于疾病诊断与治疗新方法的开发具有重要意义。然而,单个糖分子与受体之间的相互作用力非常弱,给糖类物质生物学功能的研究及应用带来了巨大的挑战。随着纳米技术的迅猛发展,其在生物医学领域中的应用日趋深入,糖基纳米材料(Glyconanoparticles,G-NPs)也应运而生。G-NPs可以充分利用糖类物质的多价效应,增强糖类物质对受体的结合力,目前已成为糖类物质功能研究与应用的强有力工具。其中,作为一类新兴的金纳米材料,荧光金纳米簇(Gold nanoclusters,Au NCs)具有良好的荧光性质和较低的生物毒性,同时其制备简单、易于功能化,是构建荧光G-NPs的良好载体。本研究致力于以Au NCs为载体,利用不同的糖链-纳米材料偶联方式,构建出多种糖基Au NCs体系,并利用糖类物质的识别功能,实现其在生物医学领域中的应用,主要研究内容如下:(1)以富含半胱氨酸与酪氨酸的天然唾液酸化糖蛋白(转铁蛋白)为模板,通过引入微波辅助,在5分钟内快速制备出具有较强近红外荧光发射的唾液酸功能化Au NCs。由于唾液酸对精神类疾病相关神经递质五羟色胺具有特异性识别作用,五羟色胺引发Au NCs产生聚集诱导荧光增强现象,且荧光增强的程度与五羟色胺的浓度呈现出良好的线性关系。基于此原理,利用唾液酸功能化Au NCs实现了五羟色胺的荧光检测,且该检测方法具有良好的选择性与较高的灵敏度。(2)天然糖蛋白成本较高、种类有限,同时单个蛋白上糖链的数量有限。为了降低糖基Au NCs的制备成本,同时提高Au NCs表面糖分子的负载量,以增强其对受体的识别能力,首次以甘露糖修饰的蛋白为模板,制备出具有高甘露糖负载量的荧光Au NCs。基于甘露糖对凝集素伴刀豆球蛋白A的特异性识别作用,该体系可实现伴刀豆球蛋白A的高灵敏度荧光检测;同时,乳腺癌细胞表面高表达甘露糖受体,该体系在短时间内即可实现乳腺癌细胞的靶向荧光成像。这种以甘露糖修饰的蛋白为模板制备糖基Au NCs的方法显著降低了成本,提高了糖分子的负载量,并易于拓展至其他含活性基团的糖分子。(3)基于甘露糖功能化Au NCs对乳腺癌细胞良好的靶向成像效果,进一步设计并制备了甘露糖功能化纳米诊疗体系,用于乳腺癌的靶向治疗。通过简单、高效的生物矿化法,以甘露糖修饰的牛血清白蛋白为模板,制备出甘露糖功能化Au NCs-Mn O2复合探针。该复合探针可以有效地分解过氧化氢产生氧气,同时消耗还原性谷胱甘肽。作为纳米药物载体,该复合探针对光敏剂吲哚菁绿具有较强的负载能力和较高的负载效率,同时可以显著增强吲哚菁绿的稳定性。在近红外光(808 nm)的激发下,该复合探针具有良好的光热与光动力效果,借助甘露糖的靶向作用,可以实现对乳腺癌细胞的有效杀伤。该体系为基于Au NCs与糖基识别的多功能纳米诊疗体系的构建提供了重要参考。(4)为了进一步探究普适性更强的还原糖-Au NCs制备方法,设计并合成了双功能化合物S-(3-(甲氧基氨基)丙基)硫代乙酸酯(S-(3-(methoxyamino)propyl)thioacetate,MPTA)。以MPTA为连接链,简单、高效地将多种具有还原端的单糖、二糖和寡聚糖修饰在Au NCs表面,从而构建出不同的糖基Au NCs体系。该制备方法不会破坏糖类物质还原端的结构,最大程度地保持了其完整的生物学功能。初步结果表明,与游离糖相比(以甘露糖为例),糖基Au NCs对受体蛋白的结合强度提高了1300倍。此外,基于甘露糖识别的凝集素检测与乳腺癌细胞靶向成像的实现进一步证实了该体系对糖类物质受体的识别能力。该还原糖-Au NCs制备方法通用性较强,为多种糖基纳米平台的构建提供了一种新型且高效的方式。综上所述,本研究以荧光Au NCs为载体,通过不同的偶联方式,构建出多种糖基Au NCs体系;基于糖类的生物识别功能,将糖基Au NCs应用于多种生物医学领域。本研究为糖基纳米平台的构建及其在生物医学领域中的应用提供了有效参考。
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