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肿瘤干细胞(Cancer stem cells,CSCs)是肿瘤发生、发展、复发及放化疗耐药的根源。肿瘤微环境中的细胞外基质(Extracellular matrix,ECM)是维持CSCs存活、触发和调控癌细胞行为的重要化学和物理线索,对癌细胞的生长行为和药物敏感性具有显著影响。CSCs的检测与成像和癌细胞的定向调控,对癌症诊断与治疗、肿瘤发生发展研究具有重要意义,是癌症研究领域的重大科学问题。本研究构建一种基于亲和多肽的新型纳米传感器用于快速灵敏检测和成像CSCs标志物CD133,并利用废弃鱼鳞作为各向异性基底模拟ECM用于癌细胞定向调控和药物敏感性评估。主要研究结果如下:(1)构建基于氧化石墨烯(Graphene oxide,GO)-多肽的荧光传感系统用于检测和成像CSCs标志物CD133与分子逻辑计算。合成具有高CD133结合亲和力(K_d=12.0?1.2 nM)的荧光标记CD133结合多肽(FLS7,FITC-LQNAPRS)。荧光光谱、原子力显微镜和紫外-可见光吸收光谱显示,0.05 mg/mL的GO对FLS7的荧光猝灭率为96%,两者发生静态猝灭;GO-FLS7复合物厚度明显大于GO,并且该复合物的吸收峰从493 nm蓝移至491 nm。GO-FLS7复合物的荧光随CD133浓度增加而选择性恢复,线性范围从0到630 nM,检出限为7.91 n M。原子力显微镜和Zeta电位证实荧光恢复是FLS7被CD133竞争结合而脱离GO引起的。细胞检测表明,与对照组相比,GO-FLS7复合物对CT26 CSCs的荧光恢复最显著,并且两者呈正比,线性范围为1.8×10~4～1.2×10~5细胞/mL,检出限为1.1×10~3细胞/mL。免疫荧光显示,GO-FLS7与CD133抗体在CT26 CSCs膜上共定位。小动物成像显示,尾静脉注入GO-FLS7后,与解剖获得器官相比,肿瘤组织荧光随时间逐渐增强。以上结果表明GO-FLS7荧光纳米传感系统可用于CSCs标志物CD133的快速(30 min)、灵敏检测以及细胞和肿瘤组织水平成像,有助于CSCs检测与成像。此外,对上述传感系统中的物质(分子事件)、能量(荧光)和信息变化进行综合分析,可构建AND、OR、N-IMPLY分子逻辑门和多输入-多输出复合逻辑环路用于执行分子逻辑计算,为逻辑传感检测奠定基础。(2)废弃鱼鳞作为各向异性基底模拟ECM用于癌细胞的定向调控与药物敏感性评估。借助光学显微镜、扫描电镜、热重-差热分析、衰减全反射-傅立叶变换红外光谱、X射线光电子能谱和水接触角表征鲫鱼鳞表面形貌特征、化学组成以及浸润性。结果显示:外表面遮盖区包含沟槽状结构,内表面为排列紧密的有序纤维结构;两者主要成分均为胶原蛋白和羟基磷灰石,外表面羟基磷灰石更多、胶原蛋白更少,内表面与其相反;两者均具有较强细胞粘附性。活/死细胞活力测定及激光共聚焦显微成像显示,鱼鳞具有抑制肿瘤细胞增殖的作用,但无细胞毒性。利用光学显微镜观察不同形貌鱼鳞基底上CT26细胞生长形态,并通过长-短轴指数、二维快速傅里叶变换、细胞取向角分析发现,导向细胞定向能力从高到低依次为未受损内表面>遮盖区>受损内表面>暴露区,证明内表面和遮盖区由于其特殊各向异性形貌而具有显著地导向细胞对齐能力。在内表面基底培养CT26细胞不同时间后观察细胞形态动态变化,发现虽然受细胞间相互作用影响,但鱼鳞表面各向异性形貌对细胞定向起主导作用。药物敏感性实验发现,与传统平面培养板相比,培养在具有各向异性形貌的鱼鳞内表面上的CT26细胞对伊立替康和顺铂的耐药性均明显增加。这表明废弃鱼鳞可作为各向异性天然材料来模拟ECM的生物物理和化学特性用于细胞定向和药物敏感性评价,具有材料来源广、废物再利用、免图案化等优势。上述研究结果,不仅为基于分子亲和配体的快速、灵敏检测和成像CSCs标志物提供新平台,推动CSCs的精准识别,促进癌症的早期诊断和疗效评估;也为基于天然废弃物开发模拟ECM的各向异性体外培养平台提供新机遇,有助于细胞定向调控,消除体内外研究结果的差异,加深对肿瘤发生发展的客观规律理解,为体外更准确、有效的药物筛选提供可靠平台。