目前，恶性肿瘤发病率呈现逐年上升趋势，且死亡率居高不下，严重威胁人类健康和生命。探索肿瘤早期诊断及预后监测新方法，特别是通过细胞和活体水平上的非侵入式、原位、实时成像与表征揭示其发生发展过程中的规律和机制，对于患者治愈率和生存率的提高具有十分重要的意义。近年来，纳米技术和分子工程技术等的快速发展及其与生命科学的不断交叉融合，为开发新型肿瘤成像与表征方法提供了契机。一方面，多种多样的功能化纳米材料由于具有独特的信号发生和增强效应，为实现在克服背景干扰的前提下生物标记“靶子”的放大提供了可能；另一方面，逐渐兴起和不断丰富的肿瘤特异性Aptamer（核酸适配体）探针则由于具有传统生物抗体所不具备的诸多优越性能，为满足临床应用体系的选择性需求提供了一类理想的靶向识别分子。基于此，本论文即瞄准新型肿瘤成像与表征技术发展所面临的信号放大、靶向识别、信号激活和多功能化等问题与挑战，利用功能化纳米材料和Aptamer的优势，设计和构建了一系列新型探针，并从亚细胞、细胞水平到活体层面系统开展了灵敏、特异、原位、实时的肿瘤荧光成像与表征研究。具体包括以下工作：一、基于二氧化硅荧光纳米颗粒新型标记物的肿瘤细胞溶酶体定位与示踪成像研究为克服传统染料标记物所存在的信号强度低、易光漂白、标记寿命短等缺陷，满足细胞水平生命活动的实时、原位、动态和长时间成像与表征要求，利用二氧化硅荧光纳米颗粒（DSiNPs）的优越性能，在系统开展不同表面电荷DSiNPs在肿瘤细胞内的被动靶向定位与成像研究基础上，发展了一种新型肿瘤细胞溶酶体表征与示踪方法。首先采用反向微乳液法以四甲基罗丹明（TAMRA）为核，成功制备了粒径相当而表面电荷完全相反的两种DSiNPs。通过颗粒的荧光信号同步指示作用，结合细胞器常规标记物进行荧光共定位成像研究结果表明，表面带正电荷的TAMRA-NH₂-DSiNPs由于缓冲容量较大，在进入溶酶体后呈现出部分逃逸和被内质网捕获的特点；而表面带负电荷的TAMRA-DSiNPs则可长时间滞留于溶酶体中。随后以Hela宫颈癌细胞为模型，经条件优化后发现，TAMRA-DSiNPs能特异性定位于溶酶体内，且标记性能不受核材料限制，有望用于亚细胞结构的多色荧光成像研究。尤其与常规标记物（包括大分子Alexa488-dextran和小分子LysoTracker Green）相比，其不仅具有光稳定性强、循环寿命长且生物相容性好等一系列优点，而且还显示出优越的对细胞固定化和透化处理过程的耐受性能。最后，TAMRA-DSiNPs即被成功用于经氯喹处理的Hela细胞内溶酶体示踪以及多种不同细胞系的溶酶体表征研究，为其进一步在肿瘤发生发展过程中溶酶体相关生命活动的成像与表征中的应用提供了有力支持。二、基于Annexin V功能化二氧化硅荧光纳米颗粒新型标记方法的早期凋亡肿瘤细胞成像研究利用DSiNPs所具备的荧光信号强、光稳定性好、细胞毒性低等优点，结合“配体-受体”相互作用，基于Annexin V功能化DSiNPs与凋亡早期细胞膜上外翻磷脂酰丝氨酸（PS）的特异性结合，发展了一种灵敏、特异、稳定而简便的新型早期凋亡肿瘤细胞成像与表征方法。首先采用反向微乳液法以异硫氰酸罗丹明B（RBITC）为核，成功制备了包裹RBITC的二氧化硅纳米颗粒（RBITC-DSiNPs）。经TEM表征显示，该颗粒粒径为50±5nm、分散性好。通过进一步在其表面共价交联Annexin V，成功构建了一种主动靶向型早期凋亡肿瘤细胞识别与标记探针。结合激光共聚焦荧光成像考察发现，该探针不仅可有效区分紫杉醇诱导的早期凋亡MCF-7乳腺癌细胞和未经处理的MCF-7细胞，还能实现经药物诱导不同时间的早期凋亡细胞表面PS外翻程度的原位表征与示踪。尤其与Cy3染料标记方法相比，该探针显示出更为优越的光稳定性，在长达20分钟的激光连续照射后，仍能保持清晰而明亮的荧光标记信号，有望在肿瘤细胞凋亡相关研究以及抗癌药物的筛选等方面发挥重要作用。三、基于cell-SELEX技术筛选的Aptamer探针的肿瘤活体荧光成像研究为克服传统生物抗体的局限并开发新型肿瘤活体成像分子探针，采用基于cell-SELEX技术筛选的肿瘤细胞特异性Aptamer，通过直接修饰近红外荧光染料Cy5构建了一系列肿瘤靶向识别与标记探针，并系统开展了包括血液瘤和实体瘤在内的多种肿瘤的活体荧光成像研究。首先以Ramos淋巴瘤及其Aptamer TD05为模型，经流式细胞分析证实，Cy5-TD05在小鼠血清中能较好地保持对体外培养和原代培养Ramos细胞的结合性能。活体荧光成像结果也表明，其不仅具有对小鼠体内Ramos肿瘤的靶向成像能力，而且还显示出优越的序列依赖性和肿瘤特异性。在此基础上，为进一步拓展Aptamer在肺癌、肝癌等其他类型肿瘤荧光成像中的应用，利用其相应Cy5标记Aptamer探针成功实现了同一只小鼠体内不同类型肿瘤的选择性成像效果，为Aptamer作为一类新型肿瘤靶向识别分子今后在活体成像中的应用奠定了基础。四、基于锁核酸修饰Aptamer探针的血液稳定性改善与肿瘤活体荧光成像研究为解决Aptamer在用于复杂生物体系时仍然存在的稳定性不足、肿瘤部位滞留时间短、成像时间窗口窄等问题，以TD05为模型，采用锁核酸（LNA）和反转T碱基（3’-3’-T）修饰方法，成功构建了一种同时具有靶肿瘤细胞识别能力和血液稳定性的肿瘤成像探针。通过考察一系列不同取代组合、位置和数量的修饰策略对TD05抗酶切性能、亲和力和特异性的影响发现，LNA和3’-3’-T的共同修饰对其血清稳定性具有明显的协同改善效果，且一定程度上LNA取代数越多则对Aptamer半衰期的延长效果越明显。尤其经7对LNA取代和3’-3’-T修饰的TD05.6探针在37度血清的生理条件下显示出长达5-6小时的识别能力半衰期，提高至修饰前的10倍以上，并成功将活体肿瘤成像时间窗口从修饰前的105分钟延长到10小时以上。这一探针修饰策略将有望发展成为一种通用的方法为肿瘤活体成像研究提供更多具有临床实用价值的Aptamer探针。五、基于细胞膜表面蛋白触发构型变化的发夹型激活式Aptamer探针的肿瘤活体荧光成像研究为进一步解决上述染料直接标记“always on”Aptamer探针存在的诊断时间长、成像对比度不高、灵敏度有限等不足，以CCRF-CEM白血病细胞的特异性Aptamer Sgc8c为模型，巧妙地设计了一种基于细胞膜表面蛋白触发构型变化的发夹型激活式Aptamer探针。该探针在游离状态下主要为发夹构型，当没有目标物存在时，探针本体两端的荧光分子和淬灭分子相互靠近而导致荧光熄灭；而在与靶细胞作用后，该探针可有效发生构型重组而导致荧光激活，从而指示靶肿瘤细胞的存在。经流式细胞分析证实，该探针具有对靶肿瘤细胞的高特异性信号激活性能，尤其与“always on”探针相比，可显著提高分析灵敏度，有效检测低至118个CCRF-CEM细胞数的样品。而在应用于肿瘤活体成像时，该探针则不仅可明显降低来自非靶组织中未结合探针的信号干扰从而使肿瘤成像对比度得到明显增强，并将诊断时间从“always on”模式的数小时缩短至15分钟；而且还具有优越的序列特异性和肿瘤靶向性。鉴于Aptamer筛选技术对靶标范围的不断拓展，这一探针设计将有望作为一种通用的方法用于发展高灵敏、高特异性的肿瘤活体成像探针。六、基于细胞膜表面蛋白触发构型变化的裂开型激活式Aptamer探针的肿瘤细胞和活体成像与检测研究以Sgc8c为模型，通过在适当位点将其分裂为两条核酸片段，成功构建了一种基于细胞膜表面蛋白触发构型变化的裂开型激活式Aptamer探针。该探针在没有靶标存在时，两条游离核酸片段之间不会发生明显的相互作用；而当体系中引入靶肿瘤细胞后，细胞膜表面的靶蛋白会诱导其形成与完整Sgc8c类似的识别构型从而与靶细胞结合。经流式细胞分析发现，该探针对靶细胞的特异性亲和力具有明显的温度敏感性。利用低温下该探针的靶向识别性能，结合富G序列对银纳米簇的邻近荧光增强效应，发展了一种简单、方便、免洗、灵敏而特异的CCRF-CEM细胞成像与检测技术。利用温度从冰上逐渐上升至37度时该探针与靶细胞的结合能力逐渐下降的特点，选取探针修饰的96孔板作为捕获容器，建立了一种肿瘤细胞选择性捕获与温控释放方法；并证实该方法不仅具有良好的细胞亲和性，而且可有效用于靶细胞的循环捕获与释放以及混合体系中不同肿瘤细胞的分离和回收。最后，通过进一步修饰PEG linker将该探针的两条游离核酸片段相连，使分子间作用转换为分子内作用，成功克服了其在生理条件下容易失活的难题，并结合Cy3-Cy5供受体对的FRET效应初步展示了一定的肿瘤细胞检测与成像可行性。七、基于肿瘤酸性微环境刺激响应的pH激活式Aptamer探针的肿瘤细胞和活体荧光成像研究针对肿瘤组织的弱酸性特点以及肿瘤细胞溶酶体内的酸性环境（pH4-6），同时结合Aptamer的靶向识别性能，以A549肺癌细胞的特异性Aptamer S6为模型，利用可在低pH条件下水解的ATU（3,9-双（3-氨丙基）-2,4,8,10-四氧杂螺[5.5]十一烷）小分子将Cy5标记Aptamer与荧光淬灭分子BHQ3相连，成功构建了一种同时具备检测特异性和“signal on”信号模式的pH激活式Aptamer探针。该探针在中性环境中的荧光淬灭效率高达约98%，而当置于pH4.5的缓冲液中24小时即可发生几乎100%信号恢复。通过与发夹型激活式Aptamer探针比较发现，该探针无论在小鼠血清中还是裸鼠体内，均显示出优越的荧光稳定性。激光共聚焦显微成像结果则表明，该探针不仅具备在活细胞溶酶体内的定点酸性激活性能，而且与“always on”探针相比，具有成像特异性高、对比度高、简单、免洗等一系列优点。进一步的活体肿瘤荧光成像结果也证实，该探针完全具备在裸鼠体内肿瘤组织中发生信号激活的成像性能，且该激活行为具有高度的序列特异性和肿瘤靶向性，有望发展成为一种通用探针设计平台用于肿瘤等酸性疾病区域的表征和成像研究。八、基于Aptamer-碳纳米管自组装激活式探针的肿瘤活体荧光成像研究结合功能化纳米材料和Aptamer分别作为信号转换器件和靶向识别分子的优势，以Sgc8c为模型，利用单壁碳纳米管（SWNTs）对荧光标记DNA的强吸附性能和高效淬灭作用，成功构建了一种基于Aptamer-碳纳米管自组装功能体的激活式肿瘤成像探针。当体系中不存在靶标时，Cy5-Sgc8c牢固附着于SWNTs表面，Cy5荧光被淬灭；而在加入靶肿瘤细胞后，由于Aptamer与细胞表面的靶蛋白结合使Cy5离开SWNTs表面，荧光得以恢复。通过流式细胞术、活体荧光成像技术等考察发现，无论是在缓冲液体系中还是裸鼠移植瘤模型内，CCRF-CEM细胞均可有效激活该探针的荧光信号，且激活性能具有高度的序列特异性和肿瘤靶向性。尤其通过与“always on”探针对比证实，SWNTs可有效降低非靶体系中未结合探针的非特异性信号背景干扰，从而明显改善靶肿瘤细胞的体外分析信倍比和活体成像对比度。这一探针设计简单方便，有望发展成为一种低背景、高对比、高特异且具有普遍适用性的肿瘤成像方法。九、基于激活式Aptamer探针功能化Au@Au/Ag纳米颗粒的肿瘤活体荧光成像及其引导下的近红外光热治疗研究在上述基于激活式Aptamer探针（AAP）的肿瘤活体成像研究基础上，结合功能化纳米材料的肿瘤杀伤性能，初步探讨了基于Aptamer-纳米材料功能组装体的“诊疗一体化”探针构建与应用研究。首先以金纳米棒（Au NRs）为模板，采用先包银后刻蚀金的方法成功合成了Au@Au/Ag球形纳米颗粒（Au@Au/AgNPs）。该颗粒在400-1100nm范围内显示出强烈的光吸收性能，且在980nm光激发下具有较Au NRs高约4.5倍的产热效率。随后，利用该颗粒同时作为光热转换元件和荧光淬灭元件，并以S6为模型设计竞争型AAP序列，通过“Au-S”作用下颗粒与DNA的自组装行为，成功构建了基于AAP功能化Au@Au/Ag NPs的“诊疗一体化”多功能探针。经过一系列体内外考察证实，该探针不仅具有对靶肿瘤细胞的选择性光热治疗效果，而且可有效实现对体内外靶肿瘤细胞的激活式成像与检测。进一步以尾静脉注射方式将该探针导入植有不同肿瘤的裸鼠体内，成功实现了对A549阳性肿瘤的特异性激活式成像及其引导下的近红外光热治疗。鉴于Aptamer的靶标种类丰富而Au@Au/Ag NPs的吸收光谱宽且强，该探针设计将有望发展成为一种具有多目标同时成像与治疗潜能的技术平台。