活性氧(ROS)是分子氧在生命机体内氧化还原过程中产生的一类的物质,具有寿命短、浓度低、反应活性高的特点,其动态变化不仅能够提供丰富的生理病理信息,还能够成为疾病诊断和治疗的突破口。然而,现有的细胞ROS监控平台存在制备复杂,效率低,生物相容性差的问题。本论文针对以上细胞ROS监测和调控中存在的问题,以生物相容性优异的有机小分子短肽和无机二氧化硅纳米粒子作为载体,酶和血红素作为催化分子,设计并构建了功能化的电化学传感界面及具有酶活性的纳米粒子,实现了细胞ROS的浓度监测和调控。具体研究内容如下:1、构建了基于自组装肽基水凝胶的功能化平台并用于细胞释放H2O2的检测。利用N-芴基甲氧基羰基-二苯丙氨酸(Fmoc-FF)的自组装特性,构建了一个基于酶的电化学传感平台和细胞监测界面。Fmoc-FF水凝胶有两个功能。一方面能够实现在自组装过程中对辣根过氧化物酶(HRP)分子的包埋,另一方面能够作为细胞粘附的基底。固定于肽水凝胶中的HRP能够保持其固有活性和稳定性,并实现直接电子转移。因此,构建了基于HRP的第三代电化学H2O2生物传感器,并表现出良好的分析性能,包括18 nM的低检测限,令人满意的重现性,以及高稳定性和选择性。此外,HeLa细胞可以粘附到HRP/Fmoc-FF水凝胶修饰电极上,从而能够实现对HeLa细胞释放H2O2的原位监测。2、构建了基于自组装肽水凝胶的三维细胞培养平台并用于细胞释放O2·-的检测。通过简单的一步自组装法,将活细胞和作为传感元件的酶分子同时固定在Fmoc-FF水凝胶基质中,形成了一个基于超氧化物歧化酶(SOD)和辣根过氧化物酶(HRP)的电化学细胞传感器。细胞3D培养于功能性水凝胶中,所释放的超氧阴离子(O2·-)可以通过酶联反应原位检测。由于酶和产生O2·-的细胞非常接近,它们从活细胞分泌后可以立即被捕获产生电信号。此外,3D水凝胶具有聚集效应,延缓了O·-和中间产物的消亡,使得所获得的O2·-传感器具有优异的分析性能,包括高灵敏度和低检测限。因此,与基于二维细胞培养的电化学传感器相比,该传感在监测细胞释放O2·-方面,具有更高的灵敏度和更准确的电化学信号。3、合成了 Fmoc-RGD/hemin自组装人工酶并研究了其作为癌细胞检测探针和ROS清除剂的应用。纳米粒子的合成主要是通过芴基甲氧基羰基-精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(Fmoc-RGD)和氯化血红素(hemin)两种单体分子在水溶液中自组装形成。Hemin可以催化H202并调节ROS的水平,Fmoc-RGD可以作为hemin纳米化的支架。Fmoc基团通过疏水和π-π相互作用与hemin的卟啉基团相互作用,形成纳米粒子的疏水核心。亲水性的RGD链围绕疏水核心,在水相中形成稳定且具有高催化活性的纳米粒子。利用RGD序列对肿瘤细胞具有高亲和力,Fmoc-RGD/hemin NPs可以选择性的检测H2O2和乳腺癌细胞。此外,Fmoc-RGD/hemin NPs可用作为ROS的纳米清除剂用于抑制癌细胞的上皮-间质转化(EMT)过程。4、合成了一种空心纳米马达并探究其作为ROS清除的应用。以负载有hemin的介孔二氧化硅纳米粒子(MSNs)为模型,以细胞氧化应激时产生的大量ROS为燃料,利用hemin-MSNs催化ROS产生的化学能为动力来源,实现了 hemin-MSNs在细胞运动过程中对ROS的高效清除。此外,合成了不同壁厚的MSNs,通过探究其细胞和体内抗氧化效果,发现中空纳米颗粒具有更优异的ROS清除能力。其原因主要归因于中空纳米颗粒比实心纳米颗粒的运动速度更快,运动范围更广。在此基础上,也探究了基于金属、金属氧化物和碳材料空心纳米粒子的清除效率,证明了空心纳米马达用于高效清除ROS的策略是一种具有普适性的方法。本论文通过合理的设计基于自组装肽的电化学平台检测监测了细胞ROS的浓度,提供了具有高灵敏,优异生物相容性,制备简单的监测平台;并通过有机小分子的组装和无机及纳米粒子的负载,合成了高效的ROS清除剂,实现了细胞中ROS的调控。本论文提出的ROS监控平台可为疾病的诊断和治疗提供新的思路。