癌症是导致全球人类非正常死亡的最常见疾病之一,早期发现癌症可以显著降低癌症死亡率并挽救生命。肿瘤生物标志物涵盖广泛的生物分子,其包括核酸、蛋白质、蛋白激酶、糖、小代谢物甚至于整个肿瘤细胞,这些生物分子被广泛应用于疾病的风险评估、筛选、鉴别诊断、预后的判定、对治疗的响应预测以及疾病进展的监控等方面。生物标志物在疾病的所有阶段都发挥着关键作用,因此科学家们已经投入大量的精力来探索用于检测疾病早期症兆的新技术。近年来,随着界面修饰技术、纳米技术、分子组装技术和分子识别技术的发展,已经开发出多种检测技术用于生物分子的检测。在这些技术中,荧光检测技术因其灵敏度高、特异性强、结果准确、样品用量少、操作简便以及安全无毒等优点受到广泛关注。在荧光生物传感器的构建中,识别元件是不可或缺的组成部分,因为其对目标分子具有特异性识别功能。因此想要对目标分析物进行迅速高灵敏度检测,识别元件的选择对于生物传感器的构建至关重要。在众多可供选择的识别元件中,多肽和核酸适配体可以通过人工编程调控合成或者从肽文库以及指数富集配体的系统进化（SELEX）来筛选等方式获得,此外,多肽和核酸适配体因其良好的生物相容性,易于修饰,特异性高等优势而受到许多研究者的青睐,它们被广泛用于构建各种各样的生物传感器来检测各种目标分析物,比如蛋白质、酶、抗体、DNA和金属离子等。然而,利用多肽和核酸构建的荧光生物传感器在细胞或活体成像,疾病诊断尤其是癌症的治疗方面依然存在的巨大挑战。本文旨在探索利用多肽和核酸适配体独特的生物识别能力与纳米材料优异的物理化学性质开发迅速实时、灵敏、高选择性以及良好的生物相容性的生物传感新方法,以期待能够实现细胞水平上的癌症实时诊断以及治疗。具体研究内容如下:1.我们开发了一种新型基于聚多巴胺纳米粒子的可激活多色纳米传感器,用于多重原位检测活细胞内多肽-蛋白质相互作用。该方法利用了肽的高度特异性识别能力和聚多巴胺纳米粒子（PDANPs）的超高荧光淬灭特性。在我们的设计中,用于识别不同细胞内蛋白质靶标的荧光团标记的多种肽探针通过和PDANPs之间的π-π相互作用组装到PDANPs上,导致多肽探针的荧光显著淬灭。当靶蛋白的存在时,多肽探针通过肽与蛋白质特异性结合导致其脱离PDANPs表面,荧光恢复,从而实现多肽-蛋白质相互作用的检测。以三种肿瘤相关蛋白质（表皮生长因子受体受体（EGFR）,溶酶体蛋白跨膜4β（LAPTM4B）和细胞周期蛋白A2（CA2））及其多肽受体相互作用作为模型,我们证明了三色纳米传感器不仅可以作为快速、高灵敏度和高选择性的生物传感器用于同时定量检测EGFR、溶LAPTM4B)和CA2),而且其还可实现细胞内多肽-蛋白质相互作用的原位成像分析。此外,该三色纳米传感器可以有效地区分癌细胞和正常细胞以及筛选活细胞内多肽-蛋白相互作用的抑制剂。我们所构建的纳米传感器可为活细胞内多肽-蛋白质相互作用和多种蛋白质生物标志物的同时检测和成像分析提供有一种新策略。2.利用肽的高特异性识别能力和PDANPs的荧光猝灭能力,我们构建了一种四色荧光纳米探针用于活细胞中多种肿瘤相关蛋白酶的检测和成像分析。在该方法中,四种分别标有不同荧光基团的多肽底物探针通过π-π堆积作用吸附在PDANP表面上,形成纳米探针。此时,PDANPs与荧光基团相互靠近并发生纳米表面共振能量转移,荧光被淬灭。当目标蛋白酶存在时,它们选择性切割多肽底物探针,使得相应的荧光基团脱离PDANPs表面,阻断纳米表面能量转移,导致荧光恢复,从而实现对四种目标蛋白酶的定量检测及成像分析。以两种金属基质蛋白酶MMP-2和MMP-7,尿激酶型纤溶酶原激活物（u PA）和组织蛋白酶B（CTB）为模型分析物,该纳米探针不仅能同时选择性和高灵敏检测溶液中四种蛋白酶,而且还能实时检测和成像分析细胞内的蛋白酶。在优化的实验条件下,u PA、MMP-2、CTB和MMP-7的检测限分别为156.4 pg/m L、0.6 pg/m L和MMP-7检测限为0.7 pg/m L。此外,该纳米探针还区分选择性区分肿瘤细胞和正常细胞,实时检测细胞内蛋白质表达变化以及原位筛选蛋白酶抑制剂,有望用于肿瘤早期诊断。3.利用金纳米棒（Au NRs）的高DNA负载能力和荧光猝灭能力,我们构建了一种多重刺激响应的DNAzyme纳米马达用于活细胞内mi RNA信号放大成像分析和增强药物可控释放协同治疗肿瘤细胞。在该方法中,三种不同肿瘤相关的mi RNA作为DNAzyme纳米马达的引发剂,通过碱基互补配对作用与锁链DNA杂交将DNAzyme链置换出来,在辅助因子Mg2+的作用下,置换出来的DNAzyme链切割具有切割位点的发夹底物探针,其中发夹底物探针的一端通过Au-S键与Au NRs结合,另外一端则修饰荧光基团。当发夹底物探针被切割后,标记有荧光基团的DNA片段脱离Au NR表面从而导致荧光恢复。与此同时,当DNAzymes切断一发夹底物探针后,DNAzyme会释放出来,然后与Au NR上的另一底物探针杂交并切割该底物探针,从而使DNAzyme沿着Au NR表面的三维轨道上自动行走并不断切割发夹底物探针,从而实现荧光信号放大,进而提高mi RNA的检测灵敏度。与此同时,由于发夹底物探针茎结构上的CG碱基序列嵌入了抗癌药物阿霉素（DOX）,所以底物探针被DNAzyme切割后,DOX被释放出来,从而实现药物的选择性释放,并用于杀死肿瘤细胞。此外,由于Au NR具有优越的光热性能,Au NRs在近红外光的照射下能够产生热量,杀死肿瘤细胞,从而增强治疗效果。以mi RNA-21,mi RNA-141和let-7d作为引发剂,我们不仅在溶液体系中验证了该纳米马达可以对三种mi RNA的响应以及三种mi RNA刺激增强药物释放,而且还将该纳米马达成功用于活细胞内mi RNA的成像分析以及选择性杀死肿瘤细胞。这种多重刺激响应的DNAzyme纳米马达不仅为肿瘤精准诊疗提供了一种新策略,而且能够扩大DNA纳米机器在细胞或活体中的应用。