开发基于纳米钻石的温敏元件以用于监测活体细胞的健康状态

A thermal sensor capable for detecting accurate temperature changes at specific sub-cellular compartments in a living system could assist in clarifying complicated cellular processes and monitoring cell development as well as provide a powerful tool in areas of biological and biomedical research. In this project, we would like to develop a new nanothermometer based on diamond particle which has high organelle selectivity, high temperature sensitivity and no alternation of functional properties by environmental changes. Especially, they are able to detect the temperature variation in mitochondria and the nuclei. Nanodiamonds (NDs) are modified and functionalized with various functional motifs including organelle localization signal (OLS) peptides, lipid and/or folic acid via chemical reactions. NDs are then incubated and taken up by HeLa cells or inject to the cytoplasm of cells by microinjection approach for targeting mitochondria and nuclei. Finally, internal temperature measurements in specific organelles are conducted under different cell cycles and cellular environments on the basis of the nitrogen vacancy center (NV), using the well-developed quantum mechanics technique as established. This technology platform is highly sensitive and allows detecting temperature variation less than 2 millikevin. This project contributes to the development of a novel site selective nano-thermometer for probing the health status of living cells. In addition, this would hold a great promise for medical diagnostics and public health, especially in the broad area of monitoring cell development, identifying and curing diseases, like cancer.

一个能够在活体细胞器内测精确测量温度变化的温敏元件有助于阐明细胞过程以及监测细胞发展，可以为生物医学领域提供强大的研究工具。本项目旨在开发一种新的基于纳米钻石的纳米温度计，它具有特定细胞器的靶向能力和较高的检测灵敏度，并且与周围环境有较小的相互作用，特别是它可以检测线粒体或者细胞核内部的温度变化。首先通过化学手段在纳米钻石的表面修饰具有细胞识别和靶向、细胞器定位功能的特殊官能团。然后通过与细胞共同培养或者人工微注射的方式将它们递送到活的肿瘤细胞内，并利用表面官能团实现了对特定细胞器的靶向和定位。最后，利用该纳米钻石氮空位中心去监测特定细胞器在不同细胞周期和外界环境改变下的内部温度变化行为。这一技术平台高度敏感，可以测量低于0.002度的温度变化。因此，本项目有助于发展一种新型的位置选择性的纳米温度计用于监测活体细胞的健康状态，弄清特定细胞器在细胞病变时的温度改变

纳米钻石具有氮空位中心，研究人员已基于此构建了温感技术。基于纳米钻石开发具有细胞识别和靶向、细胞器定位功能的纳米温敏元件有助于检测细胞状态、阐明细胞过程，在生物学、纳米技术和纳米医药等领域具有重要意义。本项目执行过程中，我们基于纳米钻石构建了靶向细胞核的核酸药物递送平台，该平台能够靶向定位于细胞核，实现负载的核酸药物在细胞核中的释放。基于此，该平台在细胞中实现了对目标基因bcl-2和bcl-xL的高效沉默，并能够诱导癌细胞凋亡。我们采用配体诱导的自组装策略，构建了具有优异分散性和稳定性的纳米钻石-金纳米颗粒（ND-AuNP）二聚体。我们可以通过相同的策略制备了多种具有特定组合和尺寸的二聚体，证实了该自组装策略的可扩展性。细胞实验证明，这些二聚体具有具有优异的细胞摄取、生物稳定性和生物相容性。我们构建了稳定、单分散、生物相容性好的纳米钻石复合体，并在细胞模型和动物模型实验中证明了其具有穿过血脑屏障的能力和脑肿瘤靶向性。基于此，我们实现了对于胶质母细胞瘤的靶向荧光成像。同时，我们还提出了一种在常温条件下构筑DNA四面体的简便策略，开发了多功能DNA纳米笼并应用于脑肿瘤的靶向药物递送与治疗，构建了基于聚合物纳米颗粒的新型光热诊疗平台。另外，我们受邀撰写了综述论文，系统总结了基于DNA的纳米材料在生物医学领域的应用和适体传感器及其疾病诊断领域应用领域的最新进展。本项目执行过程中，共发表核心SCI论文8篇，其中其中研究论文6篇，综述论文2篇; 共培养博士生3名，在读博士生2名，指导博士后和研究助理各1名。本项目的顺利实施，证实了开发具有光刺激响应热源和局部温度计的多功能纳米体系的可行性，为新型生物温敏传感器的开发奠定了基础。同时，纳米钻石体系的构建对于开发刺激响应性纳米结构及其在纳米医学、药物递送、癌症治疗等领域的应用方面具有重要意义。

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