基于磁性胶囊体可控释放和生物/纳米界面相互作用的朊蛋白突变体分子检测研究

PrPSc is pathological to some fatal neurodegenerative diseases. Detection of PrPSc in very low concentrations is an important measure to enhance the treatment of diseases and to prevent the spread of the epidemic. The key scientific problems of this project are ‘the microscopic mechanism of the controlled release of PrPSc from the magnetic capsule’ and ‘the interactions between PrPSc and SPR gold sensing membrane at the bio-nano interface affected by static/alternating magnetic fields and its corresponding mechanism’. Focusing on these problems, the project is studied as the following three aspects: (1) preparing IMBP to specifically capture PrPSc molecules; (2) encapsulating the IMBP-PrPSc conjugates in the poly(HFMA-g-PEGMA) capsules, forming magnetocapsules; (3) utilizing both the static and alternating magnetic fields, to perform directional enrichment of PrPSc, and its in-situ release and detection in SPR biosensors. Based on the completion of this project, we may establishment a novel SPR system combined with static/alternating magnetic fields and magnetic capsules, for sample ‘purification’ and bio-molecular detection. And we may also provide corresponding theoretical supports for applications of this system on bio-molecule detections and early diagnosis of prion diseases, as well as other diseases caused by similar proteins.

朊蛋白分子突变体（PrPSc）是神经组织退化性疾病的一种致病蛋白，实现对其高灵敏度检测是提高疾病治疗效果和避免疫情扩散的重要措施。本项目围绕“磁性胶囊体在交变磁场下结构破坏和PrPSc释放的微观机理”和“PrPSc在纳米界面上与传感金膜之间相互作用受静/交变磁场环境的影响及相关机理”关键科学问题，通过构建生物智能磁性探针（IMBP），特异性标记PrPSc；再利用甲基丙烯酸六氟丁酯（HFMA）和甲基化聚乙二醇（PEGMA）合成的两亲性共聚物链的自组装行为将标记了IMBP的PrPSc包埋，形成磁性胶囊体；最后，利用外加静/交变磁场，开展PrPSc定向富集和在表面等离激元共振（SPR）传感器内原位释放、检测研究。在此基础上，建立与静交变磁场和磁性胶囊体相结合的，集样品“净化”和生物分子高灵敏度检测于一体的新型SPR检测体系，并为其在生物分子检测和朊蛋白类相关疾病早期诊断中的应用提供相关理论支持。

近年来随着朊蛋白类疾病疫情的不断爆发，朊蛋白突变体分子（PrPSc）的研究越来越受到关注。社会迫切需要开发针对PrPSc 的高效率、高灵敏度和高特异性检测方法，同时针对已经感染PrPSc 的污染源开发有效的处理手段，特异性地将PrPSc 分离出来，从而达到样品“净化”的目的，以防止疫情的扩散。本研究通过硅烷化反应和戊二醛交联反应制备修饰了适体分子的磁性纳米粒子作为生物智能磁性探针，特异性地识别、标记样品中的PrPSc分子；利用PrPSc分子疏水特征，通过两亲性聚合物分子自组装行为包埋被磁性探针标记的PrPSc分子，得到磁性胶囊体，该胶囊体饱和磁化强度达到32.24 emu/g，可以在外加静磁场作用下发生定向富集；同时，该胶囊体在频率为382 kHz, 线圈电流为15A的交变磁场发生器作用下5分钟后会由于温度的升高而发生结构破裂，并在10分钟内释放出所包含的近80％ PrPSc分子；通过利用原子力显微镜对释放出来的PrPSc进行观察，并结合分子动力学模拟技术进行研究。由于生物智能磁性探针的高特异性以及PrPSc分子自组装行为，标记有磁性探针的PrPSc分子以生物分子-纳米粒子共轭簇的形式存在；同时，该共轭簇可以通过其外围的PrPSc分子与表面等离激元共振（SPR）传感器的金传感薄膜发生金巯键相互作用而固定在未加修饰的金传感薄膜表面，进而产生SPR信号；通过对一系列不同浓度的样品进行检测，结果表明本研究设计的检测体系对样品中朊蛋白突变体分子的最低检测限达到1×10^(-4) ng/mL，定量检测范围为1×10^(-4)~1×10^(-5) ng/mL，检测时间控制在15 min；另外，考虑到生物智能探针构建技术的推广和应用，以及对本研究中使用的抗PrPSc分子适体SAF-93特异性和选择性的检验，本研究还开展了氧化石墨烯生物智能探针的构建，并对其在针对PrPSc分子的SPR三明治式检测体系中的SPR信号扩增效应进行了研究，结果表明，以SAF-93作为识别分子的氧化石墨烯生物智能探针同样具有较高的特异性和选择性，以及较优良的SPR信号扩增效应。本研究基于磁性胶囊体材料和静/交变磁场的SPR检测体系，建立一套完备的，集污染源“净化”和SPR 高灵敏检测于一体的，微量PrPSc 分子包埋、定向富集和原位释放-检测方法。

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