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项目名称： 基于纳米技术的肺癌早期检测研究 首席科学家： 起止年限： 依托部门： 赵建龙 中国科学院上海微系统与信息
技术研究所
2012.1至2016.8 中国科学院 上海市科委
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一、关键科学问题及研究内容
1、拟解决的关键科学问题
本项目围绕肺癌早期检测的重大需求，采用多学科交叉、综合的研究方法，重点解决纳米材料的定向偶联和有序组装机理、低丰度样品富集及微弱信号检测方法以及肺癌早期预警、筛查和检测的新模式等三个方面的关键科学问题： （1）纳米材料的定向偶联和有序组装机理
为了获得性能良好的生物功能化探针，生物分子在微纳米界面上组装后应该保持原有的生物活性，具有很好的生物相容性，这就需要研究纳米结构与生物分子的定向偶联和有序组装机理。定向偶联机理问题：如何实现生物探针在微纳米界面上的定向分布，使生物分子的活性部位背对界面，使其与靶分子结合时空间位阻最小。有序组装机理问题：如何实现生物探针在微纳米界面上的均一分布，不重叠，不堆积，呈现为功能化生物分子单层，使探针发挥最佳的靶分子性能。
（2）低丰度生物样本富集及微弱信号检测方法
早期肺癌病人的肿瘤标志物浓度很低，由于检测灵敏度低而出现假阴性。另外，生物标本（如血清等）中含有大量内源性分子和代谢产物，通常这些物质浓度远高于肿瘤标志物的浓度，是主要的干扰因素，由于标本成份复杂产生干扰而出现假阳性。本项目将研究肺癌标志物与纳米材料的相互作用机理以及在微流控芯片中的运动特性，设计相应的功能纳米器件，分离标本中干扰组份，保留待测分子及其活性，建立微量肿瘤标志物的高效分离提取富集方法和体系，以达到肿瘤标志物的高灵敏度检测。
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（3）肺癌早期预警、筛查和检测的新模式
针对没有适合中国人群的肺癌早期检测敏感性和特异性的问题，联合检测多个肺癌标志物，利用高灵敏、高通量纳米检测技术和生物信息学分析方法，建立肺癌早期检测判别模型，同时提高检测敏感度和特异性，建立与早期肺癌显著相关的血清蛋白和核酸标志物谱，并在高危人群中进行验证，建立适合我国肺癌高危人群患者肺癌预警、筛查和检测的新模式。
2、主要研究内容
围绕肺癌早期检测的重大需求，针对相关的三个关键科学问题展开研究，然后利用临床标本对基于纳米技术的肺癌早期检测新方法进行医学验证，与影像学、痰细胞学方法进行对照研究。本项目主要开展以下四个方面的研究：功能纳米材料的制备和表面修饰、纳米探针的设计和构筑、纳米生物器件的研制以及临床验证等研究。
1.1 功能纳米材料的制备和表面修饰
功能纳米材料的制备主要包括制备荧光量子点材料，用于构建多种肺癌标志物的同步检测的纳米器件；包括制备表面等离子体共振金纳米结构和硅纳米线材料，分别用于构建表面等离子体共振传感器和硅纳米线传感器，用于肺癌标志物的超高灵敏检测。
（1）荧光量子点的制备和表面修饰
利用微波辅助水相量子点制备技术，合成出荧光产率高、光稳定性强、粒径分布窄的多种结构II-VI族量子点。选用适宜的化学或生物材料修饰量子点，使修饰后的量子点既保持原有的光学特性又具有良好的生物相容性。研究量子点尺寸及表面组成对其物理化学性质特别是光学性质的影响。
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（2）表面等离子体共振金纳米结构的制备和表面修饰
研究不同表面等离子体共振金纳米结构如金纳米壳、金纳米星等的制备方法。研究在SiO2胶体晶膜微球表面金的沉积机理以及金纳米壳层复合结构的制备方法。研究金纳米壳层结构厚度和表面裂纹以及金纳米星枝角等的控制方法，及其对局域表面等离子体共振光谱（LSPR）及表面增强拉曼光谱(SERS)信号的影响。
（3）硅纳米线的制备和表面修饰
研究光、电、温等影响因素对纳米硅材料的腐蚀作用机理，提高纳米硅材料自停止腐蚀的精度，发展硅纳米线阵列制造的新机理和新方法；研究掩模、腐蚀、保护等关键工艺的相互制约关系，提高硅纳米线尺寸和表面粗糙度的控制精度，研究不同基团在硅纳米线表面的硅烷化修饰技术。
1.2 用于肺癌早期检测的纳米探针的设计和构筑
纳米探针的设计和构筑主要是为了获得有良好生物活性和生物相容性的生物功能化探针，主要包括生物分子在荧光量子点、表面等离子体共振金纳米结构以及硅纳米线表面的定向偶联和有序组装。 （1）量子点与生物分子的偶联和有序组装
研究量子点与具有特异选择或识别功能的生物分子的定向偶联和有序组装；重点发展针对肿瘤早期检测的具有超灵敏度和特异识别能力的“纳米材料-生物分子”纳米生物复合探针；研究这些纳米生物探针同待测分子之间的相互作用及其识别能力。
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研究量子点与待检测标志物有特异识别的酶、抗体、基因等生物分子的有序自组装（非简单的物理吸附和无序偶联），除利用分子间作用力、静电作用实现量子点与生物分子的自组装外，重点发展基于特定生物分子介导的生物分子有序组装方法，即通过表面功能基团或特定生物分子介导，实现生物分子在量子点表面的定向偶联或有序组装。研究有效控制量子点的标记数量和标记位置的方法，获得既具有高标记效率又保持高活性的“纳米材料－生物分子”生物复合探针。
研究量子点与不同生物分子的偶联方式，建立一套温和、有效的生物标记方法，在此基础上建立不同功能团的量子点与抗体、酶和DNA等多种生物分子的偶联方法及其纯化方法，并建立相应的规范的操作指南。
（2）生物分子在表面等离子体共振金纳米结构上的可控组装
制备满足生物传感需要的高质量聚苯乙烯有序多孔金纳米结构基底，研究实验条件对其LSPR和SERS性质的影响；研究在金纳米结构基底的多孔层表面均匀、高效地固定抗体及配基分子的方法，以提高固定效率和固定化抗体及配基分子的稳定性；利用LSPR位移检测抗原-抗体、配基-生物大分子等的结合过程及结合容量等，得到生物分子相互作用的标准曲线、结合常数及检测灵敏度等，研究非特异性吸附对分析的影响；利用基于SERS分子独特的振动能级和相应的拉曼指纹图谱检测分子信息，并比较两种检测方法的结果。 （3）生物分子在硅基纳米界面上的可控组装
选择生物识别探针分子（抗体、核酸等），研究其通过不同的自身携带基团或衍生的基团在硅基纳米界面上的定位组装条件；研究其在界面上的有序性、方向性和三维形态，探索各种不同性质的生物探针在特定环境中的识别行为和捕获行为；研究通过共组装技术和界面封闭技术减少探针分子与硅基纳米界面之间的
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基于纳米技术的肺癌早期检测研究
