癌症,又称恶性肿瘤,是某些正常细胞在内源或外源致癌因子作用下发生转化,形成的具有分化和增殖异常、浸润性和转移性等生物学特征的非正常细胞,进而发展成为肿瘤组织的一种疾病。癌症患者死亡的主要原因之一是延迟诊断和治疗,因为症状通常要等到癌症晚期才出现。因此,癌症的早期、准确检测和精准诊断是治疗成功的前提和关键。常规的诊断方法存在特异性低和灵敏度低的问题,因此在肿瘤发生早期较难检测,而以肿瘤标志物为基础的癌症检测可显著改善早期诊断和后续治疗的效果。化疗作为常用的肿瘤治疗方法之一,存在非特异性给药的问题,即化疗药物对肿瘤细胞发挥杀伤作用的同时,对正常细胞也产生严重的副作用。此外,重复给药容易使肿瘤细胞对药物产生耐药性,降低治疗效果。因此迫切需要开发具有针对性功能的纳米结构,实现对癌症的早期、准确诊断和精准治疗。本论文致力于功能化纳米结构的设计及其在肿瘤细胞检测、成像和药物递送方面的应用。通过对目前报道的功能化纳米结构进行总结,发现随着功能化纳米结构的深入应用,逐渐暴露出一些不足和新的挑战:(1)针对肿瘤标志物,如何构建操作简便、便于携带、简单直观的可视化方法?(2)针对化疗产生的药物耐受性问题,如何在外排泵对药物外排的同时,降低肿瘤细胞的抗凋亡防御,恢复细胞对化疗药物的敏感性?(3)对于化疗产生的药物耐受性问题,通过纳米载体减少外排泵对药物的外排作用后,未能及时进入细胞核发挥作用的药物存在再次被外排的可能性,如何减少外排泵对药物的再次外排?本论文基于以上问题和挑战,开发了一系列功能化纳米结构,并将其用于肿瘤标志物端粒酶的可视化检测、肿瘤细胞膜蛋白的成像以及针对肿瘤细胞的药物递送和胞内的可控释放。论文主要分为以下五章内容:第一章为绪论部分,主要总结并概述了功能化纳米结构的设计原则及肿瘤细胞检测、成像和药物递送方面的应用,并在此基础上总结了现阶段功能化纳米结构存在的问题和新的挑战。第二章,构建了一种基于可转换的DNA末端的银纳米探针,用于端粒酶活性的灵敏、特异的比色检测。本设计是将端粒酶的作用下端粒酶结合底物的延伸特性和银纳米颗粒的等离子体效应相结合。在端粒酶的作用下,银纳米探针上的端粒酶结合底物延伸出端粒重复序列,刚性的DNA平末端转化为灵活的单链摇摆末端。摇摆末端增强了纳米探针的稳定性,并缓解了盐诱导的聚集,使得溶液呈黄色。当端粒酶失活时,平末端的纳米探针无法抵抗盐诱导的聚集,从而导致溶液呈灰色。基于端粒酶调节的DNA“平-摇摆”末端转换诱导的银纳米颗粒的分散性和颜色的变化,实现了基于银纳米颗粒的内源性端粒酶的比色检测。检测限相当于1 cell/μL的端粒酶活性,且通过颜色间的差异实现可视区分肿瘤细胞和正常细胞。这种策略将为生化研究和临床诊断提供一种可靠、方便定量端粒酶活性的新方法。第三章,构建了一种基于DNA-金纳米探针的横向流动生物传感器,用于端粒酶活性的快速、可视化检测。本设计是将端粒酶的作用下端粒酶结合底物的延伸特性、金纳米颗粒的等离子体效应和横向流动装置相结合,主要包括流动横向装置的制备与可视化检测研究。端粒酶结合底物在端粒酶的作用下发生链延伸,再将含有端粒酶延伸序列的样品滴加于样品垫上,在毛细作用下沿装置向后流动,端粒酶延伸产物可与水化结合垫上涂覆的金纳米颗粒表面修饰的DNA互补连接,再向后端流动,可与测试区的测试DNA结合,测试区出现红色,说明待测样品中的端粒酶具有活性。即样品滴加于该试纸条后,可自发在流动过程中发生DNA杂交、显色等系列反应,实现了端粒酶活性的快速、自动化检测。第四章,构建了一种pH响应型DNA纳米烟花,用于耐药型乳腺癌细胞的成像和化疗药物阿霉素在细胞内的pH响应式释放,一定程度上逆转肿瘤细胞的耐药并提高化疗的治疗效果。pH响应型DNA纳米烟花是以“可激活”式适体和i-motif结构为基本功能元件。纳米烟花的最外层Y型结构的外层序列设计为“可激活”MUC1适体,并在MUC1适体序列末端标记荧光基团Cy5和互补序列标记淬灭基团BHQ-2,实现了对耐药型乳腺癌细胞的特异性识别和成像。I-motif结构设计为pH响应型DNA纳米烟花层与层的交联点,在溶酶体内构象变化,实现了 pH响应型DNA纳米烟花的崩解和对Dox的快速释放,使胞内阿霉素浓度超过外排泵的泵出能力,从而更多的阿霉素进入细胞核发挥杀伤作用。结果表明设计的pH响应型纳米药物载体对肿瘤细胞的识别、成像和逆转耐药肿瘤细胞耐药性方面具有一定的应用潜力。第五章,构建了一种适体-DNA四面体纳米载体,用于耐药性乳腺癌细胞内靶向、协同的药物递送,逆转肿瘤细胞的耐药性并增强化疗效果。本设计是将MUC1适体的靶向性和化疗药物阿霉素与基因药物siRNA的协同作用相结合。MUC1适体可实现药物载体对MCF-7/ADR细胞的靶向递送。Bcl-2 siRNA作为抗凋亡基因抑制剂将Bcl-2mRNA的表达水平下调至24%,恢复肿瘤细胞对Dox的敏感性,从而提高Dox对肿瘤细胞的杀伤作用。与游离Dox相比,药物载体显示出加强的化疗效果。这些结果表明设计的药物载体在降低化疗药物副作用并逆转肿瘤细胞耐药性方面具有应用潜力。第六章为结论与展望部分,主要包括本论文的研究成果的总结和前景展望。