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基于DNA三臂交联结构和抗菌药物调控的电化学发光生物传感器研究

【摘要】:汞离子是一种常见的重金属污染物,毒性强且难降解,通过甲基化作用生成有机汞,再经食物链在人体内积累会引起各类健康问题,如脑损伤和其它慢性疾病。环境污染严重危害人类健康,诱发癌症等相关疾病,据调查在癌症死亡病例中肺癌排第一,在肺癌的早期发现可疑病灶并手术切除是降低肺癌死亡率的有效策略,但传统的胸部X线片、正电子计算机断层扫描、正电子发射层析扫描、经皮肺活检等诊断技术在检测早期肿瘤方面缺乏特异性和准确性,易错失最佳治疗时期。临床治疗中滥用和误用抗生素使细菌变异成“超级细菌”,这类细菌对多种抗生素都具有耐药性,比如,携带新德里金属-β-内酰胺酶1(New Delhi metallo-beta-lactamase-1,NDM-1)基因的细菌可以水解临床上大多数的β-内酰胺类抗生素,使β-内酰胺类抗生素对细菌失去抑制效果。目前关于β-内酰胺酶结构、功能、作用机制和酶抑制剂的研究大多局限于体外试验,细菌活体内β-内酰胺酶检测的报道还很少。针对上述问题,本文建立了简单、快速、灵敏电化学发光生物传感方法检测汞离子、肺癌标志物(Neutrophil activating protein 2,NAP2)以及检测细菌和分析细菌对抗生素的药敏性。电化学发光(Electrogenerated chemiluminescence,ECL)结合了电化学法的可控性和化学发光法高灵敏度的特点。ECL生物传感器以生物活性分子为分子识别元件,以ECL试剂/材料为信号物质,将生物分子的特异性识别作用转化为可量化的ECL信号,实现对目标分析物的定量检测。具有简单、灵敏度高、选择性好等优点,已广泛应用于临床诊断、药物控制、环境监测和食品安全等领域。本论文旨在研制高灵敏度、高选择性检测Hg~(2+),NAP2和细菌的电化学发光生物传感器。本文一共分为四章,每个章节的研究内容如下:第一章为引言。简单综述生物传感器的分类及其应用;介绍DNA-三臂交联结构(DNA-three way junction structure,DNA-TWJs)的结构特点及其在生物传感器方面的应用;总结抗生素和细菌耐药的现状,介绍现有检测β-内酰胺酶的技术;最后,简要提出了本论文的目的和意义以及主要研究内容。第二章为基于目标物诱导DNA-TWJs的汞离子电化学发光生物传感器研究。本章旨在研制一种简单、灵敏的Hg~(2+)电化学发光生物传感器。富含胸腺嘧啶(Thymine,T)的5′-NH_2-ss-DNA和其互补DNA链杂交成DNA-TWJs作为分子识别物质,Ru(bpy)_3~(2+)衍生物(Ru)为电化学发光信号物质,Ru标记的DNA-TWJs(TW/Ru-J1)为电化学发光探针。将TW/Ru-J1共价固定于对氨基苯甲酸(4-aminobenzoic acid,4-ABA)修饰的玻碳电极表面制备成Hg~(2+)电化学发光生物传感器。未结合Hg~(2+)时,TW/Ru-J1结构中含T碱基的一臂呈现灵活的弯曲构象,此时探针上标记的Ru靠近电极表面,产生较强的ECL信号。当Hg~(2+)与TW/Ru-J1的T碱基结合成T-Hg~(2+)-T结构,由于碱基堆垛使得TW/Ru-J1的三臂形成刚性结构,探针上标记的Ru远离电极表面,ECL信号变弱。在选定条件下,电化学发光信号与Hg~(2+)浓度在0.1 p M~10 p M范围内呈线性关系,检测限为0.04 p M。并将该传感器用于实际水样中Hg~(2+)检测,检测结果与冷蒸汽原子荧光光谱法一致。本工作将DNA-TWJs引入电化学发光生物传感器的构建中扩展了DNA-TWJs在生物传感器的应用范围。第三章为基于目标物诱导DNA电荷传递的“signal on/off”型电化学发光生物传感器检测早期肺癌标志物(NAP2)。含有特异性识别NAP2的适配体的DNA-TWJs为分子识别物质,Ru(bpy)_3~(2+)衍生物(Ru)为电化学发光信号物质,Ru标记的DNA-TWJs(NBAT-Ru)为电化学发光探针。将5′-NH_2-(CH_2)_6-NBAT-Ru通过共价键合作用固定在4-ABA修饰玻碳电极表面制备成“signal off”电化学发光生物传感器。未结合NAP2时,DNA-TWJs结构中NAP2适配体呈自由状态,使得Ru接近电极表面,产生很强电化学发光信号。结合NAP2后,NBAT-Ru构象发生变化,Ru远离电极表面,电化学发光信号减弱。在选定条件下ECL信号与NAP2浓度在0.01 p M~0.1p M范围内呈线性下降,检测限为0.008 p M。将5′-SH-(CH_2)_6-NBAT-Ru通过巯基自组装固定在金电极表面制备成“signal on”电化学发光生物传感器。结合NAP2后,由于NBAT-Ru三臂交叉点碱基堆垛促进了Ru通过DNA与电极表面的电荷传递,因此电化学发光信号增强。在优化条件下,ECL信号与NAP2浓度在0.001 p M~0.1 p M范围内呈线性增加,检测限为0.001 p M。并将“signal on/off”电化学发光生物传感器应用于检测临床血浆中NAP2的含量。本工作表明DNA-TWJs以不同的固定化方式制备的生物传感器在结合目标物后,电化学发光信号物质的电子转移路径不一样。本研究结果为构建其它DNA-TWJs电化学发光生物传感器提供一个研究平台。第四章为基于二维MOF功能化的电化学发光细菌生物传感器用于抗菌药物敏感性的研究。本研究以伴刀豆球蛋白(Concanavalin,Con A)特异性识别大肠杆菌(Escherichia coli BL21,E.coli BL21)表面的脂多糖为识别体系,Ru(bpy)_3~(2+)衍生物(Ru)为电化学发光信号物质,标记Ru的Con A(Con A-Ru)为电化学发光探针。将Con A-Ru通过共价键合作用固定在NH_2-MIL-53(Al)纳米片修饰的玻碳电极表面制备成电化学发光生物传感器。当结合不同浓度E.coli BL21后,传感器表面的E.coli BL21阻碍了Ru的电子传递因此电化学发光信号降低。ECL信号与E.coli浓度在0cells/m L~5×10~4 cells/m L范围内呈线性降低,检测限为11 cells/m L。由于抗生素与细菌作用后使得细菌表面结构发生改变释放一定量脂多糖,基于此,利用构建的传感器分析不同抗生素对E.coli BL21和表达新德里金属β-内酰胺酶-1的E.coli BL21(NDM-1 E.coli BL21)的敏感性。实验结果表明电化学发光法测得的四种抗生素(四环素、盐酸左氧氟沙星、头孢匹罗、亚胺培南)的最低抑制浓度(Minimum inhibitory concentrations,MICs)与文献报道的趋势一致。同时,研究结果发现β-内酰胺类抗生素(头孢匹罗、亚胺培南)对NDM-1 E.coli BL21的最低抑制浓度(MICs)大于对E.coli BL21的MICs;非β-内酰胺类抗生素(四环素、盐酸左氧氟沙星)对NDM-1E.coli BL21和E.coli BL21的MICs基本不变。该结果表明NDM-1 E.coli BL21体内的NDM-1对β-内酰胺类抗生素的抑菌效果有抑制作用。本研究结果为抗菌药物敏感性分析和临床鉴定β-内酰胺酶细菌是否显阳性提供研究平台。

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