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癌症是危害人类健康的重大疾病。研究表明:目前每年全世界新增癌症病人达1000多万,死亡人数达600多万。与1990年相比,每年发病人数与死亡人数均增加22%左右。据预测,到2020年癌症新增病例将达到每年1540万。细胞凋亡介入了多种疾病的发生发展过程,研究细胞凋亡对癌症的诊断与治疗具有重要的意义。纳米技术是一门交叉性很强的综合学科,研究内容涉及化学、工程、生物及医学等多个领域。在癌症的早期诊断和个性化治疗方面,纳米材料及应用具有很大的潜力。纳米颗粒的尺寸通常小于几百纳米,可与酶、受体和抗体等较大的生物分子相媲美。它们生物兼容性好,可以与细胞表面及内部分子相互作用,增强渗透性及滞留效应,可以使纳米载体被动靶向肿瘤细胞。也可以在纳米载体表面修饰靶向基团实现主动靶向,进一步提高纳米载药在肿瘤组织内的富集,发展有效的诊治一体化方法,为癌症治疗提供新的途径。基于金纳米材料优良的化学稳定性、形貌可控性、独特的光学与电学性质,以及良好的生物相容性,通过Au-S键构建的纳米传感及纳米载药被广泛应用于癌症的诊断与治疗中。纳米传感通常是基于Au-S键将带有巯基的DNA、RNA、多肽或其他分子修饰到金纳米粒子表面组装成传感器或探针用于靶分子的检测。然而,大量实验表明金纳米传感应用于复杂生物体系时高浓度的生物硫醇可以部分替代巯基修饰的功能化识别单元,导致传感信号失真。为了解决这个问题,我们提出用Au-Se键替代Au-S键重构金纳米传感,实现检测信号的保真性。在这篇论文里,基于Au-Se键,我们设计了检测Caspase级联激活的金纳米荧光探针(GNP-Se-Casp),实现了细胞凋亡过程中Caspase-3/8/9水平变化的实时观测,并验证了Caspase-3/8/9在细胞凋亡过程中被激活的上下游关系。同样,基于Au-Se键,我们将特异性识别肿瘤细胞的RGD及特异性识别caspase-9的肽链修饰到金纳米棒表面,构建了治疗与示踪双功能探针,实现了精准靶向肿瘤区域的光热治疗及肿瘤细胞凋亡程度的示踪,且长时间体内循环不受生物硫醇干扰。本论文的主要研究内容包含以下两部分:1、基于金硒键设计合成了多色荧光纳米探针(GNP-Se-Casp)用于细胞凋亡过程中Caspase的实时原位监测,并通过该探针实现了实时监测Caspase-3/8/9在细胞凋亡中的上下游关系。该探针通过在13 nm的金纳米球上以Au-Se共价键修饰三种不同的特异性识别Caspase-3/8/9的肽链,在没有Caspase蛋白的情况下,GNP-Se-Casp由于金纳米球的高效猝灭作用而没有荧光。在细胞凋亡过程中,上游的Caspase-8和Caspase-9蛋白首先被激活切割肽链,使得染料的蓝色和绿色荧光恢复,随后下游Caspase-3蛋白激活切割肽链,红色荧光恢复。实验表明,在STS(staurosporine)诱导Hela细胞凋亡的过程中,通过荧光共聚焦显微镜可以实时获取到染料的荧光信号,实现了对细胞凋亡过程的实时原位监测,且荧光信号在模拟生理条件下不受谷胱甘肽的干扰。因此,GNPSe-Casp是实时监测肿瘤细胞凋亡过程中Caspase级联激活的有效工具。这种设计策略同样适用于其它信号分子的原位检测,特别是那些具有上下游激活关系的信号分子。2、基于金硒键,我们将特异性识别肿瘤细胞的RGD及特异性识别caspase-9的肽链修饰到金纳米棒表面,构建了治疗与示踪双功能探针,且该探针在长时间体内循环过程中不受谷胱甘肽的干扰。为了比较,我们同时构建了金硫纳米荧光探针(RGD@AuNRs-Sepeptide-FITC)和金硒纳米荧光探针(RGD@AuNRs-Se-peptide-FITC)。利用金硒探针实现了在小鼠体内长时间循环过程中避免高水平硫醇复合物的干扰,探针精准靶向肿瘤区域并获得高保真荧光信号。金硒纳米探针对比金硫纳米探针具有显著的抗生物硫醇干扰的优势。RGD肽由精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(Arg-Gly-Asp)序列的肽链组成,通过其靶向肿瘤细胞后,用特定波长的近红外光照射肿瘤区域,实现了金纳米棒对近红外光的超强吸收,并能将光能转化为热能,杀死肿瘤细胞。同时细胞在凋亡过程中上游释放的Casp ase-9蛋白打断肽链,绿色荧光恢复。通过对该探针实现了精准靶向肿瘤区域的光热治疗及肿瘤细胞凋亡程度的示踪,且长时间体内循环不受生物硫醇干扰。