随着肿瘤对人类生命健康的威胁不断加剧,人们对肿瘤的探索与认识逐渐深入,为了获取与肿瘤的发生发展息息相关的蛋白质、核酸和生物小分子的信息,需要发展准确、高效以及灵敏的分析策略以满足当前肿瘤诊疗的需求。近年来,由于纳米材料和DNA自组装纳米结构优异的生物物理和生物化学性质、生物相容性、分子识别性能和高度可控编程等优势,使其成为生物医学检测、临床诊断和环境监测等多个研究领域的热点,为发展新型的纳米生物传感器提供了新的研究思路和平台。本研究论文将纳米材料或DNA自组装纳米技术与肿瘤诊疗学结合,针对目前生物纳米医学领域的研究重心,致力于解决信号激活、信号放大、靶向识别和特异性治疗等难题和挑战,建立了几种新型的纳米诊疗平台用于肿瘤微环境中过氧化氢（H2O2）、活细胞和组织中谷胱甘肽（GSH）以及不同细胞系中micro RNA的检测,实现了对肿瘤标志物的分析检测、活细胞及组织的成像诊断以及肿瘤的化学动力学治疗。论文的具体研究内容概括如下:利用类芬顿（Fenton）反应特异性的将过氧化氢（H2O2）转变成高毒性羟基自由基（·OH）的化学动力学治疗（CDT）在新一代肿瘤的精准治疗方面起到了举足轻重的引导作用。而当前报道的研究方法往往存在难以实时监测CDT过程或者在复杂生物体系中稳定性差等问题。因此,在第2章中,我们首次构建了一种新颖的银纳米粒子（Ag NPs）介导类Fenton反应的催化纳米体系用于肿瘤诊疗,通过吸附在氧化石墨烯（GO）表面的荧光基团标记的部分互补双链DNA（TAMRA-DNA）直接引导Ag NPs的合成,从而得到催化纳米体系（Ag NPs-TAMRA-DNA@GO）,由于GO和Ag NPs的双重猝灭效应,使得TAMRA-DNA的荧光被极大地猝灭。当该催化纳米体系进入细胞后,肿瘤细胞中高表达的H2O2与Ag NPs发生类Fenton反应而产生·OH,高效刻蚀Ag NPs并将TAMRA-DNA切割成小的DNA片段,从而使得体系的荧光恢复。此外,生成的·OH和Ag+会同时诱导肿瘤细胞凋亡,从而达到双重凋亡的目的,因此,该催化纳米体系能够实现激活式荧光成像以及高效CDT和Ag+诱导的协同治疗,为肿瘤的成像和治疗建立了一个有价值的平台。具有双光子吸收（TPA）特性的量子点（QDs）在生物分子检测和生物医学成像方面具有重要的应用价值,能够直接作为细胞內吞的示踪剂以及用于特定细胞器的荧光标记。然而,为了赋予QDs靶向性或相关的生物学功能,需要在QDs表面进一步功能化生物活性分子,以满足特定的生物成像应用的需求。对于大多数功能化QDs,其表面的活性基团都是通过生物偶联的方法后连接上去的,而且合成过程繁琐,偶联效率低以及存在其他的偶联副反应,这在一定程度上限制了其效率和产率。因此,在第3章中,我们以氨基苯硼酸（APBA）为单体,通过自聚反应合成了含苯硼酸基团的氨基苯硼酸量子点（APBA QDs）。APBA QDs不仅具有双光子荧光性质,还可以靶向肿瘤细胞膜上过表达的唾液酸（SA）,通过氧化还原反应在APBA QDs表面一步原位生长Mn O2纳米片,得到APBA QDs@Mn O2纳米复合物。由于Mn O2纳米片优异的荧光猝灭能力,APBA QDs的荧光会得到有效猝灭。而纳米复合物在苯硼酸基团与SA之间的特异性识别作用下更多的內吞进入肿瘤细胞,细胞质中高浓度的GSH会将Mn O2纳米片还原为Mn2+,导致Mn O2纳米片分解,并恢复APBA QDs的荧光,从而实现肿瘤细胞和组织中GSH高灵敏和高选择性的激活式双光子荧光成像。框架核酸（FNAs）是一类具有独特生物理化性质的刚性DNA纳米结构（如金字塔,四面体和折纸）,基于框架核酸的纳米探针对于细胞内生物分子的检测显示出巨大的潜力。然而,当前建立可以在单个检测体系中同时解决稳定性、灵敏度和一致性等问题的一体化DNA分子探针,在很大程度上仍然是一个尚未解决的挑战。因此,在第4章中,我们将非活性的劈开型DNAzyme组装在一个DNA三棱柱反应器中构建了一类新型的一体化DNA纳米机器,当目标micro RNA-21（mi R-21）存在时,能够触发非活性DNAzyme构象发生重排并转化成具有酶催化活性的DNAzyme结构,从而对标记有荧光基团和猝灭基团的底物链进行切割使其荧光恢复。与此同时,目标mi R-21会被释放出来并激活另一个非活性的纳米机器,使得DNAzyme催化反应不断循环,并最终产生放大的荧光信号。此外,基于DNA三棱柱的DNAzyme级联循环纳米机器易于模块化设计和组装,具有生物稳定性高、细胞毒性小以及细胞內吞效率高等优良性质,能够准确有效地监测活细胞中mi R-21的表达水平。因此,我们所开发的纳米机器有望为肿瘤诊断和相关生物学研究提供一个可靠而强大的纳米平台。作为一类小的非编码RNA分子,micro RNAs（mi RNAs）具有调节基因表达的功能,在许多生命体活动过程中发挥着重要的作用。据报道,mi RNAs的异常表达与许多疾病的发生密切相关,暗示了其作为疾病生物标志物在诊断、治疗和预后中的重要性。由于沃森-克里克碱基配对的高度特异性和DNA自组装的可预测性,自组装DNA分子纳米器件受到了广泛的关注,基于DNA纳米结构的生物传感平台可以显著提高DNA链置换反应的动力学和效率,有利于低丰度肿瘤相关mi RNAs的定量检测和成像,考虑到DNA分子纳米机器的内在优势,第5章中,我们通过在自组装的三维DNA纳米结构上杂交发夹探针,开发了一个制备简单、成本低的DNA纳米放大器,由于DNA纳米结构上局域催化发夹级联反应的进行,使得反应动力学加快,反应效率提高,从而实现活细胞中肿瘤相关mi RNA的高效和高灵敏放大成像。与传统的催化发夹组装反应相比,我们所提出的DNA纳米放大器能够显著提高目标mi RNA触发的反应速率和效率。同时,该DNA纳米放大器具有优异的细胞穿透能力、生物稳定性和生物相容性,因此,确保了我们所构建的无酶DNA纳米放大器用于可靠且高效细胞内mi RNA检测的可行性,为肿瘤相关疾病的诊疗提供了一个潜在的检测工具。