一种基于功能核酸的近红外二区纳米材料及其制备方法与应用

本发明属于生物医学，具体涉及一种基于功能核酸的近红外二区纳米材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、近年来，近红外二区(nir-ii，1000-1700nm)的无创体内诊疗迅速成为基础生物学研究和疾病诊疗的有力手段。与常用的nir-i窗口(700-900nm)相比，nir-ii窗口具有更小的自身荧光、更少的组织散射以及更深的组织穿透等优点。由于上述优点，各种nir-ii材料相继被开发出来，例如有机荧光团、碳纳米管、稀土纳米粒子和半导体分子结构。尽管nir-ii窗口的使用对现有的临床实践产生深远的影响，但目前的nir-ii材料仍存在很多需要解决的挑战。具体来说，应考虑到几个关键需求的标准：(i)具有良好的nir-ii光学性能，特别是在1000-1350nm范围内，可加深组织穿透并降低背景噪声；(ii)精确控制结构和表面化学性质，以产生均匀的结构，并开展生物体内生物相互作用的基础研究；(iii)有利的药代动力学，在生物成像中首选快速肾脏清除，以尽量减少长期滞留造成的不良影响。然而，在治疗过程中，延长循环时间是对病理组织积累增强的普遍追求；和(iv)促进评估转化应用。

2、dna编码策略凭借其化学计量、正交性和可重构性一方面允许精确地操纵分子尺度上的结构和物理化学性质。此外，dna链中功能的模块化集成可以通过亚酰胺磷化学法来实现。另一方面，dna表现出多种生物活性，如对广谱靶标(如离子、分子和蛋白质)的特异性识别和催化作用，促进了多功能纳米结构的构建，同时避免了复杂的分子设计或修饰。但是传统利用dna模板法构建的纳米材料的荧光或者吸收基本集中在紫外、可见光、近红外一区，鲜有将材料的荧光或吸收调控到近红外二区，并且不能给出一种通用、简单的方法来构建不同价态的纳米结构和组装体。因此，通过dna编码策略，设计研发一种具有高组织穿透性、优异的光热性能、低毒性且具备nir-iia成像和治疗的近红外二区纳米材料很有必要。

技术实现思路

1、本发明的目的之一在于提供一种基于功能核酸的近红外二区纳米材料，该纳米材料具有良好的生物相容性、较高的近红外二区光热转化效率、优异的荧光成像或光声成像效果以及近红外二区肿瘤光热治疗效果。

2、本发明的目的之二在于提供所述纳米材料的制备方法。

3、本发明的目的之三在于提供所述纳米材料的应用。

4、为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

5、本发明提供的这种基于功能核酸的近红外二区纳米材料，所述近红外二区纳米材料为ag2s-dna量子点及其组装体、cus-dna量子点及其组装体中的任意一种；所述ag2s-dna量子点或cus-dna量子点包括具有拓扑结构的dna单链片段以及修饰在所述dna单链片段上的硫化银或硫化铜；所述具有拓扑结构的dna单链片段由具有y型结构的人工碱基与天然碱基偶联而成；所述具有y型结构的人工碱基的结构通式如下式所示：

6、

7、其中，r为n≥1，n为整数。

8、优选的，所述ag2s-dna量子点的尺寸大小为2.40～4.99nm；所述cus-dna量子点的尺寸大小为3.5-6.5nm。

9、优选的，所述ag2s-dna量子点的荧光激发波长为808nm，荧光发射波长为1000-1700nm。

10、优选的，所述cus-dna量子点的近红外二区吸收波长为1000-1300nm。

11、需要说明的是，所述具有拓扑结构的dna单链片段的碱基序列可根据需求进行设计。

12、优选的，所述具有拓扑结构的dna单链片段的碱基序列中含有模板区域，所述模板区域含有3～20个连续的胞嘧啶或胸腺嘧啶。连续的胞嘧啶或胸腺嘧啶数例如可以为3、5、10、15或20等。

13、优选的，所述具有y型结构的人工碱基通过亚磷酰胺化学方法合成。

14、所述ag2s-dna量子点或cus-dna量子点的制备方法，包括如下步骤：

15、1)获得所述具有y型结构的人工碱基；

16、2)利用固相合成法将步骤1)所述的具有y型结构的人工碱基与天然碱基偶联，得到具有拓扑结构的dna单链片段；

17、3)将步骤2)得到的具有拓扑结构的dna单链片段与含ag+或cu2+的溶液混合，然后加入含s2-的溶液，反应得到所述ag2s-dna量子点或cus-dna量子点。

18、优选的，步骤2)中，所述具有y型结构的人工碱基与天然碱基偶联的时间为100-500秒。

19、优选的，所述步骤3)还包括：将具有拓扑结构的dna单链片段与含ag+或cu2+的溶液混合后，在20℃～30℃下搅拌0.5-2小时，再于4-25℃放置8-16h，随后向反应液中加入含s2-的溶液，反应得到所述ag2s-dna量子点或cus-dna量子点。

20、本发明凭借胞嘧啶或者胸腺嘧啶对银离子或铜离子的特异性吸附作用，在具有拓扑结构的dna单链片段的模板区引入银离子或铜离子，然后在外加s2-的作用下原位形成具有近红外二区发射的ag2s-dna量子点和近红外二区吸收的cus-dna量子点。

21、优选的，步骤3)中，所述含ag+或cu2+的溶液中，其中ag+或cu2+的浓度为1～3mg/ml。

22、进一步的，步骤3)中，所述具有拓扑结构的dna单链片段与ag+或cu2+的摩尔比为1:20～1:100。

23、优选的，步骤3)中，所述含s2-的溶液中，s2-的浓度为1～3mg/ml。

24、进一步地，步骤3)中向反应液中加入含s2-的溶液后，若制备ag2s-dna量子点，则将反应温度控制在4-30℃；若制备cus-dna量子点，则将反应温度控制在80-100℃。

25、所述ag2s-dna量子点的组装体或cus-dna量子点的组装体的制备，包括如下步骤：将所述ag2s-dna量子点或cus-dna量子点与dna linker链按摩尔比1:10～1:30的比例在4-37℃组装0.5-2h，得到ag2s-dna量子点的组装体或cus-dna量子点的组装体。

26、在一些具体的实施方式中，所述dna linker链由等比例的部分互补的dna链和i-motif dna链孵育而成，所述dna链的核苷酸序列(5’-3’)为agtatagggtcgtcgtcgtcg，如seqid no:11所示；所述i-motifdna链的核苷酸序列(5’-3’)为ccctaaccctaaccctaaccctatacttcgtcgtcg tcg，如seq id no:12所示。

27、在一些具体的实施方式中，所述cus-dna量子点的组装体的尺寸大小为50-70nm。

28、所述cus-dna量子点的组装体具有ph响应性以及近红外二区光热性能。

29、本发明所述近红外二区纳米材料在近红外二区成像或在制备近红外二区深层光热治疗药物中的应用。

30、所述ag2s-dna量子点及其组装体在近红外二区荧光成像中的应用。

31、所述cus-dna量子点及其组装体在制备近红外二区深层光热治疗药物中的应用。

32、本发明的原理：本发明通过引入y型结构的人工碱基而构建具有拓扑结构的dna单链片段，利用dna碱基对于金属离子特异性的吸附能力原位形成具有近红外二区荧光性能和光热性能的ag2s-dna量子点以及具有近红外二区光热性能的cus-dna量子点，同时量子点的形貌和性能均能通过dna序列进行调控。在dnalinker的作用下量子点还能实现可控自组装。

33、与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：

34、1.本发明所采用的y型结构的人工碱基扩大了dna文库的范围，构建了具有拓扑结构的dna单链片段。

35、2.本发明采用dna为模板，不需要其他分散剂，一步法即可得到具有近红外二区荧光和/或光热性能的纳米材料，其结构和性质能够通过调控dna的序列实现。

36、3.本发明所制备的量子点的表面价态为三价，同时量子点可以在dna linker的作用下形成较大尺寸的组装体，能够在活体水平实现近红外二区的深层光热治疗。

37、4.本发明制备方法步骤简单、方便，可以按需定制具有近红外二区荧光或者光热性能的不同尺寸的量子点，可以通过dna linker实现自组装形成具有更多功能的组装体。

38、5.本发明提供的超小尺寸的ag2s-dna量子点能够快速的识别肿瘤区域，实现近红外二区的低背景成像效果；同时具有ph响应性的大尺寸cus-dna量子点的组装体延长了材料的血液循环时间，增加了肿瘤的富集效果，另外其在偏酸的肿瘤微环境下能够解组装成小尺寸的硫化铜颗粒，达到更深的组织渗透能力，实现更均匀的光热治疗效果。