在细胞水平上研究重要生物分子的表达水平有利于帮助我们了解生命的本质、疾病的发生机制和发展过程从而找到合适的治疗策略。近年来,研究并建立肿瘤等重大疾病的早期诊断和分析方法吸引了众多研究人员的研究兴趣。核酸探针因易于合成、具备良好的生物相容性、易于官能化修饰以及碱基之间特异的互补配对原则成为研究细胞生命过程的优良工具。在现有的各种核酸信号放大技术基础之上,本文基于核酸分子等温信号放大技术—催化发夹组装反应(Catalytic Hairpin Assembly,CHA)以及反义核酸技术建立了生物传感新方法用于肿瘤细胞中两种肿瘤标志物(microRNA-21和端粒酶)的高灵敏成像以及相应的成像指导治疗。主要研究内容如下:(1)基于催化发夹组装构建能实现microRNA(miRNA)检测和相应下游基因敲除的核酸探针。细胞内多种miRNA的表达水平与肿瘤的发生紧密相关,建立有效的方法实现细胞内miRNA的检测有助于肿瘤的早期诊断并提供合适的治疗方案以延长患者的生存期。但是由于细胞内的miRNA表达水平通常较低,实现这些低表达的miRNA检测在当前仍然具有极大的挑战。第二章中,我们结合反义基因治疗技术和传统的CHA技术设计了一种能实现诊疗一体化的核酸探针。我们使用生物相容性良好的链霉亲和素(Streptavidin,SA)作为载体,利用生物素(Biotin)与SA之间高特异性的结合将标记了生物素的DNA序列H1和H2分别连接到SA上构建了2种DNA四分体。通过独特的内吞机制,DNA四分体可以进入细胞。在细胞内miRNA-21作用下,两种四分体上的探针之间的杂交反应能够被引发而释放荧光共振能量转移(Fluorescence resonance energy transfer,FRET)信号,同时杂交产物暴露出原来隐藏在两条核酸序列中的反义序列,因而能够将miRNA-21下游的相关基因Bcl-2的mRNA通过RNase H的作用而敲除。该方法有潜力应用于细胞内其他肿瘤相关的基因的检测和相应下游基因的敲除而实现癌症诊疗。(2)构建能实现端粒酶放大检测的催化发夹组装核酸探针。端粒酶由模板RNA和其逆转录酶的催化亚单元组成,是一种常见、可靠的肿瘤标记物。第三章中,我们利用端粒酶特异性识别并延长底物序列的特点结合核酸催化发夹组装发展了一种细胞内端粒酶含量检测的新方法。我们将端粒酶延伸产物作催化发夹组装的引发链,设计并优化出了CHA底物两条发夹序列H1和H2。将底物和引发序列通过转染进细胞后,细胞内的端粒酶会结合其底物序列并延伸该序列形成CHA的引发链,从而引发两条底物H1和H2之间的杂交。这使得原来标记在H1发夹上的荧光基团和猝灭基团之间相互远离而荧光恢复。我们发展的这种方法实了端粒酶的高灵敏检测。活细胞成像结果表明,该方法能够应用于不同细胞系内端粒酶的成像。