目前,恶性肿瘤发病率呈逐年上升的趋势并且死亡率居高不下,严重威胁着人类的健康和生命。据研究报道,90%的癌症病人死亡是由肿瘤转移所引起的。然而任何事物的发生与发展都是由内外因素共同作用的结果,同样肿瘤转移也取决于肿瘤组织本身和周围正常组织。肿瘤组织分为肿瘤细胞和肿瘤细胞所处的微环境两部分。以往的研究主要关注肿瘤细胞本身,而现代研究表明肿瘤微环境直接影响着肿瘤细胞的生长和增殖并且在肿瘤转移中发挥着非常重要的作用。肿瘤细胞分裂增殖异常以及肿瘤部位新生血管结构紊乱是导致实体瘤中普遍存在缺氧的两大原因。研究者发现肿瘤细胞与正常细胞最明显的区别之一就是肿瘤细胞长期处于缺氧的生存环境,这必将会引起肿瘤细胞与正常细胞生理或功能上的差异。分析和检测缺氧条件下肿瘤细胞内的变化,为缺氧相关的临床研究提供可靠的工具以及进一步提高抗癌药物的筛选和优化具有十分重要的研究意义。本论文以表面增强拉曼散射(SERS)、荧光成像技术作为主要的分析和检测手段,结合纳米材料的优势,构建了一系列还原酶激活的功能化纳米探针用于分析和检测缺氧微环境中肿瘤细胞内的变化。具体内容如下:(1)设计并合成了激活式SERS纳米探针用于检测缺氧条件下肺癌细胞内pH。在第二章中,我们将对硝基苯硫酚(4-NTP)通过Au-S键修饰在具有增强拉曼散射的金纳米棒(AuNRs)表面,得到了缺氧激活的SERS纳米探针。在缺氧的肿瘤细胞内,硝基还原酶(NTR)在烟酰胺腺嘌呤二核苷酸二钠盐(NADH)提供电子的作用下,能够将硝基苯化合物还原为pH敏感的氨基苯,从而实现了缺氧条件下肺癌细胞内pH的检测。(2)很多因素能够诱导线粒体自噬,在第三章中,我们设计合成了偶氮还原酶响应的胶束(MCM@TATp)内部包裹线粒体自噬指示剂(Mito-rHP)用于缺氧诱导线粒体自噬特异性成像。在缺氧肿瘤细胞中,MCM@TATp中的偶氮苯被偶氮酶还原引起胶束降解,释放出具有靶向线粒体和响应pH的Mito-rHP。当受损的线粒体与溶酶体发生融合,线粒体内pH降低导致Mito-rHP荧光恢复,实现了缺氧条件下线粒体自噬程度的评估。(3)为了能对缺氧诱导的线粒体自噬进行便捷的荧光成像,在第四章中,我们设计合成了缺氧和线粒体自噬双激活的荧光探针分子MiAzoR用于缺氧诱导线粒体自噬成像。该探针分子在结构可调的罗丹明衍生物上同时修饰缺氧和H~+响应的识别位点以及线粒体靶向基团,只有在缺氧和线粒体自噬同时满足的情况下才能产生荧光信号,实现了缺氧条件下线粒体自噬的成像监测。(4)传统的SERS方法是拉曼报告分子直接暴露于复杂的生物体环境中,该方法会引起SERS信号的不稳定,限制了它的进一步应用。在第五章中,我们通过结合结构稳定的SERS报告标签和双链特异性核酸酶(DSN)设计新型SERS分析策略用于缺氧肿瘤细胞外泌体中miRNA的含量分析。SERS传感体系由信号报告单元(ARANPs)、识别单元(CP)、分离单元(SiMBs)三部分组成。当体系中存在目标物miRNA时,miRNA与CP形成异质双链,此时DSN降解CP,释放ARANPs和完整的miRNA。miRNA继续参与下一次反应,经过多次循环反应,SERS信号显著增强,从而实现了缺氧肿瘤细胞外泌体中miRNA的含量分析。以上研究了缺氧条件下肿瘤细胞内发生的变化,为设计缺氧相关的探针提供了有价值的指导思想。通过缺氧细胞内高表达的还原性物质激活探针,从而检测某细胞内物质或者组分的变化,这些设计理念具有一定的通用性和拓展前景。