“GPS”策略：實(shí)現(xiàn)活體深層組織腫瘤靶向零背景光聲成像
文章來源：賢集網(wǎng)發(fā)布日期：2022-03-02瀏覽次數(shù)：196 近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院生物醫(yī)學(xué)與健康工程研究所劉成波團(tuán)隊(duì)、合成生物學(xué)研究所和深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院嚴(yán)飛團(tuán)隊(duì)、生物醫(yī)學(xué)與健康工程研究所儲(chǔ)軍團(tuán)隊(duì)，與美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校Jonathan Sessler團(tuán)隊(duì)合作，在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上發(fā)表題為Background-suppressed tumor-targeted photoacoustic imaging using bacterial carriers的文章。相關(guān)研究實(shí)現(xiàn)了活體深層組織腫瘤靶向零背景光聲成像。夜晚能夠欣賞繁星點(diǎn)點(diǎn)、月光皎潔的美麗夜空，但到了白天，月亮和星星看不見了，并不是它們消失了，而是由于白天太陽光強(qiáng)烈，月亮和星星被淹沒在強(qiáng)烈的陽光背景中。對(duì)于生物成像來說，也是同樣道理。在光聲成像中，體內(nèi)血紅蛋白分子產(chǎn)生強(qiáng)烈的背景信號(hào)，導(dǎo)致其他分子成像的靈敏度和特異性受到很大局限，這些分子被淹沒在血液的強(qiáng)背景中。具有光開關(guān)特性的基因編碼蛋白，為解決該問題提供了一種思路。這種蛋白能夠在開關(guān)兩種狀態(tài)成像，通過差分有效去除血液背景。但該方法至今無法得到實(shí)際應(yīng)用，只能在概念層面實(shí)現(xiàn)差分成像效果。基于細(xì)菌遞送體系的腫瘤靶向成像示意圖基因編碼開關(guān)蛋白在ON、OFF兩種狀態(tài)下，小鼠腫瘤區(qū)域光聲成像結(jié)果，以及二者差值實(shí)現(xiàn)背景噪音抑制結(jié)果該研究提出了一種“GPS”策略，為基因編碼開關(guān)蛋白真正走向活體應(yīng)用提供了思路。在GPS方法中，G代表基因編碼開關(guān)蛋白（Genetically Encoded Switchable Protein）、P代表光聲成像（Photoacoustic Imaging）、S代表合成生物學(xué)（Synthetic Biology）。研究人員設(shè)計(jì)合成出F469W基因編碼蛋白，利用遺傳編碼規(guī)則，將該蛋白基因質(zhì)粒轉(zhuǎn)染到大腸桿菌E.coli MG1655中，利用該細(xì)菌對(duì)腫瘤缺氧微環(huán)境的靶向特性，將開關(guān)蛋白基因靶向遞送至腫瘤區(qū)域，通過基于光開關(guān)的光聲成像方法抑制血液背景噪音實(shí)現(xiàn)腫瘤內(nèi)細(xì)菌的定位與光聲成像。該方法將基因編碼開關(guān)蛋白、光聲成像和合成生物學(xué)進(jìn)行整合，為細(xì)菌等活細(xì)胞在體光聲成像提供了全新范式，具有以下優(yōu)勢(shì)：通過光開關(guān)蛋白信號(hào)差分的策略消除了血液背景信號(hào)的干擾，提高了光開關(guān)蛋白探針檢測(cè)的靈敏度和特異性；用細(xì)菌載體的腫瘤內(nèi)靶向歸巢能力，為腫瘤內(nèi)基因藥物的可視化靶向遞送提供了新手段；腫瘤內(nèi)缺氧與免疫抑制微環(huán)境使細(xì)菌能夠在腫瘤內(nèi)增殖，避免了傳統(tǒng)分子探針在體內(nèi)快速清除的局限性，成像后可用鏈霉素清除體內(nèi)細(xì)菌，不僅安全可控，還可實(shí)現(xiàn)腫瘤內(nèi)細(xì)菌的長(zhǎng)時(shí)程成像，為研究腫瘤內(nèi)細(xì)菌生長(zhǎng)消亡規(guī)律提供了新視角。光聲成像伴隨診斷檢測(cè)肺癌微小轉(zhuǎn)移肺癌是美國(guó)男性和女性癌癥死亡的主要原因，占所有癌癥死亡人數(shù)的近25%。現(xiàn)在，研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種基于谷胱甘肽分子的微調(diào)分子制劑，可以靶向肺癌和其他癌細(xì)胞進(jìn)行成像和治療。他們描述了一種基于光聲成像的伴隨診斷方法，用于在肺癌模型和活體小鼠中選擇性檢測(cè)升高的谷胱甘肽（GSH）。這項(xiàng)工作發(fā)表在《Nature Chemistry》上的一篇題為“Photoacoustic imaging of elevated glutathione in models of lung cancer for companion diagnostic applications”的論文中。谷胱甘肽在大多數(shù)細(xì)胞中含量豐富。由于其普遍存在，它一直不是化療等治療的良好靶點(diǎn)。研究小組通過采用物理有機(jī)化學(xué)方法來精確調(diào)節(jié)反應(yīng)性，以區(qū)分正常和病理狀態(tài)，從而解決了這一問題。“開發(fā)診斷工具或靶向藥物的大問題之一是脫靶效應(yīng)?！币晾Z伊大學(xué)香檳分校化學(xué)副教授Jefferson Chan博士說，他與研究生Melissa Lucero進(jìn)行了這項(xiàng)研究。“當(dāng)你給病人化療時(shí)，這有點(diǎn)像一場(chǎng)軍備競(jìng)賽：你在殺死癌細(xì)胞，但你也在殺死身體的其他部分，因?yàn)樵S多事情都是相似的。我們使用一種獨(dú)特的化學(xué)方法來調(diào)節(jié)我們分子的反應(yīng)性，因此我們的目標(biāo)是通常被認(rèn)為是不好的生物標(biāo)志物?！?/span>
研究人員調(diào)整了分子的動(dòng)態(tài)范圍，使其在健康條件下不會(huì)與谷胱甘肽發(fā)生反應(yīng)，但會(huì)與癌細(xì)胞產(chǎn)生的過量谷胱甘肽發(fā)生反應(yīng)。他們將靶向分子與一種光聲成像試劑配對(duì)，這樣他們就可以看到它的反應(yīng)位置，并驗(yàn)證它是否靶向肺癌。顯像劑對(duì)光線作出反應(yīng)，并發(fā)出可由超聲換能器拾取的聲音信號(hào)。
“這是一種入光、出聲的技術(shù)。與傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)成像相比，它具有很多優(yōu)勢(shì)。這種成像功能強(qiáng)大，因?yàn)樗姆直媛?、安全性以及與這些設(shè)計(jì)分子相互作用的能力，這些分子在分子水平上告訴我們?nèi)绱硕嗟男畔?。”研究人員說，“有手持式和腹腔鏡照明設(shè)備可以與醫(yī)院的超聲波機(jī)器無縫集成，因此我們知道，當(dāng)我們開發(fā)出這樣的分子時(shí)，就會(huì)有臨床應(yīng)用?！?/span>
該系統(tǒng)區(qū)分了健康細(xì)胞和癌細(xì)胞。為了評(píng)估診斷潛力，使用光聲探針對(duì)活體小鼠進(jìn)行了一項(xiàng)盲法研究，以確定隊(duì)列中哪些小鼠患有肺癌腫瘤。研究人員說，這項(xiàng)研究標(biāo)志著光聲成像成功應(yīng)用于肺組織。
然后，研究人員探索了他們的靶向方法是否可用于直接向癌細(xì)胞部位提供治療，從而消除化療和其他癌癥治療的大缺點(diǎn)：對(duì)全身的毒性。
他們發(fā)明了一種前藥PARx，它將靶向成像探針與一種強(qiáng)大的化療藥物相結(jié)合，并在小鼠身上進(jìn)行了測(cè)試。他們發(fā)現(xiàn)PARx抑制了腫瘤生長(zhǎng)，而小鼠沒有出現(xiàn)脫靶毒性作用的跡象或癥狀，如體重減輕或肝損傷。相比之下，一組接受對(duì)照而非藥物治療的小鼠在三周的治療過程中出現(xiàn)了顯著的腫瘤生長(zhǎng)。
“我們發(fā)現(xiàn)，我們可以使用高劑量或頻繁劑量的藥物，而不會(huì)產(chǎn)生脫靶效應(yīng)?！毖芯咳藛T說，“然后我們?cè)谄渌R床相關(guān)的小鼠模型中進(jìn)行了更多實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)并治療已經(jīng)轉(zhuǎn)移到肝臟的癌癥以及原發(fā)性腫瘤，這表明這種方法具有廣泛應(yīng)用的潛力?！?/span>
下一步，研究人員正在努力進(jìn)一步提高選擇性和檢測(cè)能力，以便他們能夠檢測(cè)身體任何部位的微轉(zhuǎn)移或癌細(xì)胞擴(kuò)散的微小簇。他們還希望將他們的方法應(yīng)用于其他生物標(biāo)志物，為其他癌癥創(chuàng)造微調(diào)的靶向分子。
“當(dāng)你針對(duì)像肺癌這樣的疾病時(shí)，這對(duì)很多人來說都是死刑，你知道應(yīng)該可以在早期階段，在癥狀出現(xiàn)之前，通過簡(jiǎn)單地尋找正確的生物標(biāo)志物來診斷它?！毖芯咳藛T說，“現(xiàn)在我們有了能夠診斷它的第一步，也有了治療的希望，因?yàn)橥ㄟ^使用化學(xué)，我們可以對(duì)抗這些藥物的毒性，實(shí)際上使它們可以安全地用于一般應(yīng)用?！?/span>
