“GPS”策略：实现活体深层组织肿瘤靶向零背景光声成像
文章来源：贤集网发布日期：2022-03-02浏览次数：146 近日，中国科学院深圳先进技术研究院生物医学与健康工程研究所刘成波团队、合成生物学研究所和深圳合成生物学创新研究院严飞团队、生物医学与健康工程研究所储军团队，与美国德克萨斯大学奥斯汀分校Jonathan Sessler团队合作，在《美国国家科学院院刊》上发表题为Background-suppressed tumor-targeted photoacoustic imaging using bacterial carriers的文章。相关研究实现了活体深层组织肿瘤靶向零背景光声成像。夜晚能够欣赏繁星点点、月光皎洁的美丽夜空，但到了白天，月亮和星星看不见了，并不是它们消失了，而是由于白天太阳光强烈，月亮和星星被淹没在强烈的阳光背景中。对于生物成像来说，也是同样道理。在光声成像中，体内血红蛋白分子产生强烈的背景信号，导致其他分子成像的灵敏度和特异性受到很大局限，这些分子被淹没在血液的强背景中。具有光开关特性的基因编码蛋白，为解决该问题提供了一种思路。这种蛋白能够在开关两种状态成像，通过差分有效去除血液背景。但该方法至今无法得到实际应用，只能在概念层面实现差分成像效果。基于细菌递送体系的肿瘤靶向成像示意图基因编码开关蛋白在ON、OFF两种状态下，小鼠肿瘤区域光声成像结果，以及二者差值实现背景噪音抑制结果该研究提出了一种“GPS”策略，为基因编码开关蛋白真正走向活体应用提供了思路。在GPS方法中，G代表基因编码开关蛋白（Genetically Encoded Switchable Protein）、P代表光声成像（Photoacoustic Imaging）、S代表合成生物学（Synthetic Biology）。研究人员设计合成出F469W基因编码蛋白，利用遗传编码规则，将该蛋白基因质粒转染到大肠杆菌E.coli MG1655中，利用该细菌对肿瘤缺氧微环境的靶向特性，将开关蛋白基因靶向递送至肿瘤区域，通过基于光开关的光声成像方法抑制血液背景噪音实现肿瘤内细菌的定位与光声成像。该方法将基因编码开关蛋白、光声成像和合成生物学进行整合，为细菌等活细胞在体光声成像提供了全新范式，具有以下优势：通过光开关蛋白信号差分的策略消除了血液背景信号的干扰，提高了光开关蛋白探针检测的灵敏度和特异性；用细菌载体的肿瘤内靶向归巢能力，为肿瘤内基因药物的可视化靶向递送提供了新手段；肿瘤内缺氧与免疫抑制微环境使细菌能够在肿瘤内增殖，避免了传统分子探针在体内快速清除的局限性，成像后可用链霉素清除体内细菌，不仅安全可控，还可实现肿瘤内细菌的长时程成像，为研究肿瘤内细菌生长消亡规律提供了新视角。光声成像伴随诊断检测肺癌微小转移肺癌是美国男性和女性癌症死亡的主要原因，占所有癌症死亡人数的近25%。现在，研究人员已经开发出一种基于谷胱甘肽分子的微调分子制剂，可以靶向肺癌和其他癌细胞进行成像和治疗。他们描述了一种基于光声成像的伴随诊断方法，用于在肺癌模型和活体小鼠中选择性检测升高的谷胱甘肽（GSH）。这项工作发表在《Nature Chemistry》上的一篇题为“Photoacoustic imaging of elevated glutathione in models of lung cancer for companion diagnostic applications”的论文中。谷胱甘肽在大多数细胞中含量丰富。由于其普遍存在，它一直不是化疗等治疗的良好靶点。研究小组通过采用物理有机化学方法来精确调节反应性，以区分正常和病理状态，从而解决了这一问题。“开发诊断工具或靶向药物的大问题之一是脱靶效应。”伊利诺伊大学香槟分校化学副教授Jefferson Chan博士说，他与研究生Melissa Lucero进行了这项研究。“当你给病人化疗时，这有点像一场军备竞赛：你在杀死癌细胞，但你也在杀死身体的其他部分，因为许多事情都是相似的。我们使用一种独特的化学方法来调节我们分子的反应性，因此我们的目标是通常被认为是不好的生物标志物。”研究人员调整了分子的动态范围，使其在健康条件下不会与谷胱甘肽发生反应，但会与癌细胞产生的过量谷胱甘肽发生反应。他们将靶向分子与一种光声成像试剂配对，这样他们就可以看到它的反应位置，并验证它是否靶向肺癌。显像剂对光线作出反应，并发出可由超声换能器拾取的声音信号。“这是一种入光、出声的技术。与传统医学成像相比，它具有很多优势。这种成像功能强大，因为它的分辨率、安全性以及与这些设计分子相互作用的能力，这些分子在分子水平上告诉我们如此多的信息。”研究人员说，“有手持式和腹腔镜照明设备可以与医院的超声波机器无缝集成，因此我们知道，当我们开发出这样的分子时，就会有临床应用。”该系统区分了健康细胞和癌细胞。为了评估诊断潜力，使用光声探针对活体小鼠进行了一项盲法研究，以确定队列中哪些小鼠患有肺癌肿瘤。研究人员说，这项研究标志着光声成像成功应用于肺组织。然后，研究人员探索了他们的靶向方法是否可用于直接向癌细胞部位提供治疗，从而消除化疗和其他癌症治疗的大缺点：对全身的毒性。他们发明了一种前药PARx，它将靶向成像探针与一种强大的化疗药物相结合，并在小鼠身上进行了测试。他们发现PARx抑制了肿瘤生长，而小鼠没有出现脱靶毒性作用的迹象或症状，如体重减轻或肝损伤。相比之下，一组接受对照而非药物治疗的小鼠在三周的治疗过程中出现了显著的肿瘤生长。“我们发现，我们可以使用高剂量或频繁剂量的药物，而不会产生脱靶效应。”研究人员说，“然后我们在其他临床相关的小鼠模型中进行了更多实验，发现并治疗已经转移到肝脏的癌症以及原发性肿瘤，这表明这种方法具有广泛应用的潜力。”下一步，研究人员正在努力进一步提高选择性和检测能力，以便他们能够检测身体任何部位的微转移或癌细胞扩散的微小簇。他们还希望将他们的方法应用于其他生物标志物，为其他癌症创造微调的靶向分子。“当你针对像肺癌这样的疾病时，这对很多人来说都是死刑，你知道应该可以在早期阶段，在症状出现之前，通过简单地寻找正确的生物标志物来诊断它。”研究人员说，“现在我们有了能够诊断它的第一步，也有了治疗的希望，因为通过使用化学，我们可以对抗这些药物的毒性，实际上使它们可以安全地用于一般应用。” 
