生物纳米磁小体在乳腺癌分子影像与治疗中的应用研究

Breast cancer is highly heterogeneous disease at molecular level. Accurate diagnosis greatly benefits individualized treatment with increasing patient curable rate and reducing relapse rate. Investigating real time dynamic imaging and treatment agent of breast cancer will be very helpful to the development of individualized treatment. This project aims to employ magnetosome of magnetotactic bacterium to develop an theranostic probe with the ability of dual-model imaging, targeting specific biomarker of breast cancer and inhibiting its growth through gene technology. The current researches indicate that magnetosome of highly biocompatibility and biodegradation can be used as contrast agent of MRI while iRFP and nanobody are qualified for near-infrared imaging and tumor-targeting therapy, respectively. Therefore, using gene modified magnetotactic bacterium to produce magnetosome probe, on the surface of which breast cancer targeting and treatment nanobody and near-infrared protein will be displayed. This probe could be used as tumor-targeting dual-model imaging and treatment. After injection of the probe, MRI and near-infrared imaging could detect its distribution in tumor and other parts of the body, and reveal molecular phenotypes of breast cancer. Depending on accumulation of the probe in breast cancer, nanobody on the surface of the probe and its hyperthermia therapy under alternating magnetic field will efficiently inhibit the growth of tumor. This work will greatly contribute to developing theranostic and molecular imaging agent of breast cancer and promoting the clinical application of individualized treatment.

乳腺癌是分子水平上高度异质型的疾病，以精准诊断为基础的个体化治疗可以有效提高治愈率，降低复发率。开发实时动态分子影像诊疗一体化制剂是推动其广泛应用的关键。本项目拟通过基因工程技术在趋磁细菌中生产一种对乳腺癌具有分子靶向、双模成像和治疗功能的生物纳米磁小体诊疗探针。最新研究发现，生物相容性高、容易降解的生物纳米磁小体可以用于MR成像和肿瘤热疗，而iRFP蛋白和纳米抗体分别适用于近红外成像和肿瘤的靶向治疗。因此，利用基因修饰的趋磁细菌生产表面展示乳腺癌靶向治疗功能的纳米抗体和近红外荧光蛋白的纳米磁小体探针，可以实现对肿瘤的分子靶向双模成像和治疗。探针注射后，通过MR和近红外成像检测其在肿瘤和体内的分布规律，揭示乳腺癌的分子表型。探针表面的纳米抗体和交变磁场的下热疗作用可以有效抑制肿瘤的生长。本项目对研发诊疗一体化制剂，发展乳腺癌分子影像和促进个体化治疗方案的临床转化具有重要意义。

乳腺癌是一类分子水平上具有高度异质型的疾病，对于相同临床分期或者病理类型的患者采用同一治疗方案，其治疗效果和预后存在明显的差异。现代影像技术和纳米技术的发展使得实时精准的乳腺癌分子影像观测成为可能。针对肿瘤特异性抗原标志物设计靶向探针，可以实时观测乳腺癌的发展变化并进行治疗是实现个体化治疗。磁共振成像具有非侵入性和高分辨率的特点，是临床上重要成像工具。磁共振成像超敏磁共振成像需要超高r2值的对比剂，但是化学合成的磁纳米颗粒的r2弛豫率较低。生物纳米磁小体是趋磁细菌在基因的精确调控下生成的一种四氧化三铁类纳米颗粒，这种纳米颗粒尺寸小（直径为～42 nm）、高磁饱和度、超分散性、超顺磁性和较好生物相容性等特点，具有成为超高MR对比剂的潜力。本研究通过分析生物纳米磁小体的表面特征，提出了利用纳米颗粒表面的磷脂双分子层结构和主要膜蛋白MamC，通过基因技术和低频超声技术构建了具有HER2靶向性的生物纳米磁小体。借助于生物纳米磁小体表面磷脂双分子层中的MamC膜蛋白，Anti-HER2 配体被展示于生物纳米磁小体表面用于靶向细胞表面的HER2蛋白。体内和体外实验证明生物纳米磁小体具有超高的弛豫率（599.74 mM-1 s-1）、更好的分散性和HER2靶向能力。另外，在使用7.0T 小动物MR成像仪时，HER2靶向的生物纳米磁小体能够显著增强HER2高表达或者不表达乳腺癌的MR成像效果。经静脉注射HER2靶向的生物纳米磁小体3到24小时后，本研究制备的T2 MR对比剂对HER2高表达乳腺癌MR成像效果明显优于HER2阴性的乳腺癌。本项目制备的生物纳米磁小体没有对实验动物造成任何可见的毒理作用。因此，这种用于无创MR成像的T2对比剂在不久的将来具有临床应用的潜力。本项目的研究成果对生产分子靶向影像制剂，促进个体治疗具有重要的科研和临床意义。