构建应用于活体肿瘤诊断的磁辅助基质金属蛋白酶纳米生物传感器

In this proposal, a magnetically assistanted MMP nanobiosensor (termed as, MA-MMPsensor) is developed for detecting MMP-7 activity in vivo by gadolinium-phosphate coordination reaction of NaGdF4 nanodot with the phosphorylated MMP-7 peptide substrate modified superparamagnetic MnFe2O4 nanoparticle. The sensitive T1-weighted and T2-weighted dual mode of magnetic resonance imaging (MRI) of tumor in vivo can be realized while MA-MMPsensor are accumulated and detained in the tumor tissue through high permeability and retention effect (EPR) of nanoparticle and external magnetic field effect. After MMP-7 cleavage, the NaGdF4 nanodots are detached from MA-MMPsensor and excreted by kidney. Therefore, the T1-weighted MRI signal of tumor tissue is decreased while the T1-weighted MRI signal of urine is increased. The activity of MMP-7 can be evaluated by the ratios of T1/T2 of tumor tissue and urine. The utility of MA-MMPsensor is tested by detection of MMP-7 activity in mice with xenograft colorectal tumor models with different metastasis including SW620 and SW480. The object of proposal can provide a new method for tumor diagnosis.

在本项目中拟通过钆-磷酸根配位反应将NaGdF4纳米点组装于磷酸化多肽底物修饰的超顺磁性MnFe2O4纳米粒子表面构建磁辅助基质金属蛋白酶（MMP）纳米生物传感器（MA-MMPsensor）实现活体肿瘤组织中MMP-7活性的高灵敏检测。通过外部磁场作用和纳米粒子的EPR效应提高MA-MMPsensor在肿瘤组织的富集量并增加其滞留时间，从而实现活体肿瘤组织的高灵敏T1-weighted和T2-weighted双模磁共振成像。当MMP-7对其底物剪切后，NaGdF4纳米点从MA-MMPsensor上脱离并经肾代谢排出体外，通过肿瘤组织和尿液磁共振信号比值（T1/T2）的变化强度确定MMP-7活性。建立具有不同转移能力的SW620和SW480结直肠肿瘤小鼠模型验证所构建的MA-MMPsensor的实用性。项目的研究内容能够为肿瘤诊断提供一种新方法。

作为一种重要的锌离子依赖性内肽酶，基质金属蛋白酶（Matrix Metalloproteinases，MMPs）能够通过降解细胞外基质蛋白和基底膜的主要成分而参与一系列重要的生理和病理过程。MMPs的过量表达与活性失调会导致肿瘤的形成，尤其与肿瘤的侵袭和转移密切相关。因此，发展高灵敏、高通量的MMPs 分析方法，筛选高效的MMPs 抑制剂对于疾病的诊断和预后及新型抗癌药物的研发具有重要意义。本项目（1）利用多肽芯片成功筛选出MMP-1，2，3，7，9，13和14的特异性多肽底物；（2）构建了系列高灵敏、高选择性传感器应用于复杂样品（细胞、血液、临床组织、活体等）中包括MMP-7在内的多种蛋白酶检测，证明肿瘤疾病进程、恶性程度与MMPs活性水平呈正相关，抑制MMPs活性能够显著提高荷瘤鼠的存活率和存活时间；（3）构建了多种多功能纳米诊疗剂应用于肿瘤活体多模态成像及治疗。上述研究成果能够为肿瘤的早期诊断、预后和靶向药物研发提供新方法和新思路。相关研究工作自2018年1月到2021年12月共在Biosensors and Bioelectronics，Sensors and Actuators: B. Chemical，Biomaterials等SCI期刊发表论文22篇，其中研究论文16篇（影响因子大于5的10篇）；应邀撰写综述论文6篇（影响因子大于5的2篇）。申请中国发明专利3项。做会议邀请报告5次，其中2次国际会议和3次国内会议。与吉林大学附属第一临床医院合作开发基于MMPs的恶性肿瘤体外诊断试剂并已开展临床试验。