基于细胞表面纳米微观特征的的肿瘤早期诊断及化疗药物评价技术研究

The early diagnosis of tumor and the evaluation of drugs are the key technical problems in the field of cancer treatment. Atomic force microscope (AFM) has the characteristics of high-sensitivity and high-resolution, which can work well in the conditions of vacuum, vapor as well as liquid phases. Imaging and quantitatively analysising of the surficail micro-characteristics of the single cell at the nanometer level, including microscopic morphology, structure and mechanical properties can be done with AFM. We have taken advantage of the biological technology and the nanometric technology of AFM to prove that there are the significant differences in physical characteristics between normal cells and tumor cells, and to confirm that there are the obvious changes of the physical characteristics in the tumor cells inducing cell apoptosis, autophagy, cycle arrest and senescence. Moreover, the changes in different biological characteristics are related with different physical characteristics. It is indicated that AFM can be used for the early diagnosis of the tumor and evaluation of anti-tumor drugs in the nanometer level. Our project intends to use the AFM combined with the traditional biological methods to detect 1) the differences of the surficail micro-characteristics between the normal cells and their corresponding tumor cells; 2) and the impact of the anti-tumor drugs with different mechanisms on the surficail micro-characteristics of tumor cells, and to build the quantitative databases of cell surficail micro-characteristics; 3）and how will the surficial characteristics of tumor cells changes following occurrence of biological responses; 4) how does the sensitivity of tumor cells to drugs determine the changes of surficial characteristics after drug stimulation. Accordingly, we try to construct a technique for the early diagnosis of tumor and the evaluation of anti-cancer drugs based on the cellular surficail characteristics in a level of single cell.

肿瘤早期诊断及化疗药物疗效快速评价是肿瘤防治的关键，也是肿瘤治疗领域的主要技术难题。肿瘤发病过程中，生物学改变诱导肿瘤细胞表面微观特征发生变化，微观特征改变又与肿瘤发生发展相关。AFM可在纳米水平对单细胞表面的纳米微观特征进行检测和定量分析。前期我们利用生物学及AFM纳米技术结合，证明1）正常细胞向肿瘤细胞转变时表面微观特征发生改变2）细胞分化诱导剂等化疗药物可使肿瘤细胞表面微观特征向正常细胞转化3）肿瘤细胞发生凋亡、自噬、分化等生物学改变时表面微观特征发生不同的变化4）肿瘤细胞接受药物刺激后，表面微观特征的改变与对药物敏感性相关。本项目拟将AFM纳米技术与传统生物学方法结合：在纳米水平检测：1）正常血细胞及其对应肿瘤细胞表面微观特征的差异2）不同机制化疗药物对肿瘤细胞表面微观特征的影响，借此建立量化数据库及细胞膜图库，构建基于细胞表面纳米微观特征的白血病早期诊断及化疗药物疗效评价新技术。

肿瘤早期诊断及化疗药物活性和作用机制的快速评价是肿瘤防治的关键，也是肿瘤治疗领域的主要技术难题。肿瘤发病过程中，生物学改变诱导肿瘤细胞表面微观特征发生变化，微观特征改变又与肿瘤发生发展相关。本项目拟采用原子力显微镜（AFM）纳米操作技术，开展以下几方面内容：①白血病发病过程中细胞表面纳米微观特征的改变。研究发现，白血病细胞与正常血细胞相比细胞表面粗糙度、形态及硬度有显著差异，以上细胞纳米微观特征可作为区分白血病细胞的生物标志物用于血癌的诊断；②不同药物作用机制模型与相应细胞表面微观特征改变之间的对应关系。采用人宫颈癌HeLa细胞模型，我们在纳米微观尺度表征了肿瘤细胞经历EMT、周期阻滞、凋亡、衰老、自噬、坏死等不同生物反应时细胞表面纳米生物物理特征的变化，确认了细胞表面粗糙度、细胞大小及硬度的改变可作为药物作用机制初步评价的生物标志物；③基于纳米生物物理特征的肿瘤细胞药物敏感性研究。以CA-4为工具药，我们发现肿瘤细胞对CA-4的敏感性与细胞表面粗糙度相关。此外， CA-4诱导敏感及耐药肿瘤细胞表面粗糙度也经历不同的改变。以上提示细胞表面粗糙度可做为筛选化疗药物抗瘤谱的生物标志物用于药物的活性评价。本项目的科学意义如下：①现有癌症诊断技术一般一经诊断，即为中晚期难以治愈。本项目采用AFM 技术对白血病细胞与正常血细胞纳米微观特征进行比较，首次在纳米水平确认了细胞癌变后细胞表面微观特征的改变，为肿瘤临床的早期诊断提供了新方法； ②我们将AFM 纳米技术与传统生物学方法相结合，首次在单细胞水平上连续观测肿瘤细胞与抗肿瘤药物相互作用后细胞表面微观特征的变化，建立一种全新的药物筛选及机制评价方法，缩短新药研发周期；③我们对AFM 探针修饰、生物样品的实验前预处理，细胞固定方法等AFM 检测的关键技术进行了创新，解决了AFM 检测过程中的一系列技术难题，拓展AFM 技术在生命科学领域的应用。研究结果发表SCI收载论文一篇，一篇论文投稿处于修回状态，两篇处于撰写中，申请中国发明专利两项。