“靶向多肽”介导的多功能探针：癌细胞的元素质谱和时间分辨荧光光谱二维分析

Rare circulating tumour cells (CTCs) in blood are effective indicators of cancer at an early stage, their detection and quantification are thus significant for early diagnosis of cancer. This project aims to develop a two-dimensional analytical method for specific and highly sensitive determination of CTCs in blood using inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) and time-resolved fluorescence spectrometry (TR-FS) based on a novel trifunctional probe. The trifunctional probe consists of a homing group (a homing peptide) to target CTCs, and a reporting group to readout CTCs. The reporting group has dual functions that emits long-life fluorescence (which can be detected using TR-FS) from lanthanide-based complex excited by FRET from a suitable antenna-compound, and the lanthanide labeled on CTCs can also be determined using ICP-MS, achieving two-dimensional specific and highly sensitive analysis of targeted CTCs. Design and synthesis or screen and chemical modification of a homing peptide toward the protease or the protein receptor overexpressed in or on tumour cells, and coupling and conjugation of the antenna-compound and the lanthanide-based complex as well as the chemically assembly of them are key issues, which determine the success of the proposed two-dimensional analysis of CTCs, and need a systematic and intensive study.

循环系统（如血液）中痕量肿瘤细胞（CTCs）的检测/定量对"癌症早期诊断"具有重要意义。本研究课题从设计合成集肿瘤细胞识别基团、光学和质谱报告基团于一体的"多功能探针"入手，发展血液中痕量CTCs的选择性高灵敏二维光学和质谱检测/定量方法。利用特定氨基酸序列的多肽（靶向多肽）与肿瘤细胞表面/内部过表达的蛋白受体/蛋白酶分子的特异性相互作用识别肿瘤细胞；利用镧系元素的长寿命发光特性和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）超灵敏准确检测/定量镧系元素的能力对肿瘤细胞进行二维光学和质谱检测/定量。肿瘤细胞过表达蛋白酶的靶向多肽底物的设计合成、肿瘤细胞表面蛋白受体的靶向多肽的筛选和化学修饰、"天线化合物"与"镧系元素"的匹配耦合以及它们的合理化学组装是开展血液中痕量CTCs的选择性高灵敏二维分析方法学研究过程中的核心问题，也是决定CTCs光学和质谱分析成败的关键因素，需要系统深入的研究。

几乎人体的所有组织/器官都有可能发生癌变，癌症是公认的生命的第二大杀手。世界卫生组织（WHO）指出：如能早期诊断并及时治疗，90-95%的癌症可以治愈。癌症标志物和相关细胞的检测是“癌症早期诊断”的主要手段之一，同时也是监测“治疗反应”和检查“复发迹象”的有效途径。我们在国家自然科学基金面上项目（21275120）的资助下，开展了癌症蛋白标志分子和癌细胞的光学/质谱二维检测/定量分析方法学的研究工作，尝试为癌症的早期诊断提供准确可靠的信息。四年来，主要进行了以下两方面的研究：1）设计合成了集荧光/元素报告基团和靶向多肽（RGD: Arginylglycylaspartic acid三肽）识别基团于一体的三功能标签；通过对肿瘤细胞表面高表达的整联蛋白（integrin）的靶向标记，实现了肿瘤细胞的激光共聚荧光焦显微（CLSM）成像和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）计数分析。2）以镧系元素钕(Nd)为近红外光（NIR）和ICP-MS报告单元，选择性识别前列腺特异性膜抗原（PSMA）的小分子多肽抑制剂（DUPA）为靶向基团，我们把它们化学组装成为一个针对前列腺癌循环肿瘤细胞（CTCs）定量计数分析的功能标签，应用于前列腺癌患者血液中CTCs的测定，并为前列腺癌的早期诊断建议了PSMA的“阈值”。通过对在肿瘤细胞膜上高度表达的大量的膜蛋白分子（amol水平）的靶向标记和细胞自身的“信号自放大”特性，实现了在单细胞水平上肿瘤细胞的“Seeing & Counting”。这种针对肿瘤细胞表面过表达的蛋白生物分子进行光学和元素报告基团的标记策略不仅使我们可以示踪循环肿瘤细胞的转移过程，而且利用同位素稀释ICP-MS可以实现肿瘤细胞的精确计数；为癌症的早期诊断和预后疗效评价提供了一条有效的途径。发表了16篇学术论文；培养了3名博士生和10名硕士生；受邀参加了14次国际国内学术会议；邀请了包括国际知名光谱化学家Prof. Wolfgang Maret和Scott Tanner在内26人次来访交流。