肿瘤微环境智能化分子影像探针的构建与应用研究

The high invasion and metastasis ability of tumor cells is an important prognostic factors regarding high recurrence rate and mortality of malignant tumors. Diagnostic assessments related to metastasis of tumor is extremely helpful for determining nntineoplastic protocols and prognoses. However, there remains a lack of effective methods for metastasis warning, clinical efficacy and prognosis evaluation. In this context, non-invasively extracting molecular information related to tumor proliferation, invasion, and metastasis from the tumor microenvironment have become the most fundamental issues faced by cancer studies. The current project intends to address these challenges by the following studies. A pH-sensitive fluorescence dye ANNA was coupled with near infrared dye Cy-5.5 labeled biocompatible Fe3O4 nanoparticles through a peptide substrate of MMP-9, which was covalently coupled with folic acid at C-terminal end for tumor targeting. Due to the fluorescence resonance energy transfer (FRET) between Fe3O4 nanoparticle and ANNA, Fe3O4 nanoparticle served as quencher to ANNA. When the linker was cleaved by MMP-9, the fluorescent emission of ANNA would recover. On the other hand, the fluorescent emission of Cy-5.5 was not been affected by Fe3O4 nanoparticles, so Cy-5.5 can serve as internal reference. This feature allowed the probe to not only locate tumor, but also sense tumor-associated MMP-9 and pH.

肿瘤细胞转移性和侵袭性强是恶性肿瘤复发率与死亡率高的关键原因，肿瘤转移的诊断评估决定着患者的治疗方案及预后，但是目前仍然缺乏针对肿瘤转移预警、疗效预测及预后评估的有效方法。由此可见，与肿瘤增殖、侵袭、转移等恶性生物学行为密切相关的肿瘤微环境信息获取，已经成为目前肿瘤临床诊断亟待解决的难题，同时也是恶性肿瘤研究面临的最基本的科学问题。本项目拟针对上述问题开展如下研究工作：针对肿瘤微环境中与肿瘤转移密切相关的生物酶及与肿瘤发生发展阶段密切相关的pH异常，将具有pH比例计量荧光染料与近红外荧光染料Cy-5.5标记的磁性氧化铁纳米颗粒通过酶底物多肽耦联，利用pH比例计量荧光染料与纳米颗粒间荧光共振能量转移构建智能化光学纳米探针，通过对被激活pH比例计量荧光染料荧光信号及其于作为内标的Cy-5.5荧光信号的对比分析，探索肿瘤微环境的可视化分析方法。

肿瘤细胞转移性和侵袭性强是恶性肿瘤复发率与死亡率高的关键原因，肿瘤转移的诊断评估决定着患者的治疗方案及预后，但是目前仍然缺乏针对肿瘤转移预警、疗效预测及预后评估的有效方法。由此可见，与肿瘤增殖、侵袭、转移等恶性生物学行为密切相关的肿瘤微环境信息获取，已经成为目前肿瘤临床诊断亟待解决的难题，同时也是恶性肿瘤研究面临的最基本的科学问题。本项目针对上述问题开展了如下研究工作：针对肿瘤微环境中与肿瘤转移密切相关的金属基质蛋白酶（MMP-9）及与肿瘤发生发展阶段密切相关的pH异常，将具有pH比例计量荧光染料与近红外荧光染料Cy-5.5标记的磁性氧化铁纳米颗粒，通过酶底物多肽耦联，利用pH比例计量荧光染料与纳米颗粒间荧光共振能量转移，成功构建了智能化光学纳米探针，通过对被激活pH比例计量荧光染料荧光信号及其于作为内标的Cy-5.5荧光信号的对比分析，在荷瘤鼠模型上首次成功实现了肿瘤组织中MMP-9酶活性与pH分布的双响应影像检测，以此分析了MMP-9酶活性与pH的相关性，并对肿瘤进展做出预判。在完成项目既定研究内容的基础上，鉴于磁共振成像（MRI）优异的安全性、检测部位不受组织深度限制及超高的空间分辨能力的特点，以及临床应用广泛的背景，以高品质磁性氧化铁、磁性/上转换发光稀土纳米颗粒为核心，通过发展智能化响应纳米颗粒表面修饰策略，构建了对肿瘤微环境中高浓度还原性谷胱甘肽（GSH）、pH等特征因素，具有智能响应的MRI与MRI/光学多模态纳米分子影像探针，以及诊疗一体探针，实现了颅内肿瘤组织GSH分布的MRI无创可视化检测、微环境诱导肿瘤高灵敏MRI诊断、以及光热/“铁死亡”联合肿瘤治疗。本项目研究内容为以肿瘤微环境相关特征分子为靶点，发展高灵敏肿瘤分子影像诊断技术及治疗方案提供了新的思路，相关研究成果在J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater.等国际期刊发表研究论文16篇（IF>10，5篇），申请并获授权中国发明专利一项，培养博士毕业生4人。