用于在分子水平监测癌细胞和药物-细胞相互作用的多模态光学方法研究

The accurate and unambiguous characterization of the cellular molecular structure is an important objective in the field of cancer cell biology. Currently, despite an enormous progress in understanding of specific biochemical processes and molecular pathways, we are still very limited in the ability to selectively identify abnormalities in the cellular regulation that are associated with tumorigenic transformations, especially at early stages of cancer development.This proposal is aimed at the quantitative characterization and monitoring of the macromolecular environment in major structure-function compartments of the cell nucleus throughout early and advanced stages of malignant transformations and interactions with cancer drugs. This proposal coordinates efforts of a multidisciplinary team to develop molecular analysis of nuclear compartments using advanced optical techniques. In this proposal we will build a multimodal optical platform encompassing Fluorescence Lifetime Imaging, Two-photon Excited Fluorescence, Coherent Anti-Stokes Raman Scattering multimodal imaging and quantitative confocal Raman microspectroscopy. We anticipate that multimodal imaging of native cellular macromolecules and site-specific concentration measurements of proteins, RNA, lipids and DNA into the structure-function compartments of the cell nucleus, would contribute to understanding of the cell organization, highlight molecular hallmarks of cancer disease and enable monitoring of drug-cell interactions in living cells. Moreover, our technology can lead to breakthrough in several related biomedical areas including cancer diagnostics, therapeutic prognosis, monitoring the course of disease and response to therapy, and have great potential applications in future healthcare.

对细胞内分子结构进行准确的表征对癌细胞生物学研究具有重要意义，但由于技术方法的限制，目前尚无法对癌细胞和药物-细胞相互作用中的大分子进行高灵敏和全面表征，从而局限了癌症的早期诊断以及对药物-细胞相互作用过程的监控。本项目提出并发展一种可定量表征和监控细胞核结构功能区域大分子环境的多模态光学方法，建立集荧光寿命成像、双光子激发荧光成像、相干反斯托克斯拉曼散射成像以及定量共焦拉曼显微光谱技术于一体的多模态光学方法研究平台，对细胞内大分子进行多模态光学成像以及对细胞核特定结构功能区域内蛋白质、脂类、RNA和DNA分子浓度进行定量测量，通过对不同模态光学方法获得的数据进行分析和融合，实现对正常、潜在癌变和癌变细胞分子结构转变进行灵敏和全面表征，并监控药物-细胞相互作用引起的细胞结构变化。该项目研究将在癌症诊断、癌症预后、监测癌症进程及治疗效果等领域有广泛的应用前景，具有重要的研究意义和应用价值。

对细胞内分子结构进行准确和全面表征对细胞生物学研究具有重要的意义，但由于传统技术方法的限制，目前缺乏对癌细胞和药物-细胞相互作用中的大分子进行高灵敏和全面表征的多模态研究方法，从而极大地限制了对癌症的早期诊断以及对药物-细胞相互作用过程的监控。本项目将多种成像方法和光谱分析技术，包括荧光寿命成像（Fluorescence Lifetime Imaging, FLIM）、双光子激发荧光（Two-photon Excited Fluorescence, TPEF）、相干反斯托克斯拉曼散射（Coherent Anti-Stokes Raman Scattering, CARS）以及定量共焦拉曼显微光谱（Confocal Raman Microspectroscopy）技术等有机地结合起来，发展了集光学成像和光谱分析于一体的多模态光学方法和系统，并开展了药物-细胞相互作用过程的检测研究。利用所发展的多模态光学成像方法，开展了对细胞核结构功能区域大分子环境的定量表征和监控，实现了对细胞核功能区内蛋白质、脂类、RNA/DNA等主要大分子浓度的定量测量，进而实现对癌变细胞的灵敏表征；其次，通过分析和整合不同模态光学方法获得的数据，实现了对正常和癌变细胞分子结构转变的高灵敏和全面表征，并进一步监控药物-细胞相互作用引起的细胞结构变化。本项目所发展的多模态光学方法和手段，为细胞生物学和分子肿瘤学研究提供有力工具，可用于在分子水平上揭示细胞活动基本规律，研究活细胞内生物分子的成分、分布、相互作用过程及其功能，药物分子对病变细胞的作用过程等领域，具有重要的研究意义和应用价值。