可同时检测过氧化氢和癌细胞侵袭转移风险因子的发光体系的构建及其生物成像研究

Reactive oxygen species play vital roles in various stages of cancer development, and may be closely related to tumor invasion and metastasis. However, the direct correlation between the level of oxidative stress and the risk of invasion and metastasis in-situ cancer cells lacks experimental evidence, mainly because of having no appropriate research tools. To address this issue, in this project, we plan to develop fluorescenct/luminescent probes for simultaneous detection of oxidative stress and risk factors of cancer invasion and metastasis. Specifically, hydrogen peroxide and matrix metalloproteinases (MMPs) are selected as the corresponding targets, respectively. The probes are designed and developed on the basis of the energy transfer principle. The moiety for detection of hydrogen peroxide is used as the donor, which is modified with MMPs sensitive peptide tagged with a receptor. In monitoring hydrogen peroxide, the occurrence and inhibition of energy transfer are used to visual the activity of MMPs. By using transition metal complexes with long life-times luminescence properties in the probes, luminescent intensity and time-resolved bioimaging could be used in biological samples. This will improve the accuracy of analysis results. The project will provide new strategies and practical cases for the development of multi-functional fluorescent/luminescent probes.

活性氧在癌症发生发展的各个阶段都起着至关重要的作用，并可能与肿瘤转移密切相关。而原位癌细胞氧化应激水平与其侵袭转移风险之间的直接相关性缺少明确的实验证据，其研究受制于缺少适当的研究工具。本项目的研究正是为解决这一复杂的生物问题提供直接的可视化工具。本项目将过氧化氢和基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）分别作为二者的指标和评估因子，拟在检测过氧化氢的同时实现对癌症侵袭转移过程的原位示踪。项目中的探针基于能量转移原理设计，过氧化氢荧光或磷光检测试剂作为供体，MMPs（转移性癌细胞中高表达）敏感肽链作为中间连接体，修饰光谱匹配的荧光团作受体。供受体对能量转移的发生或抑制用以示踪MMPs。在探针中引入具有长寿命发光特性的金属铱配合物，完成生物样本中发光强度与时间分辨的联动成像，提高分析结果的准确性。本项目的研究将为构建多功能发光探针提供新的策略和实用案例。

本项目按计划完成了预定目标。活性氧在癌症发生发展的各个阶段都起着至关重要的作用，并可能与肿瘤转移密切相关。而原位癌细胞氧化应激水平与其侵袭转移风险之间的直接相关性缺少明确的实验证据，究其原因是缺乏有效的研究工具。荧光标记技术由于原位、实时、多层次等优点一直是研究生物过程强有力的技术手段。针对上述问题，本项目将过氧化氢（Hydrogen peroxide，H2O2）和基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）分别作为氧化应激与癌细胞侵袭转移风险的指标和评估因子，提出了新的荧光共振能量转移构建原理，将荧光能量转移发生需要的两个必备条件（光谱匹配与荧光团距离足够接近）均运用于调控探针的发光，以此满足单一探针同时可视化多种分析物，基于此设计理念，发展构建了能够同时检测H2O2和MMPs的系列多色探针，通过光物理性质测试、细胞毒性评价、显微成像分析等对探针进行了结构优化和性能筛选，总结了基于肽链的单一多色探针的构建方法、光学性质及检测性能的内在关联，实现了探针在体外、细胞、组织等多层次高灵敏、特异性同时成像H2O2和MMPs的功能，同时实现了探针在氧化应激激活的条件下，在正常细胞、低侵袭转移癌细胞中对高侵袭转移癌细胞的筛查。在本项目的资助下，发表了标注本项目的研究论文19篇，其中13篇影响因子大于5.0，培养博士研究生2名，硕士研究生3名。本项目的研究也为构建多功能多色发光探针提供了新的策略和实用案例，为研究氧化应激与癌症侵袭转移风险之间的相关性问题提供了直接的可视化工具。