用于膀胱癌早期诊断及精准分期的磁共振/上转换荧光双模态uPAR靶向纳米探针研究

Many limitations still exist in the early diagnosis and staging for bladder carcinoma due to the characteristics of bladder changeability and the bladder carcinoma multifocality, molecular imaging is the mainstay for solving this dilemma. Based on the applicant’s early primary study results in diagnosis and staging of bladder carcinoma, a new double mode targeted nano-probe combining magnetic resonance (MR)/ upconversion luminescence aiming for the early diagnosis of bladder carcinoma and accurate staging will be made in this project. In this study, a dual mode of imaging effect including high resolution MR and high sensitivity of fluorescence imaging since the upconversion rare earth nanoparticles (UCNPs) as the nanocarrier will be used, which has an inherent function of both MR imaging and upconversion characteristics. Meantime, a recombinant N-terminal fragment of ATF corresponding to targeting ligand uPA is introduced on the surface of the carrier, targeting for plasminogen activator urokinase plasminogen receptor highly expressed on bladder cancer cell membrane (uPAR), which give the nano-probe a molecular targeting function aiming on bladder cancer cell, and targeting effect and dual mode imaging function of the probe will be tested through a series of biological experiments. This project is expected to make a dual mode targeted nano-probe aiming for the early diagnosis and accurate staging of bladder carcinoma, therefore a new way for the early detection and accurate staging for bladder carcinoma is expected to be made.

膀胱形态的可变性及膀胱癌的多灶性导致目前的检查方法在膀胱癌的早期诊断及精准分期存在较多的局限性，分子影像学是解决该难题的重要发展方向。基于申请人在膀胱癌诊断及分期方面的前期研究积累，本项目拟制备一种针对膀胱癌早期诊断及精准分期的新型磁共振（MR）/上转换荧光双模态靶向纳米探针。本研究拟利用上转换稀土纳米颗粒（UCNPs）作为纳米载体，UCNPs固有的MR显像及上转换特性，赋予探针高分辨MR成像及高灵敏度的荧光显像双模态显像效果；同时，靶向修饰方面，在载体表面引入针对膀胱癌细胞膜高表达的尿激酶型纤溶酶原激活物受体（uPAR）的靶向配体uPA重组氨基末端片段ATF，赋予探针对膀胱癌细胞的分子靶向功能，并通过一系列生物学实验验证探针的靶向性及双模态显像效果。本研究有望制备一种针对膀胱癌早期诊断及精准分期的双模态靶向纳米探针，为膀胱癌的早期检测及精准分期提供一种全新的思路和方法。

本项目拟制备一种新型的针对膀胱癌早期诊断及精准分期的MRI/上转换荧光双模态靶向纳米探针，其具有高度的肿瘤细胞主动靶向功能，以期为膀胱癌的特异性诊断及分期提供一种高效、无创的全新方法，并对膀胱癌的早期诊断及术前分期提供精准定位，降低膀胱癌患者的术后复发率。研究中，我们首先采用一种周期短、安全、有效且模型建立成功率高的原位膀胱癌模型诱导方法成功的制备出了原位膀胱癌小鼠模型，之后采用高场强磁共振成像采集了包括正常及各不同病理期像的小鼠膀胱癌MRI图像，同时对小鼠处死并行病理切片HE染色验证。由于稀土纳米探针顺磁特性具有壳层厚度及纳米粒子尺寸依赖性，未能成功制备出具有最佳壳层厚度及合适的纳米粒径的稀土纳米粒子，因此制备的探针效果欠佳。后期我们对实验方案进行了调整，对小鼠及人膀胱癌标本进行了单细胞测序，以解析膀胱癌复发风险相关的通路和基因。根据美国泌尿外科学会/泌尿科肿瘤学会(American Urological Association (AUA)/Society of Urologic Oncology (SUO))发布的指南，对标本进行了分组，分为复发低风险组、复发高风险组以及复发组。单细胞转录组(scRNA-seq)测序结果发现，肿瘤细胞(非免疫细胞)、髓系细胞、B细胞和T细胞在膀胱癌三个分组中差异很大，我们推测，肿瘤组织的异质性很大以及膀胱癌的复发可能是由组织中一个特定的亚群细胞引起的。此外我们还进行了目标基因功能方面的验证，发现复发组的肿瘤细胞有更多的细胞处于上皮间充质转化（epithelial-mesenchymal transition, EMT）发生的后期。我们同时发现EMT-TFs (TCF3, TCF4, TWIST1, SNAI1, FOXC2)的表达模式与拟时性(pseudo-time)分析分析结果相对应。有趣的是，我们发现另一种转录因子-(Transcription factor 7, TCF7)的在三组中的表达模式与这些EMT-TFs完全一致，TCF7可能是新的一种类型的EMT-TF，促进肿瘤的复发和转移。此外，我们还对人膀胱癌磁共振成像的VI-RADS评分及人工智能对膀胱癌分期、分级及术后复发风险预测准确性、敏感性及特异性进行了研究分析，上述研究均取得了一系列进展，这对膀胱癌术前评估及术后治疗均具有重要意义。