精確自組裝納米標(biāo)記分析方法在前列腺癌早期檢測(cè)與預(yù)后中的應(yīng)用研究

樊春海徐靜娟劉莊魯娜

（1. 中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所，上海 201800；2. 南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，南京 210093；3. 蘇州大學(xué)納米科學(xué)與工程學(xué)院，蘇州 215123；4. 納米技術(shù)及應(yīng)用國(guó)家工程研究中心，上海200241）

精確自組裝納米標(biāo)記分析方法在前列腺癌早期檢測(cè)與預(yù)后中的應(yīng)用研究

樊春海1徐靜娟2劉莊3魯娜4

（1. 中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所，上海 201800；2. 南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，南京 210093；3. 蘇州大學(xué)納米科學(xué)與工程學(xué)院，蘇州 215123；4. 納米技術(shù)及應(yīng)用國(guó)家工程研究中心，上海200241）

編者按: 納米技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新興學(xué)科，涉及生物技術(shù)、醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)境能源及農(nóng)業(yè)等諸多領(lǐng)域。雖然創(chuàng)立至今僅有短短幾十年的發(fā)展歷程，一直是各領(lǐng)域科學(xué)家的研究熱點(diǎn)，并不斷取得突破性進(jìn)展。我國(guó)科學(xué)家也應(yīng)用納米技術(shù)取得了令人矚目的成績(jī)。隨著納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的深入研究，2016年新一輪“國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃納米專項(xiàng)”啟動(dòng)，預(yù)示著我國(guó)納米生物技術(shù)的研究步入了一個(gè)新的階段。

其中，由中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所樊春海研究員、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院崔華教授、浙江大學(xué)藥學(xué)院凌代舜教授等主持了“國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃納米專項(xiàng)”中3個(gè)納米生物技術(shù)相關(guān)的項(xiàng)目，針對(duì)納米技術(shù)在前列腺癌、急性心肌梗死、肝癌方面的應(yīng)用進(jìn)行探索和研究，以期推進(jìn)我國(guó)納米生物技術(shù)在醫(yī)藥領(lǐng)域的發(fā)展。本欄目的3篇文章就“項(xiàng)目立項(xiàng)的目的意義、總體目標(biāo)、研究?jī)?nèi)容、預(yù)期效益”進(jìn)行闡述，以便更好地執(zhí)行“國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃納米專項(xiàng)”。

前列腺癌是男性生殖系統(tǒng)最常見的惡性腫瘤，在歐美國(guó)家已成為男性第一高發(fā)的腫瘤［1］。數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)隨著老齡化社會(huì)的到來(lái)，近20年前列腺癌發(fā)病率增長(zhǎng)超過(guò)10倍，年新發(fā)病例達(dá)330萬(wàn)人，已處于“爆發(fā)性增長(zhǎng)”階段。由于前列腺癌早期患者的5年生存率可達(dá)95%，提高前列腺癌早期檢測(cè)水平的意義尤為重大。現(xiàn)有的早期檢測(cè)技術(shù)主要是基于前列腺特異抗原（PSA）的檢測(cè)。然而PSA篩查的假陽(yáng)性高，而且難以區(qū)分良性前列腺病變與惡性腫瘤，其廣泛應(yīng)用隨之帶來(lái)了倫理學(xué)問題和巨大的爭(zhēng)議［1］。

近年來(lái)，研究者發(fā)現(xiàn)了一系列新型血清標(biāo)志物［2］。如2009年Nature雜志報(bào)道肌氨酸參與了前列腺的癌變過(guò)程，可以作為一種小分子腫瘤標(biāo)志物［3］；而DNA 異常甲基化也被發(fā)現(xiàn)是前列腺癌最具特征的表觀遺傳改變［4］。將PSA檢測(cè)和這些新的前列腺癌特異性標(biāo)志物檢測(cè)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)“腫瘤標(biāo)志群”進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè)成為提升前列腺癌早期檢測(cè)精確性的一種可能。循環(huán)靶標(biāo)則為前列腺癌早期檢測(cè)提供更為直接的手段。循環(huán)靶標(biāo)包括CTC、CTC團(tuán)、ctDNA和外泌體等，這些從腫瘤脫離進(jìn)入血液的物質(zhì)可以提供與腫瘤發(fā)展直接相關(guān)的信息［1，2］。發(fā)展基于循環(huán)靶標(biāo)的“液體活檢”已被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)腫瘤精準(zhǔn)醫(yī)療的關(guān)鍵技術(shù)之一，已成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的前沿和研究熱點(diǎn)［5-12］。美國(guó)Cellresearch公司發(fā)展的CTC檢測(cè)試劑盒是目前唯一通過(guò)FDA認(rèn)證的方法。除此以外，麻省總醫(yī)院發(fā)展的檢測(cè)CTC團(tuán)的CTC-chip，斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院發(fā)展的檢測(cè)ctDNA的CAPP-Seq試劑盒等均引起了廣泛關(guān)注。

眾多研究表明，納米標(biāo)記技術(shù)能有效提升生物檢測(cè)性能。然而，常規(guī)的納米材料通常存在一定的尺度分布，其均一性問題限制了納米標(biāo)記在實(shí)際中的應(yīng)用。DNA納米技術(shù)的興起則為解決這一問題提供了前所未有的機(jī)遇。基于美國(guó)加州理工學(xué)院Rothemund博士發(fā)展的“DNA折紙術(shù)”（Nature 2006），研究人員可以構(gòu)建出任意形狀、不同維度的DNA納米結(jié)構(gòu)，并能實(shí)現(xiàn)蛋白、納米粒子等功能單元在納米結(jié)構(gòu)上的精確定位，發(fā)展尺寸形貌可控的納米標(biāo)記探針［13-16］。本項(xiàng)目提出的“精確自組裝”納米標(biāo)記策略，即是通過(guò)設(shè)計(jì)單一分子量、空間拓?fù)湫蚊部煽氐腄NA納米結(jié)構(gòu)，發(fā)展新型精確納米標(biāo)記，有望解決納米標(biāo)記均一性這一生物檢測(cè)中長(zhǎng)期存在的挑戰(zhàn)性問題。申請(qǐng)者和國(guó)際同行的前期研究結(jié)果表明，利用精確DNA納米結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)生物靶標(biāo)的高效捕獲和識(shí)別，從而大幅提升生物檢測(cè)靈敏度［17-20］。特別是，通過(guò)DNA納米結(jié)構(gòu)與金納米粒子、量子點(diǎn)等無(wú)機(jī)納米粒子的精確組裝和復(fù)合，有可能將檢測(cè)極限推至單分子、單細(xì)胞水平，為在血清乃至全血中捕獲和檢測(cè)極低濃度的循環(huán)靶標(biāo)提供全新的可能。

1 研究?jī)?nèi)容和目標(biāo)

圍繞指南“惡性腫瘤等重大疾病的納米檢測(cè)及體外診斷新方法”內(nèi)容，針對(duì)“后PSA時(shí)代”前列腺癌精準(zhǔn)檢測(cè)與預(yù)后評(píng)估這一重大需求，提出“精確自組裝”納米標(biāo)記策略并發(fā)展單分子、單細(xì)胞水平納米生物檢測(cè)方法，研制高特異的腫瘤標(biāo)志群聯(lián)合檢測(cè)和超靈敏的循環(huán)靶標(biāo)“液體活檢”平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)臨床轉(zhuǎn)化，為前列腺癌“精準(zhǔn)醫(yī)療”奠定基礎(chǔ)。

我們擬重點(diǎn)關(guān)注以下科學(xué)問題：如何通過(guò)DNA精確編碼，解決納米標(biāo)記均一性這一長(zhǎng)期存在的挑戰(zhàn)性問題，從而大幅提升生物檢測(cè)靈敏度和特異性；如何通過(guò)腫瘤標(biāo)志群的聯(lián)合檢測(cè)和超靈敏的納米“液體活檢”分析實(shí)現(xiàn)“精準(zhǔn)”的前列腺癌檢測(cè)，有效區(qū)分良性增生和惡性腫瘤，并對(duì)腫瘤的惡性程度進(jìn)行精確預(yù)后評(píng)估。

（1）利用DNA識(shí)別的精確性，設(shè)計(jì)單一分子量、空間拓?fù)湫蚊部煽氐腄NA納米結(jié)構(gòu)，通過(guò)包裝量子點(diǎn)和貴金屬納米粒子實(shí)現(xiàn)三維空間上的精確定點(diǎn)修飾，建立模擬“人工原子”價(jià)態(tài)可控的功能納米粒子體系；（2）通過(guò)研究多元協(xié)同界面對(duì)靶標(biāo)分子識(shí)別的協(xié)同效應(yīng)與機(jī)制，利用“精確自組裝”納米標(biāo)記，設(shè)計(jì)并構(gòu)建高效的循環(huán)靶標(biāo)捕獲界面，發(fā)展均一的信號(hào)放大技術(shù)；（3）通過(guò)研制集成微型電化學(xué)檢測(cè)器和電極的微流控芯片，研制成自動(dòng)化程度高、操作便捷的檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)前列腺癌標(biāo)志群的聯(lián)合檢測(cè)和單分子、單細(xì)胞水平的“液體活檢”技術(shù)。

2 預(yù)期成果及展望

我們針對(duì)前列腺癌早期和“精準(zhǔn)”檢測(cè)這一重大需求，提出“精確自組裝”納米標(biāo)記策略，設(shè)計(jì)和合成出功能組裝基元，建立納米標(biāo)記多層次、多組份的可控自組裝新方法，將生物檢測(cè)推進(jìn)到單分子、單細(xì)胞水平，實(shí)現(xiàn)血液中稀少循環(huán)靶標(biāo)的超靈敏檢測(cè)。我們將研制集成單細(xì)胞捕獲微流控芯片、測(cè)試電極和微型電化學(xué)檢測(cè)器的樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)患者血樣或尿樣中與前列腺癌相關(guān)聯(lián)的小分子、大分子、蛋白等進(jìn)行自動(dòng)化程度高、操作便捷的檢測(cè)，并用于對(duì)同一血樣中前列腺癌標(biāo)志群的聯(lián)合檢測(cè)。建立在納米生物檢測(cè)領(lǐng)域的創(chuàng)新研究平臺(tái)，打造一支在國(guó)際上有重要影響力的研究隊(duì)伍；通過(guò)附屬醫(yī)院和國(guó)家工程研究中心結(jié)合的模式，建立臨床示范應(yīng)用中心，形成基礎(chǔ)研究、臨床應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化示范的全鏈條發(fā)展模式。

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（責(zé)任編輯 馬鑫）