【正文】 項(xiàng)目名稱： 多模態(tài)智能化納米分子影像探針及其在結(jié)直腸癌診斷與研究中的應(yīng)用 首席科學(xué)家： 高明遠(yuǎn) 中國科學(xué)院化學(xué)研究所 起止年限： 至 依托部門： 中國科學(xué)院 二、預(yù)期目標(biāo) 總體目標(biāo) 本項(xiàng)目圍繞直腸癌微小腫瘤的早期診斷、轉(zhuǎn)移預(yù)警以及療效預(yù)測等關(guān)鍵難題，以磁性氧化鐵納米顆粒為核心構(gòu)建多模態(tài)智能化納米分子影像探針；結(jié)合現(xiàn)代影像學(xué)技術(shù)，發(fā)展多模態(tài)分子影像探針在結(jié)直腸癌微小腫瘤早期診斷中的應(yīng)用方法及智能化探針在腫瘤相關(guān)微環(huán)境高靈敏度探測中的應(yīng)用方法；建立與結(jié)直腸癌惡性生物 學(xué)行為密切相關(guān)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路及上皮細(xì)胞間質(zhì)化的可視化方法，從多尺度，多層面提供腫瘤相關(guān)信息。通過本項(xiàng)目的實(shí)施及相關(guān)前瞻性研究工作的開展，強(qiáng)化我國在相關(guān)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，培養(yǎng)出具有國際競爭力的跨學(xué)科優(yōu)秀人才，并且獲得一批高水平、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的研究成果。 五年預(yù)期目標(biāo) 1．建立高靈敏度多模態(tài)分子影像探針的構(gòu)筑方法，建立基于多模態(tài)分子影像探針在腫瘤早期診斷及鑒別診斷中的應(yīng)用方法。 2．建立靈敏度高、特異性強(qiáng)的智能化納米探針的構(gòu)筑方法及腫瘤轉(zhuǎn)移預(yù)警的分子影像方法，同時(shí)揭示腫瘤病灶中金屬離子濃度及 pH值異常變化與 腫瘤發(fā)生發(fā)展過程的相關(guān)性。 3．通過腫瘤細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路研究，建立靶向 EGFR 藥物的療效預(yù)測可視化方法。通過上皮細(xì)胞間質(zhì)化過程的可視化及惡性生物學(xué)行為的在體分子影像，建立腫瘤早期轉(zhuǎn)移預(yù)警的可視化方法。 4．建立多模態(tài)分子影像平臺及多模態(tài)影像信息處理方法，建立納米探針的在體動態(tài)可視化技術(shù)，為結(jié)直腸癌的早期診斷、轉(zhuǎn)移預(yù)警及療效預(yù)測提供分子影像手段。 5． 通過本項(xiàng)目的實(shí)施及相關(guān)前瞻性研究工作的開展，強(qiáng)化我國在相關(guān)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，獲得一批高水平、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的研究成果， 申報(bào)發(fā)明專利1015項(xiàng)， 發(fā)表 80篇以上 具有重要國際影響的學(xué)術(shù)論文，進(jìn)一步推動我國在腫瘤分子影像領(lǐng)域的發(fā)展。 6． 培養(yǎng)一批跨學(xué)科優(yōu)秀人才，為我國在該領(lǐng)域的可持續(xù)、高水平地發(fā)展做出貢獻(xiàn)，包括：培養(yǎng)數(shù)名青年學(xué)者得到國家杰出青年基金，教育部長江特聘教授 ，培養(yǎng)研究生 4060名。 三、研究方案 （一） 總體 思路 本項(xiàng)目的總體思路是以解決國家重大需求為目標(biāo)，以 結(jié)直腸癌的臨床 診療需求為 導(dǎo)向 ，發(fā)展新型的高靈敏度 、 多模態(tài)、智能化納米探針 ，為 腫瘤 的 早期診斷、 轉(zhuǎn)移預(yù)警及療效預(yù)測提供 分子 影像 探針及 相關(guān) 分子影像 方法，見圖 1。 具體思路 是 圍繞著 惡性腫瘤 ，尤其是結(jié)直腸癌 的早期診斷、轉(zhuǎn)移預(yù)警以及 腫瘤療效預(yù)測 這三個(gè) 腫瘤診療所面臨的 最重要的難題 ，利用先進(jìn)的納米技術(shù)，結(jié)合化學(xué)、分子生物學(xué)、腫瘤學(xué) 、藥學(xué)及影像學(xué) 來設(shè)計(jì)構(gòu)建高靈敏度多模態(tài)腫瘤分子探針 ，實(shí)現(xiàn)尺寸 13 mm結(jié)直腸癌的早期診斷（課題 1）；構(gòu)建對 腫瘤微環(huán)境 中特征酶具有 智能化 響應(yīng)的分子影像 探針， 發(fā)展腫瘤轉(zhuǎn)移預(yù)警的分子影像方法（課題 2）；構(gòu)建對腫瘤微環(huán)境中銅鋅離子濃度及 pH 值異常變化的智能化探針，探索上述異常變化與腫瘤發(fā)生發(fā)展的相關(guān)性（課題 2）；結(jié)合熒光素酶融合再生技納米科學(xué)技術(shù) ＋ 化學(xué)、分子生物學(xué)、 腫瘤學(xué)、藥學(xué)、影像學(xué) 高靈敏度多模態(tài) 分子影像 探針 （課題一） 腫瘤多模態(tài) 分子影像探針在體動態(tài)可視化 影像方法 結(jié)直腸癌早期診斷、腫瘤轉(zhuǎn)移、療效預(yù)測分子 影像探針的構(gòu)建及應(yīng)用方法 圖 1. 本項(xiàng)目的總體研究方案 腫瘤多模態(tài)分子成像 （課題四） 腫瘤微環(huán)境智能化探針 （課題二） 腫瘤重要分子事件動態(tài)可視化 （課題三 ） 腫瘤的早期診斷、轉(zhuǎn)移預(yù)警及療效預(yù)測 腫瘤微環(huán)境與腫瘤發(fā)生發(fā)展的關(guān)系、腫瘤轉(zhuǎn)移預(yù)警與療效預(yù)測 術(shù)、報(bào) 告基因技術(shù)、核酸適配體分子探針技術(shù)，發(fā)展結(jié)直腸癌信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的動態(tài)可視化方法，為結(jié)直腸癌的靶向治療療效預(yù)測提供實(shí)驗(yàn)方法與依據(jù)，圍繞上皮細(xì)胞間質(zhì)化過程，開展細(xì)胞及活體層面的可視化研究，建立結(jié)直腸癌早期轉(zhuǎn)移預(yù)警的可視化方法（課題 3）；建立腫瘤多模態(tài)智能化探針的動態(tài)可視化平臺及多模態(tài)影像信息處理方法，在全面評估本課題 1－ 3 發(fā)展的納米探針體內(nèi)行為規(guī)律的同時(shí)，為結(jié)直腸癌的 早期診斷、轉(zhuǎn)移預(yù)警及 療效預(yù)測提供分子 影像 手段（課題4） 。 本項(xiàng)目的 4個(gè)子課題是圍繞著腫瘤分子影像探針及影像方法來設(shè)置的，課題間既有緊密的內(nèi)在聯(lián)系，又 有相對的獨(dú)立性。子課題的研究內(nèi)容既包括近期能夠取得應(yīng)用的探針體系，又包括占領(lǐng)科學(xué)前沿的前瞻性研究。 （二）技術(shù)途徑 及其 創(chuàng)新性 1． 高靈敏度多模態(tài)腫瘤納米分子影像探針 （ 1） 高質(zhì)量磁性納米晶體的制備及表面生物相容性修飾結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 窄粒度分布、高結(jié)晶度及長血液循環(huán)時(shí)間的生物相容性磁性納米顆粒的設(shè)計(jì)與構(gòu)建是獲得高靈敏度磁共振分子影像探針的核心。本課題擬以前期建立的生物相容性磁性 Fe3O4納米晶體的熱分解技術(shù)，采用高沸點(diǎn)溶劑作為反應(yīng)介質(zhì)，獲得窄粒度分布、高結(jié)晶度的磁性納米晶體。而納米晶體的表面生物相容性結(jié)構(gòu)則通過不 同分子量 PEG及 PEG與烷基小分子對 Fe3O4納米晶體表面的原位共修飾來實(shí)現(xiàn)。將采用透射電鏡表征所得到的生物相容性磁性納米顆粒粒度及粒度分布；采用激光動態(tài)光散射方法研究生物相容性納米顆粒在不同介質(zhì)中的膠體穩(wěn)定性；通過微量熱等手段研究上述各種納米顆粒與血液中的高豐度蛋白（如： IgG， SA）的相互作用，進(jìn)一步評價(jià)其生物相容性；最后，以實(shí)驗(yàn)鼠為模型，靜脈注射不同納米顆粒，測定血液中鐵的濃度－時(shí)間曲線，建立藥代動力學(xué)模型計(jì)算磁性納米顆粒的血液半衰期。 （ 2）多模態(tài)分子靶向探針的構(gòu)建 腫瘤相關(guān)靶點(diǎn)的選擇是構(gòu)建高敏感性 分子影像探針的關(guān)鍵，而多模態(tài)探針的構(gòu)筑則是有效提高腫瘤診斷準(zhǔn)確率的重要途徑。擬采用具有不同生物學(xué)意義的腫瘤相關(guān)蛋白為靶點(diǎn)，包括：表皮生長因 子受體 （ EGFR）和成纖維細(xì)胞激活蛋白FAPα（ Fibroblast Activation Protein α），前者在結(jié)直腸癌具有高表達(dá)，對于腫瘤診斷具有普適性，后者專一性高表達(dá)于腫瘤間質(zhì)可更好地被用于描繪腫瘤邊界，適用于微小腫瘤的早期診斷。 采用化學(xué)鍵合的方式通過修飾在磁性納米顆粒表面PEG末端的羧基與上述靶點(diǎn)相關(guān)的抗體進(jìn)行耦聯(lián)，獲得腫瘤分子影像探針。 MR核素和 MR光學(xué)雙模探針將采用如下兩種策略制備：（ 1）用放射性核素或熒光染料標(biāo)記抗體，然后將抗體與磁性納米顆粒進(jìn)行耦聯(lián)；（ 2）將放射性金屬同位素 57Co 通過化學(xué)合成的方法直接內(nèi)嵌入 Fe3O4 納米晶體，再與抗腫瘤抗體共價(jià)耦聯(lián)。 57Co摻雜型 Fe3O4納米晶體通過熱分解方法制備； EGFR、 FAPα抗體與納米晶體的耦聯(lián)效率通過電泳結(jié)合光譜分析等方法測定；多模態(tài)探針的腫瘤親合性擬通過免疫熒光或放射性免疫競爭法進(jìn)行評估。 相關(guān)研究的創(chuàng)新點(diǎn)包括： 1． 核心納米材料 Fe3O4納米晶體的制備及其生物相容性調(diào)控方法具有創(chuàng)新性； 2． 以 57Co摻雜的 Fe3O4納米晶體構(gòu)建磁共振－核素雙模分子探針具有原創(chuàng)性； 3． 以 FAPα 為靶點(diǎn)構(gòu)建腫瘤早期診斷分子影像探針具有原創(chuàng)性。 2． 腫瘤微環(huán)境智能化納米分子探針 （ 1） 高靈敏度及可定量的銅鋅離子及 pH探針的構(gòu)建 擬通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用特異的分子識別引起的探針熒光信號開關(guān)、強(qiáng)度或計(jì)量比例的變化實(shí)現(xiàn)對金屬離子及 pH值智能響應(yīng)探針的構(gòu)建。針對高靈敏度激活型銅鋅離子探針，擬利用構(gòu)型受限的熒光素或羅丹明衍生物在微量金屬離子的作用下發(fā)生的開環(huán)反應(yīng)，通過對熒光基團(tuán)的篩選與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，發(fā)展發(fā)射波長在近紅外區(qū)域并具有高熒 光量子產(chǎn)率的熒光探針；針對比例計(jì)量型銅鋅離子探針，擬利用熒光共振能量轉(zhuǎn)移或分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移原理，將對銅鋅離子有高特異性結(jié)合力的基團(tuán)與熒光基團(tuán)（如呋喃喹啉類發(fā)色團(tuán)）整合到同一分子中 , 得到有較大 Stokes位移（大于 100 nm）的金屬離子比例計(jì)量型探針；針對高靈敏度激活型及比例計(jì)量型的 pH熒光探針，擬利用具