精確自組裝納米標記分析方法在前列腺癌早期檢測與預后中的應(yīng)用研究

樊春海徐靜娟劉莊魯娜

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

精確自組裝納米標記分析方法在前列腺癌早期檢測與預后中的應(yīng)用研究

樊春海1徐靜娟2劉莊3魯娜4

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

編者按: 納米技術(shù)是近年來發(fā)展起來的新興學科，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)域科學家的研究熱點，并不斷取得突破性進展。我國科學家也應(yīng)用納米技術(shù)取得了令人矚目的成績。隨著納米技術(shù)在醫(yī)學領(lǐng)域的深入研究，2016年新一輪“國家重點研發(fā)計劃納米專項”啟動，預示著我國納米生物技術(shù)的研究步入了一個新的階段。

其中，由中國科學院上海應(yīng)用物理研究所樊春海研究員、中國科學技術(shù)大學化學與材料科學學院崔華教授、浙江大學藥學院凌代舜教授等主持了“國家重點研發(fā)計劃納米專項”中3個納米生物技術(shù)相關(guān)的項目，針對納米技術(shù)在前列腺癌、急性心肌梗死、肝癌方面的應(yīng)用進行探索和研究，以期推進我國納米生物技術(shù)在醫(yī)藥領(lǐng)域的發(fā)展。本欄目的3篇文章就“項目立項的目的意義、總體目標、研究內(nèi)容、預期效益”進行闡述，以便更好地執(zhí)行“國家重點研發(fā)計劃納米專項”。

前列腺癌是男性生殖系統(tǒng)最常見的惡性腫瘤，在歐美國家已成為男性第一高發(fā)的腫瘤［1］。數(shù)據(jù)顯示，中國隨著老齡化社會的到來，近20年前列腺癌發(fā)病率增長超過10倍，年新發(fā)病例達330萬人，已處于“爆發(fā)性增長”階段。由于前列腺癌早期患者的5年生存率可達95%，提高前列腺癌早期檢測水平的意義尤為重大?，F(xiàn)有的早期檢測技術(shù)主要是基于前列腺特異抗原（PSA）的檢測。然而PSA篩查的假陽性高，而且難以區(qū)分良性前列腺病變與惡性腫瘤，其廣泛應(yīng)用隨之帶來了倫理學問題和巨大的爭議［1］。

近年來，研究者發(fā)現(xiàn)了一系列新型血清標志物［2］。如2009年Nature雜志報道肌氨酸參與了前列腺的癌變過程，可以作為一種小分子腫瘤標志物［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檢測和這些新的前列腺癌特異性標志物檢測結(jié)合起來，通過“腫瘤標志群”進行聯(lián)合檢測成為提升前列腺癌早期檢測精確性的一種可能。循環(huán)靶標則為前列腺癌早期檢測提供更為直接的手段。循環(huán)靶標包括CTC、CTC團、ctDNA和外泌體等，這些從腫瘤脫離進入血液的物質(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)靶標的“液體活檢”已被認為是實現(xiàn)腫瘤精準醫(yī)療的關(guān)鍵技術(shù)之一，已成為學術(shù)界和工業(yè)界的前沿和研究熱點［5-12］。美國Cellresearch公司發(fā)展的CTC檢測試劑盒是目前唯一通過FDA認證的方法。除此以外，麻省總醫(yī)院發(fā)展的檢測CTC團的CTC-chip，斯坦福大學醫(yī)學院發(fā)展的檢測ctDNA的CAPP-Seq試劑盒等均引起了廣泛關(guān)注。

眾多研究表明，納米標記技術(shù)能有效提升生物檢測性能。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記在實際中的應(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遇?；诿绹又堇砉W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記探針［13-16］。本項目提出的“精確自組裝”納米標記策略，即是通過設(shè)計單一分子量、空間拓撲形貌可控的DNA納米結(jié)構(gòu)，發(fā)展新型精確納米標記，有望解決納米標記均一性這一生物檢測中長期存在的挑戰(zhàn)性問題。申請者和國際同行的前期研究結(jié)果表明，利用精確DNA納米結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)生物靶標的高效捕獲和識別，從而大幅提升生物檢測靈敏度［17-20］。特別是，通過DNA納米結(jié)構(gòu)與金納米粒子、量子點等無機納米粒子的精確組裝和復合，有可能將檢測極限推至單分子、單細胞水平，為在血清乃至全血中捕獲和檢測極低濃度的循環(huán)靶標提供全新的可能。

1 研究內(nèi)容和目標

圍繞指南“惡性腫瘤等重大疾病的納米檢測及體外診斷新方法”內(nèi)容，針對“后PSA時代”前列腺癌精準檢測與預后評估這一重大需求，提出“精確自組裝”納米標記策略并發(fā)展單分子、單細胞水平納米生物檢測方法，研制高特異的腫瘤標志群聯(lián)合檢測和超靈敏的循環(huán)靶標“液體活檢”平臺，實現(xiàn)臨床轉(zhuǎn)化，為前列腺癌“精準醫(yī)療”奠定基礎(chǔ)。

我們擬重點關(guān)注以下科學問題：如何通過DNA精確編碼，解決納米標記均一性這一長期存在的挑戰(zhàn)性問題，從而大幅提升生物檢測靈敏度和特異性；如何通過腫瘤標志群的聯(lián)合檢測和超靈敏的納米“液體活檢”分析實現(xiàn)“精準”的前列腺癌檢測，有效區(qū)分良性增生和惡性腫瘤，并對腫瘤的惡性程度進行精確預后評估。

（1）利用DNA識別的精確性，設(shè)計單一分子量、空間拓撲形貌可控的DNA納米結(jié)構(gòu)，通過包裝量子點和貴金屬納米粒子實現(xiàn)三維空間上的精確定點修飾，建立模擬“人工原子”價態(tài)可控的功能納米粒子體系；（2）通過研究多元協(xié)同界面對靶標分子識別的協(xié)同效應(yīng)與機制，利用“精確自組裝”納米標記，設(shè)計并構(gòu)建高效的循環(huán)靶標捕獲界面，發(fā)展均一的信號放大技術(shù)；（3）通過研制集成微型電化學檢測器和電極的微流控芯片，研制成自動化程度高、操作便捷的檢測裝置，實現(xiàn)對前列腺癌標志群的聯(lián)合檢測和單分子、單細胞水平的“液體活檢”技術(shù)。

2 預期成果及展望

我們針對前列腺癌早期和“精準”檢測這一重大需求，提出“精確自組裝”納米標記策略，設(shè)計和合成出功能組裝基元，建立納米標記多層次、多組份的可控自組裝新方法，將生物檢測推進到單分子、單細胞水平，實現(xiàn)血液中稀少循環(huán)靶標的超靈敏檢測。我們將研制集成單細胞捕獲微流控芯片、測試電極和微型電化學檢測器的樣機，實現(xiàn)對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、蛋白等進行自動化程度高、操作便捷的檢測，并用于對同一血樣中前列腺癌標志群的聯(lián)合檢測。建立在納米生物檢測領(lǐng)域的創(chuàng)新研究平臺，打造一支在國際上有重要影響力的研究隊伍；通過附屬醫(yī)院和國家工程研究中心結(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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（責任編輯 馬鑫）