基于HCR的自组装光声探针用于可视化miR-155以监测乳腺癌的发生及化疗效果

注：文末有研究团队简介 及本文作者科研思路分析

乳腺癌是女性疾病中高发且致死率极高的恶性肿瘤之一，由于早期症状不明显，容易忽略，临床上检测出的一般是中期甚至是晚期，不但增加了其转移的风险，而且手术治愈的几率大大降低。因此，乳腺癌的早期诊断及预后评估是治疗乳腺癌的关键。

图1. 基于杂交链式反应（HCR）的自组装光声探针用于检测miR-155

众所周知，microRNA是细胞内一类非常重要的非编码RNA，能够通过靶向mRNA、抑制其转录并调节RNA降解控制相关基因的表达。因此，在乳腺癌的早期存在很多microRNA的异常表达，其中microRNA-155（miR-155）就是一种致癌基因，在乳腺癌的早期过表达。如果能够在活体水平上实现miR-155的检测，就能大大提高早期乳腺癌的诊出率，开展及时有效的治疗。传统的基因检测方法（微矩阵分析、qRT-PCR等）存在很多缺点：特异性差、操作繁琐，只能体外检测。尽管荧光探针能够在活体水平进行检测，但是由于组织的自荧光干扰及荧光的组织穿透能力限制，再加上miR-155在细胞内含量极低，荧光成像并不适合进行活体检测。

山东师范大学的唐波教授（点击查看介绍）研究团队开发的基于杂交链式反应（HCR）的自组装纳米金光声探针很好地弥补了上述缺憾。该探针由特异性发卡DNA（H1和H2）以及PEG构成，通过巯基分别连接在不同纳米金表面（Au-H1/PEG和Au-H2/PEG，图1）。当探针到达肿瘤部位，过表达的miR-155与H1和H2发生HCR，探针自组装成金聚集体，增强了Au的表面等离子体共振，其吸收峰红移，产生强烈的光声信号。基于HCR的信号放大作用，探针的检测线可低至0.25 nM。再结合光声成像的深层组织穿透性、高对比度及空间分辨率，该探针在肿瘤接种后的第二天就能捕获到miR-155的信号（图2），而且在化疗效果评估过程中能够实时监测治疗效果（图3）。该探针极大程度提高了乳腺癌早期诊断的准确性及预后评估的可靠性，为进一步研究癌症的发生、发展及预后提供了强有力的平台，具有重要的临床研究价值。

图2. 光声探针监测肿瘤发生过程中miR-155的变化

图3. 光声探针监测化疗过程中miR-155的变化

这一成果近期发表在Analytical Chemistry 上，论文的第一作者为博士研究生曹文华，通讯作者为唐波教授和青年教师高雯。

该论文作者为：Wenhua Cao, Wen Gao, Zhenhua Liu, Wenjing Hao, Xiang Li, Yuhui Sun, Lili Tong and Bo Tang

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Visualizing miR-155 to monitor breast tumorigenesis and response to chemotherapeutic drugs by a self-assembled photoacoustic nanoprobe.

Anal. Chem., 2018, 90, 9125, DOI: DOI: 10.1021/acs.analchem.8b01537

高雯博士简介

高雯，2012年10月进入山东师范大学工作，现任化学化工与材料科学学院副教授，山东省优青获得者，硕士生导师，分子与纳米教育部重点实验室学术骨干。

高雯博士一直围绕肝癌和动脉粥样硬化的发生发展机制及纳米诊疗展开系统研究，在发生发展机制方面，主要聚焦于活性氧对该类疾病的调控研究；在纳米诊疗方面，发展了一系列多效智能纳米探针用于该类疾病的靶向治疗和多模态成像检测；以第一和通讯作者在Nat. Commun.、Chem. Sci.、Biomaterials、Anal. Chem.、Chem. Commun.等国际知名学术期刊上发表SCI论文10余篇，影响因子均大于6.0，相关成果得到Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater.等正面报道和评述；先后主持国家自然科学基金青年项目、面上项目等多项国家级项目；荣获山东高等学校优秀科研成果奖一等奖（第二完成人）和山东省自然科学二等奖（第二完成人）。

唐波

http://www.x-mol.com/university/faculty/12175

高雯

http://www.x-mol.com/university/faculty/12236

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：乳腺癌已经成为严重困扰女性的恶性肿瘤之一，及时的早期诊断及治疗是治愈的关键因素。miR-155是乳腺癌早期阶段普遍过表达的一种非编码基因，因此我们想通过检测miR-155来实现乳腺癌的早期检测及预后评估。由于传统的检测方法只能实现体外检测，而荧光成像探针又受到组织自体荧光的干扰和荧光组织穿透能力的限制，再加上miR-155的含量极低，所以需要寻找能够实现原位实时检测的新方法。该方法需要满足三个条件：深层组织穿透能力、信号放大能力及强肿瘤滞留能力。所以我们分别选择了光声成像、杂交链式反应（HCR）以及金聚集体来解决以上难题。构建的光声纳米探针能够在miR-155存在时，通过HCR自组装成金聚集体。基于金的表面等离子体共振效应，探针吸收红移，产生强烈的光声信号，实现了信号的放大，并借助光声成像的深层组织穿透能力和高对比度及空间分辨率，实现了miR-155的原位实时监测。而形成聚集体后的探针肿瘤滞留能力大大提高，为成像监测提供了足够的时间，从而实现了对乳腺的发生及预后评估的原位实时监测。

Q：该研究成果解决了哪些问题，具有怎样的学术与社会价值？此项研究还有哪些挑战？

A：该研究针对目前乳腺癌早期过表达基因检测中存在的缺陷，设计构建了基于HCR的自组装光声纳米探针，利用HCR的信号放大机制以及光声成像的深层组织穿透能力和高对比度及空间分辨率，成功实现了miR-155的原位检测，对乳腺癌的发生和预后进行原位实时监测。该探针极大程度提高了乳腺癌早期诊断的准确性及预后评估的可靠性，为进一步研究癌症的发生、发展及预后提供了强有力的平台，具有重要的临床研究价值。

下一步我们需要攻克的难题就是实现体内定量检测miR-155的水平，甚至能够实现多基因的同时检测和定量。另外，人体环境复杂多变，其均一性、安全性等问题限制了在临床中的实际应用。该研究内容涉及分析化学、生物学及医学，是多学科的交叉创新研究，其中需要不少医学方面的背景知识，而我们的团队主要来源于化学和生物学专业，因此在医学领域存在知识、经验储备不足的挑战，未来希望有相关领域的研究者一起合作，将研究推动到更高的层次。