癌癥的特征在于許多被稱為“癌癥標(biāo)志”的關(guān)鍵生物學(xué)過程，這些過程會重塑細(xì)胞及其周圍環(huán)境，從而使腫瘤能夠形成、生長和生長。其中許多變化是由特定基因和蛋白質(zhì)介導(dǎo)的，與其他細(xì)胞過程協(xié)同工作，但具體情況因癌癥類型而異，甚至因患者而異。

用于測量蛋白質(zhì)或基因表達的敏感工具，即使是在單細(xì)胞水平上，也有助于研究人員了解腫瘤微環(huán)境中存在的不同細(xì)胞類型，以及這種成分在治療后如何變化。然而，這些檢測不一定顯示哪些蛋白質(zhì)是活躍的或與腫瘤進展相關(guān)，或者允許臨床醫(yī)生無創(chuàng)地監(jiān)測疾病的進展或其對治療的反應(yīng)。例如，一種蛋白質(zhì)可以作為旁觀者存在于癌細(xì)胞中，但不是其細(xì)胞轉(zhuǎn)化的積極參與者。催化細(xì)胞內(nèi)生化反應(yīng)的酶可以更清楚地了解在特定時間靶向哪些基因或蛋白質(zhì)。

在最近發(fā)表在《自然通訊》上的工作中，麻省理工科赫綜合癌癥研究所的研究人員開發(fā)了一套酶靶向納米級工具，用于實時監(jiān)測癌癥進展和治療反應(yīng)，將酶活性映射到腫瘤內(nèi)的準(zhǔn)確位置，以及分離相關(guān)的細(xì)胞群進行分析。

“我們希望這套新工具可以在臨床和實驗室中使用，”John J. and Dorothy Wilson 健康科學(xué)與技術(shù)教授、計算機科學(xué)電氣工程教授和作者 Sangeeta Bhatia 說的研究�！半S著進一步的發(fā)展，臨床醫(yī)生可以使用納米傳感器來定制針對患者特定癌癥的治療方法，并監(jiān)測癌癥進展和治療反應(yīng)，而研究人員可以使用它們更好地了解癌癥的分子生物學(xué)并開發(fā)新的診斷工具，跟蹤和治療疾病。”

Bhatia 還是麻省理工學(xué)院科赫綜合癌癥研究所和醫(yī)學(xué)工程與科學(xué)研究所的成員。這項研究是與 Tyler Jacks 實驗室合作進行的，由 Bhatia 實驗室的前研究生 Ava Amini (Soleimany) '16 領(lǐng)導(dǎo)；和同樣來自 Bhatia 實驗室的博士后 Jesse Kirkpatrick。

實時追蹤腫瘤

幾年來，Bhatia 實驗室一直在開發(fā)用于檢測癌癥的無創(chuàng)尿液檢測，包括結(jié)腸癌、卵巢癌和肺癌。這些測試依賴于與稱為蛋白酶的腫瘤蛋白相互作用的納米顆粒。蛋白酶是一種酶，可作為分子剪刀切割蛋白質(zhì)并將其分解成更小的成分。蛋白酶通過切斷將細(xì)胞固定在適當(dāng)位置的蛋白質(zhì)細(xì)胞外網(wǎng)絡(luò)，幫助癌細(xì)胞從腫瘤中逃脫。

納米顆粒涂有靶向與癌癥相關(guān)的蛋白酶的肽（短蛋白質(zhì)片段）。當(dāng)納米顆粒到達腫瘤部位時，肽會被切割并釋放可以在尿液中檢測到的生物標(biāo)志物。

在目前的研究中，研究人員測試了他們是否可以使用這項技術(shù)不僅可以檢測癌癥，還可以準(zhǔn)確、靈敏地跟蹤癌癥的發(fā)展及其對治療的反應(yīng)。該團隊創(chuàng)建了一組 14 個納米粒子，旨在靶向在小鼠模型中誘導(dǎo)的非小細(xì)胞肺癌中過度表達的蛋白酶。當(dāng)這些納米顆粒在腫瘤微環(huán)境中遇到失調(diào)的酶時，它們已被調(diào)整為釋放條形碼肽。

每個納米傳感器都能夠跟蹤不同模式的蛋白酶活性，隨著腫瘤的進展，蛋白酶活性發(fā)生了巨大變化。在使用肺癌靶向藥物治療后，研究人員能夠在短短三天內(nèi)迅速發(fā)現(xiàn)腫瘤消退的跡象。

細(xì)胞圖和種群

雖然現(xiàn)有的納米傳感器技術(shù)一般可用于跟蹤腫瘤進展和治療反應(yīng)，但它本身并不能揭示工作中的特定細(xì)胞過程。

“就像許多可用于評估癌癥分子標(biāo)志物的工具一樣，我們的尿液報告器將身體視為一個黑匣子，”柯克帕特里克說�！半m然我們獲得了有關(guān)疾病狀態(tài)的一些信息，但我們想更多地了解導(dǎo)致疾病以特定方式表現(xiàn)的細(xì)胞或蛋白質(zhì)�！�

在確定了感興趣的納米傳感器后，研究人員繪制了在腫瘤微環(huán)境中作用于這些傳感器的酶處于活躍狀態(tài)的位置。當(dāng)他們從納米傳感器上切割下來時，他們調(diào)整了他們的納米探針留下熒光標(biāo)簽，將不同的標(biāo)簽分配給不同的蛋白酶。在將納米探針應(yīng)用于肺組織樣本后，他們尋找標(biāo)簽如何分布的模式。

一個標(biāo)簽產(chǎn)生了一種奇怪的紡錘狀圖案，結(jié)果證明它屬于腫瘤脈管系統(tǒng)。研究人員確定了特定類型細(xì)胞的蛋白酶活性：內(nèi)皮細(xì)胞，排列血管，周細(xì)胞，調(diào)節(jié)血管功能并在血管生成中被積極招募——這是癌細(xì)胞生長的典型標(biāo)志之一。血管生成允許腫瘤細(xì)胞募集現(xiàn)有血管并刺激新血管形成，以獲得腫瘤形成和進展所需的營養(yǎng)。

使用他們的納米探針根據(jù)細(xì)胞的酶活性對細(xì)胞進行標(biāo)記和分類，研究小組確定了與血管系統(tǒng)相關(guān)的細(xì)胞群，這些細(xì)胞群顯示出與血管生成相關(guān)的基因的高度表達。研究人員還發(fā)現(xiàn)了周細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞之間信號傳導(dǎo)的證據(jù)，這些細(xì)胞共同構(gòu)成血管組織中的血管生成血管。

標(biāo)志性觀察

在未來的工作中，該團隊試圖確定在周細(xì)胞中活躍的特定蛋白酶，并剖析其在血管生成中的作用。有了這些知識，他們希望開發(fā)出可以交付給患者的療法配方，以破壞與腫瘤生長相關(guān)的血管的募集和形成。

然而，最終，該團隊設(shè)想了一組納米探針同時針對癌癥的幾個重要特征且無創(chuàng)地針對患者。癌癥的其他標(biāo)志包括增殖信號傳導(dǎo)、生長抑制因子的逃避、基因組不穩(wěn)定性、對細(xì)胞死亡的抵抗、失調(diào)的代謝以及侵襲和轉(zhuǎn)移的激活。由于癌癥會改變所有這些過程中的蛋白酶活性，因此該團隊的納米探針可以設(shè)計為針對這些不同的過程，目的是提供驅(qū)動疾病的腫瘤活動的全面圖景。該方法可供希望研究癌癥模型中關(guān)鍵生物學(xué)現(xiàn)象的研究人員使用，也可供尋求無創(chuàng)監(jiān)測癌癥進展并為患者選擇治療方法的臨床醫(yī)生使用。

這項研究得到了弗吉尼亞和 DK 路德維希癌癥研究基金、科赫研究所前沿研究計劃、科赫研究所癌癥納米醫(yī)學(xué)大理石中心和強生公司的捐贈的部分支持。