荧光量子点、诊断试剂盒，早期十个肿瘤细胞也难逃这种可视化精准检测专利技 ...

哭苞

如何尽早发现肿瘤细胞 " 苗头 "，将它们 " 扼杀在摇篮之中 "？用医学影像学技术如 CT、MRI 等检测肿瘤，可以明确肿瘤发生部位和大小，但受到成像分辨率限制，难以发现 2 到 3 毫米的早期肿瘤病灶。
近日，中国科学家合作开发肿瘤荧光成像技术，为恶性肿瘤早期诊断提供新方法。来自上海交通大学医学院与中科院上海微系统所的科研团队，继开发制备氮掺杂的石墨烯量子点（N-CDs）之后，又一次取得重要进展。他们利用荧光增强机制，研发了基于 N-CDs 的肿瘤荧光成像新技术，成功应用于肿瘤细胞甄别、肿瘤微小病灶检测和临床样本肿瘤细胞筛查，对于肿瘤早期诊断、早期干预和肿瘤可视化研究具有重要意义。解放日报 · 上观新闻记者获悉，这项最新研究结果已在线发表于国际顶级学术期刊《先进材料（Advanced Materials）》。


据国家癌症中心最新统计，我国恶性肿瘤每年新发病例为 392.9 万例，死亡 233.8 万。恶性肿瘤已成为导致我国居民死亡的首要疾病，但由于缺乏肿瘤早期筛查及就诊时间偏晚等原因，大多数患者确诊时已处于临床晚期，5 年生存率仅 30.9%。恶性肿瘤的早期发现和早期治疗对提高患者生存率至关重要，肿瘤早期检测除影像学技术外，还有血清肿瘤特征标志物的常规检测，但这一方法灵敏度和特异性低，甚至无法确定肿瘤发生部位及大小。因此，高灵敏的早期检测技术研发是恶性肿瘤研究领域的关键问题。
针对这一瓶颈，上海交通大学医学院附属第九人民医院眼科范先群教授团队与中国科学院上海微系统与信息技术研究所丁古巧研究员团队合作，采用表面修饰技术，开发制备出一种新型的氮掺杂石墨烯量子点 ( N-CDs ) 。N-CDs 具有 4.6 纳米的均一尺寸，晶格的氮掺杂结构显著提高了荧光量子效率，使其在 540 纳米处具有强而稳定的光致发光特性。在生物成像方面，与传统荧光造影剂相比，N-CDs 表现出荧光信号强、检测灵敏度高、稳定性好、生物相容性好、可进行长时间动态观测和活体成像等明显优势。这项研究成果于 2018 年发表于国际知名期刊《先进功能材料（Advanced Functional Materials）》。


在这些前期研究基础上，范先群教授团队首次发现 N-CDs 与肿瘤有氧糖酵解的代谢中间产物——氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）有关，可通过荧光共振能量转移，实现荧光增强。团队首先利用代谢组学技术，绘制了肿瘤细胞和正常细胞的代谢特征图谱，证实肿瘤细胞有氧糖酵解的代谢模式显著提高着肿瘤细胞胞质内的 NAD+ 水平。
据介绍，肿瘤细胞胞质内 NAD+ 水平达正常细胞的 400 到 600 倍。通过荧光共振能量转移过程，肿瘤细胞有氧糖酵解代谢的荧光增强，就实现了对肿瘤早期微小病灶与正常组织之间的荧光甄别。在肿瘤细胞与正常细胞混杂共培养的模型中，人们在共聚焦显微镜下，可以清晰观察到由 N-CDs 标记的 13 种肿瘤细胞的亮绿色荧光，包括视网膜母细胞瘤、脉络膜黑色素瘤、肝癌和尿路上皮癌等，实现与周围正常细胞的完全区分，敏感度和特异性高达 97.87% 和 96.15%。
解放日报 · 上观新闻记者了解到，在小鼠眼肿瘤的原位模型中，通过活体成像技术对荧光的捕捉，N-CDs 实现了对脉络膜组织内的微米级肿瘤病灶的荧光识别与标记，微米级仅相当于 10 到 50 个肿瘤细胞。而且，随着肿瘤的生长与侵袭，N-CDs 的荧光信号逐渐增强，提示 N-CDs 可对肿瘤的增殖与转移进行动态荧光监测。专家认为，研究工作从代谢角度揭示了肿瘤检测的新靶点，明确了 N-CDs 荧光增强的分子作用新机制，为肿瘤早期检测与筛查提供了一种低成本、高精准和普适的可视化肿瘤检测技术。


图为 2020 年底，上海交通大学医学院战疫画册和丛书首发时，范先群向抗疫英雄们致敬。
实验中，范先群团队进一步收集了包括玻璃体、尿液和胸腹水等临床样本进行检测，荧光显微镜结果分析发现，N-CDs 可特异性地对玻璃体、尿液和血液中的肿瘤细胞进行荧光捕捉，而脱落的上皮细胞和红细胞等则无荧光信号。这种差异化荧光标记，对于目标人群的视觉系统、消化系统和泌尿系统肿瘤筛查具有重要的临床价值。
在基础研究成果上，范先群团队建立了 " 基于碳氮荧光量子点的有氧糖酵解检测技术 " 和 " 碳氮量子点肿瘤细胞检测技术 "，并申请两项国家发明专利。研究团队构建出肿瘤荧光检测原型试剂盒，对肿瘤患者玻璃体、尿液、胸腔灌洗液等进行检测，可快速检测出肿瘤细胞，具有检测快、操作易、精度高和准确性好等优点。据悉，他们目前正在推进成果转化，力图荧光诊断试剂盒早日应用于临床，造福肿瘤患者。
栏目主编：徐瑞哲 本文作者：徐瑞哲 文字编辑：徐瑞哲 题图来源：视觉中国 图片编辑：朱瓅
本文图片来源：上海交大医学院