中科大研究人员开发了一种用于早期肿瘤诊断的智能探针

诸平

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据中国科技大学（University of Science and Technology of China简称USTC）2021年12月27日通过物理学家组织网（Phys.org）报道，该校的研究人员开发了一种用于早期肿瘤诊断的智能探针（Researchers develop a smart probe for early tumor diagnosis）。相关研究结果于2021年12月8日已经在德国《应用化学国际版》（Angewandte Chemie International Edition）杂志网站发表——Chenchen Wang,Wei Du, Chenfan Wu, Shan Dan, Miao Sun, Tong Zhang, Bin Wang, Prof. Dr. Yue Yuan, Prof. Dr. Gaolin Liang. Cathespin B‐Initiated Cypate Nanoparticle Formation for Tumor Photoacoustic Imaging. Angewandte Chemie International Edition, First published: 08 December 2021. DOI: 10.1002/anie.202114766. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202114766

由于早期和晚期癌症患者的5年相对生存率存在较大差异，早期发现肿瘤对癌症治疗具有重要意义。组织蛋白酶B (Cathepsin B简称CTSB)由于在许多癌症类型的早期表达增加，被认为是一种潜在的癌症早期诊断的生物标志物。因此，有效和精确监测CTSB的活动提供了一条出路。

最近发表在德国《应用化学国际版》（Angewandte Chemie International Edition）杂志网站上的此项研究中，中国科技大学(USTC)的梁高林（Liang Gaolin）教授和袁跃（Yuan Yue）教授领导的研究小组，通过CTSB启动的细胞内自组装小分子PA成像探针(PA imaging probes)到纳米粒，实现了过表达CTSB肿瘤的特异性光声成像(photoacoustic imaging简称PA imaging)。

PA成像是一种新型的无创、非电离生物医学成像方法，由于其优异的组织穿透深度和高空间分辨率，在生物医学研究和疾病诊断方面具有巨大的潜力。

为了应对早期肿瘤检测的挑战，研究人员利用PA成像探针的自组装信号增强，设计了一种可激活CTSB的近红外PA探针Val-Cit-Cys(SEt)-Lys(Cypate)-CBT (简称Cypate-CBT)。当Cypate-CBT进入过表达CTSB的肿瘤细胞时，其二硫键被细胞内谷胱甘肽（glutathione）还原，其特异性裂解底物Val-Cit被CTSB裂解产生裂开的Cypate-CBT（Cypate-CBT- Cleaved），该产物经分子间CBT-Cys 链接反应（click reaction）生成Cypate-CBT-二聚体（Cypate-CBT-Dimer）。Cypate - CBT -二聚体然后自组装成近红外纳米微粒Cypate-CBT-NPs。

该方法有效地提高了局部探针浓度，延长了保留时间，增强了CTSB活性成像探针的PA信号。研究人员发现，与未修饰的近红外多次甲基菁染料(Cypate)相比，新设计的探针在CTSB过表达的MDA-MB-231癌细胞或肿瘤中分别使PA信号增强4.9倍和4.7倍。这项研究的结果表明，设计更多“智能”PA探针以精确诊断肿瘤的可能性。

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Abstract

A near-infrared photoacoustic (PA) probe Cypate-CBT was designed for specific imaging and real-time tracking of cathespin B (CTSB) activity in CTSB-overexpressing cells and tumors. After Cypate-CBT entered into CTSB-overexpressing cells, it underwent glutathione reduction and CTSB cleavage to generate cypate nanoparticles Cypate-CBT-NPs, which enhanced both the intensity and retention time of the PA signal in tumor sites.

Abstract

Cathepsin B (CTSB) is a lysosomal protease that is overexpressed in the early stage of many cancer types. Precise evaluation of CTSB expression in vivo may provide a promising method for the early diagnosis of cancers. By virtue of the high-resolution PA imaging modality, a “smart” photoacoustic (PA) probe Cypate-CBT, which can self-assemble to cypate-containing nanoparticles in response to abundant GSH and CTSB inside tumor cells, was developed for the sensitive and specific detection of CTSB activity. Compared with unmodified Cypate, our probe Cypate-CBT exhibited a 4.9-fold or 4.7-fold PA signal enhancement in CTSB-overexpressing MDA-MB-231 cancer cells or tumors, respectively, revealing intracellular accumulation of the probe after CTSB-initiated self-assembly. We expect Cypate-CBT to be employed as an effective PA imaging agent for clinical diagnosis of cancer at early stages.