精确自组装纳米标记分析方法在前列腺癌早期检测与预后中的应用研究

樊春海徐静娟刘庄鲁娜

（1. 中国科学院上海应用物理研究所，上海 201800；2. 南京大学化学化工学院，南京 210093；3. 苏州大学纳米科学与工程学院，苏州 215123；4. 纳米技术及应用国家工程研究中心，上海200241）

精确自组装纳米标记分析方法在前列腺癌早期检测与预后中的应用研究

樊春海1徐静娟2刘庄3鲁娜4

（1. 中国科学院上海应用物理研究所，上海 201800；2. 南京大学化学化工学院，南京 210093；3. 苏州大学纳米科学与工程学院，苏州 215123；4. 纳米技术及应用国家工程研究中心，上海200241）

编者按: 纳米技术是近年来发展起来的新兴学科，涉及生物技术、医药卫生、环境能源及农业等诸多领域。虽然创立至今仅有短短几十年的发展历程，一直是各领域科学家的研究热点，并不断取得突破性进展。我国科学家也应用纳米技术取得了令人瞩目的成绩。随着纳米技术在医学领域的深入研究，2016年新一轮“国家重点研发计划纳米专项”启动，预示着我国纳米生物技术的研究步入了一个新的阶段。

其中，由中国科学院上海应用物理研究所樊春海研究员、中国科学技术大学化学与材料科学学院崔华教授、浙江大学药学院凌代舜教授等主持了“国家重点研发计划纳米专项”中3个纳米生物技术相关的项目，针对纳米技术在前列腺癌、急性心肌梗死、肝癌方面的应用进行探索和研究，以期推进我国纳米生物技术在医药领域的发展。本栏目的3篇文章就“项目立项的目的意义、总体目标、研究内容、预期效益”进行阐述，以便更好地执行“国家重点研发计划纳米专项”。

前列腺癌是男性生殖系统最常见的恶性肿瘤，在欧美国家已成为男性第一高发的肿瘤［1］。数据显示，中国随着老龄化社会的到来，近20年前列腺癌发病率增长超过10倍，年新发病例达330万人，已处于“爆发性增长”阶段。由于前列腺癌早期患者的5年生存率可达95%，提高前列腺癌早期检测水平的意义尤为重大。现有的早期检测技术主要是基于前列腺特异抗原（PSA）的检测。然而PSA筛查的假阳性高，而且难以区分良性前列腺病变与恶性肿瘤，其广泛应用随之带来了伦理学问题和巨大的争议［1］。

近年来，研究者发现了一系列新型血清标志物［2］。如2009年Nature杂志报道肌氨酸参与了前列腺的癌变过程，可以作为一种小分子肿瘤标志物［3］；而DNA 异常甲基化也被发现是前列腺癌最具特征的表观遗传改变［4］。将PSA检测和这些新的前列腺癌特异性标志物检测结合起来，通过“肿瘤标志群”进行联合检测成为提升前列腺癌早期检测精确性的一种可能。循环靶标则为前列腺癌早期检测提供更为直接的手段。循环靶标包括CTC、CTC团、ctDNA和外泌体等，这些从肿瘤脱离进入血液的物质可以提供与肿瘤发展直接相关的信息［1，2］。发展基于循环靶标的“液体活检”已被认为是实现肿瘤精准医疗的关键技术之一，已成为学术界和工业界的前沿和研究热点［5-12］。美国Cellresearch公司发展的CTC检测试剂盒是目前唯一通过FDA认证的方法。除此以外，麻省总医院发展的检测CTC团的CTC-chip，斯坦福大学医学院发展的检测ctDNA的CAPP-Seq试剂盒等均引起了广泛关注。

众多研究表明，纳米标记技术能有效提升生物检测性能。然而，常规的纳米材料通常存在一定的尺度分布，其均一性问题限制了纳米标记在实际中的应用。DNA纳米技术的兴起则为解决这一问题提供了前所未有的机遇。基于美国加州理工学院Rothemund博士发展的“DNA折纸术”（Nature 2006），研究人员可以构建出任意形状、不同维度的DNA纳米结构，并能实现蛋白、纳米粒子等功能单元在纳米结构上的精确定位，发展尺寸形貌可控的纳米标记探针［13-16］。本项目提出的“精确自组装”纳米标记策略，即是通过设计单一分子量、空间拓扑形貌可控的DNA纳米结构，发展新型精确纳米标记，有望解决纳米标记均一性这一生物检测中长期存在的挑战性问题。申请者和国际同行的前期研究结果表明，利用精确DNA纳米结构可以实现生物靶标的高效捕获和识别，从而大幅提升生物检测灵敏度［17-20］。特别是，通过DNA纳米结构与金纳米粒子、量子点等无机纳米粒子的精确组装和复合，有可能将检测极限推至单分子、单细胞水平，为在血清乃至全血中捕获和检测极低浓度的循环靶标提供全新的可能。

1 研究内容和目标

围绕指南“恶性肿瘤等重大疾病的纳米检测及体外诊断新方法”内容，针对“后PSA时代”前列腺癌精准检测与预后评估这一重大需求，提出“精确自组装”纳米标记策略并发展单分子、单细胞水平纳米生物检测方法，研制高特异的肿瘤标志群联合检测和超灵敏的循环靶标“液体活检”平台，实现临床转化，为前列腺癌“精准医疗”奠定基础。

我们拟重点关注以下科学问题：如何通过DNA精确编码，解决纳米标记均一性这一长期存在的挑战性问题，从而大幅提升生物检测灵敏度和特异性；如何通过肿瘤标志群的联合检测和超灵敏的纳米“液体活检”分析实现“精准”的前列腺癌检测，有效区分良性增生和恶性肿瘤，并对肿瘤的恶性程度进行精确预后评估。

（1）利用DNA识别的精确性，设计单一分子量、空间拓扑形貌可控的DNA纳米结构，通过包装量子点和贵金属纳米粒子实现三维空间上的精确定点修饰，建立模拟“人工原子”价态可控的功能纳米粒子体系；（2）通过研究多元协同界面对靶标分子识别的协同效应与机制，利用“精确自组装”纳米标记，设计并构建高效的循环靶标捕获界面，发展均一的信号放大技术；（3）通过研制集成微型电化学检测器和电极的微流控芯片，研制成自动化程度高、操作便捷的检测装置，实现对前列腺癌标志群的联合检测和单分子、单细胞水平的“液体活检”技术。

2 预期成果及展望

我们针对前列腺癌早期和“精准”检测这一重大需求，提出“精确自组装”纳米标记策略，设计和合成出功能组装基元，建立纳米标记多层次、多组份的可控自组装新方法，将生物检测推进到单分子、单细胞水平，实现血液中稀少循环靶标的超灵敏检测。我们将研制集成单细胞捕获微流控芯片、测试电极和微型电化学检测器的样机，实现对患者血样或尿样中与前列腺癌相关联的小分子、大分子、蛋白等进行自动化程度高、操作便捷的检测，并用于对同一血样中前列腺癌标志群的联合检测。建立在纳米生物检测领域的创新研究平台，打造一支在国际上有重要影响力的研究队伍；通过附属医院和国家工程研究中心结合的模式，建立临床示范应用中心，形成基础研究、临床应用与产业化示范的全链条发展模式。

［1］Brody H. Prostate cancer［J］. Nature, 2015, 528（7582）：S117.

［2］Esteller M. Molecular origins of cancer：epigenetics in cancer［J］. New Engl J Med, 2008, 358：1148-1159.

［3］ Sreekumar A, Poisson LM, Rajendiran TM, et al. Metabolomicprofiles delineate potential role for sarcosine in prostate cancer progression［J］. Nature, 2009, 457（7231）：910-914.

［4］Yang L, Lin C, Jin C, et al. LncRNA-dependent mechanisms of androgen-receptor- regulated gene activation programs［J］. Nature, 2013, 500（7464）：598-602.

［5］Ni X, Zhuo M, Su Z, et al. Reproducible copy number variation patterns among single circulating tumor cells of lung cancer patients［J］. Proc Natl Acad Sci USA, 2013, 110（52）：21083-21088.

［6］Miyamoto D, Zheng Y, Wittner B, et al. RNA-Seq of single prostate CTCs implicates noncanonical Wnt signaling in antiandrogen resistance［J］. Science, 2015, 349（6254）：1351-1356.

［7］Liu H, Li Y, Sun K, et al. Dual-responsive surfaces modified with phenylboronic acid-containing polymer brush to reversibly capture and release cancer cells［J］. J Am Chem Soc, 2013, 135（20）：7603-7609.

［8］Yang G, Cao Y, Fan J, et al. Rapid generation of cell gradients by utilizing solely nanotopographic interactions on a bio-inert glass surface［J］. Angew Chem Int Ed, 2014, 53（11）：2915-2918.

［9］Tan W, Donovan MJ, Jiang J. Aptamers from Cell-based selection for bioanalytical applications［J］. Chem Rev, 2013, 113（4）：2842-2862.

［10］Yang L, Meng L, Zhang X. Engineering polymeric aptamers for selective cytotoxicity［J］. J Am Chem Soc, 2011, 133（34）：13380-13386.

［11］Wen C, Wu L, Zhang Z, et al. Quick-response magnetic nanospheres for rapid, efficient capture and sensitive detection of circulating tumor cells［J］. ACS Nano, 2014, 8（1）：941-949.

［12］Tang M, Wen C, Wu L, et al. A chip assisted immunomagnetic separation system for the efficient capture and in situ identification of circulating tumor cells［J］. Lab Chip, 2016, 16（7）：1214-1223.

［13］Jones MR, Seeman NC, Mirkin CA. Programmable materials and the nature of the DNA bond［J］. Science, 2015, 347（6224）：DOI：10. 1126/science. 1260901.

［14］Han D, Pal S, Nangreave J, et al. DNA origami with complex curvatures in Three- Dimensional space［J］. Science, 2011, 332（6027）：342-346.

［15］Fu Y, Zeng D, Chao J, et al. Single-step rapid assembly of DNA origami nanostructures for addressable nanoscale bioreactors［J］. J Am Chem Soc, 2013, 135（2）：696-702.

［16］Lu N, Pei H, Ge Z, et al. Charge transport within a threedimensional DNA nanostructure framework［J］. J Am Chem Soc, 2012, 134（32）：13148-13151.

［17］Li C, Faulkner-Jones A, Dun AR, et al. Rapid formation of a supramolecular polypeptide- DNA hydrogel for in situ threedimensional multilayer bioprinting［J］. Angew Chem Int Ed, 2015, 54（13）：3957-3961.

［18］Zhao Z, Chen C, Dong Y, et al. Thermally triggered frame-guided assembly［J］. Angew Chem Int Ed, 2014, 53（49）：13468-13470.

［19］Zhou Y, Zhu S, Cai C, et al. High-throughput screening of a CRISPR/Cas9 Library for functional genomics in human cells［J］. Nature, 2014, 509（7501）：487-491.

［20］Streets AM, Zhang X, Cao C, et al. Microfluidic single-cell wholetranscriptome sequencing［J］. Proc Natl Acad Sci USA, 2014, 111（19）：7048-7053.

（责任编辑 马鑫）