酶活纳米传感器：瞄准酶 监测和研究癌症

通过分析生物、组织和细胞尺度上的酶活性，新的传感器可以为临床医生和癌症研究人员提供新的工具。

　　

癌症中的多种过程是由酶介导的。高保真度的酶活性分析方法对于理解酶在癌症中的病理作用至关重要。麻省理工学院Koch综合癌症研究所的研究人员最近在《自然通讯》上发表了一项研究，他们开发了一套靶向酶的纳米工具，可以实时监测癌症进展和治疗反应，将酶活性映射到肿瘤内的精确位置，并分离相关细胞群进行分析。

背景

肿瘤进展的不同过程不仅依赖于生物分子丰度的变化，而且也依赖于生物分子活性的变化。因此，定量跟踪细胞、组织和生物体环境中的蛋白质活性的方法对于推进对癌症生物学的理解和设计下一代精准癌症药物至关重要。虽然组学革命使我们能够对基因组、表观基因组、转录组和蛋白质组进行高通量分析，但在很大程度上已经停止了对蛋白质活性水平的探究——而蛋白质活性是一种独特的调节轴，通常最接近被激活的生物学功能。虽然单细胞转录组学使我们能够确定肿瘤内异质性，原位定位蛋白质和核酸序列技术也开始使我们能够在空间背景下研究肿瘤，但用于单细胞和酶活性空间分析的类似技术基本上尚未开发。

在生物体、组织和细胞尺度上分析酶活性的方法可以产生新的生物学见解，并为癌症的诊断和治疗开辟途径。近年来，人们开始推动开发可测量体内生物分子活性的生物传感器，从而产生可无创性读取的合成信号。例如，体内纳米颗粒和酶活性的分子传感器已使癌症的无创检测成为可能，而葡萄糖的主动摄取已被用于癌症代谢的功能成像。然而，这种体内读数在很大程度上将机体视为一个黑匣子，牺牲了肿瘤微环境(TME)内空间定位的信息，从而无法在单细胞水平上解析表型异质性，从而减少了生物学解读。因此，仍然需要能够产生和统一分子活性测量跨生物学尺度的方法。

研究亮点

作者提出了一套在生物体、组织和细胞尺度上分析癌症中特异性蛋白酶活性的综合方法，并将这些方法用于在Alk突变肺癌模型中研究治疗反应。他们在体内环境中利用多重蛋白酶响应型纳米传感器和机器学习，分析了Alk突变型非小细胞肺癌(NSCLC)小鼠模型的体内蛋白酶活性动力学，发现了一个显著的失调——S1肽的切割增强，并发现其在ALK抑制剂阿来替尼靶向治疗后迅速恢复到健康水平。他们建立了一种针对目标肽底物的蛋白酶活性的组织空间定位的多重检测方法，通过蛋白酶活性的直接组织定位，确定S1切割发生在肿瘤血管。为了在细胞尺度上将蛋白酶活性与其他测量模式联系起来，他们设计了一种基于活性的细胞分选，使用肽探针和流式细胞术根据相关的酶活性分选单个细胞，成功分离和表征具有蛋白水解活性的细胞，揭示了S1裂解细胞促血管生成表型。空间和单细胞分析将治疗反应性活性特征与肿瘤血管生成中的周细胞和内皮细胞联系起来，提示癌细胞和TME细胞之间的动态交叉对话。

这些跨尺度检测蛋白酶活性的方法可以产生关于肿瘤微环境的丰富功能数据，并转化为癌症诊断和治疗，为癌症中蛋白酶失调的功能性、多尺度表征提供了一个框架。“我们希望这个新的工具套件可以在临床和实验室同样有用，”Sangeeta Bhatia说，他是该研究的高级作者。“随着进一步的发展，临床医生可以使用纳米传感器为患者的特定癌症量身定制治疗方案，并监测癌症进展和治疗反应，而研究人员可以使用它们更好地了解癌症的分子生物学，并开发诊断、跟踪和治疗疾病的新工具。”

实时追踪肿瘤

几年来，Bhatia实验室一直在开发用于检测癌症的无创尿检，包括结肠癌、卵巢癌和肺癌。这种测试依赖于纳米粒子与被称为蛋白酶的肿瘤蛋白质相互作用。蛋白酶是一种酶，它像分子剪刀一样切割蛋白质并将其分解成更小的成分。蛋白酶通过切断固定细胞的细胞外蛋白质网络，帮助癌细胞逃离肿瘤。纳米颗粒表面包裹着靶向癌症相关蛋白酶的肽(短蛋白质片段)。当纳米颗粒到达肿瘤部位时，多肽被切断并释放出可在尿液中检测到的生物标记物。

在目前的研究中，研究人员测试了他们是否不仅可以使用这种技术来检测癌症，而且可以随着时间的推移准确而敏感地跟踪癌症的发展及其对治疗的反应。该团队创建了一个由14个纳米颗粒组成的组合，旨在靶向小鼠模型诱导的非小细胞肺癌中过表达的蛋白酶。当这些纳米颗粒遇到肿瘤微环境中调控异常的酶时，它们会释放出条形码多肽。每个纳米传感器都能跟踪不同的蛋白酶活性模式，随着肿瘤的进展，酶活性会发生显著变化。在使用肺癌靶向药物治疗后，研究人员能够在短短三天内迅速发现肿瘤消退的迹象。

细胞图谱和种群

虽然现有的纳米传感器技术可以用来跟踪肿瘤的进展和一般的治疗反应，但它本身并不能揭示具体的细胞过程在工作。“就像许多可用来评估癌症分子标记的工具一样，我们的尿液报告器将人体视为一个黑匣子，”Kirkpatrick说。“虽然我们获得了一些关于疾病状态的信息，但我们还想更多地了解导致疾病以特定方式表现的细胞或蛋白质。”

在确定了感兴趣的纳米传感器后，研究人员绘制了肿瘤微环境中作用于这些传感器的酶的活跃位置。他们调整了纳米探针，使其在从纳米传感器上分离时留下荧光标记，给不同的蛋白酶分配不同的标记。在将纳米探针应用于肺组织样本后，他们寻找标签如何分布的模式。

其中一个标记产生了一个奇怪的纺锤状图案，结果证明它属于肿瘤血管系统。研究人员将蛋白酶活性定位于特定类型的细胞:血管内皮细胞和周细胞，前者负责血管排列，后者负责调节血管功能，并在血管生成中被积极招募——血管生成是癌细胞生长的典型标志之一。血管生成允许肿瘤细胞吸收现有的血管并刺激新血管的形成，以获得肿瘤形成和发展所需的营养物质。

利用纳米探针根据细胞的酶活性对细胞进行标记和分类，研究小组发现了与血管系统相关的细胞群，这些细胞群表现出与血管生成相关的基因的高表达。研究人员还发现了周细胞和内皮细胞之间存在信号传递的证据，内皮细胞共同构成了血管组织中的血管生成血管。

标志的观察

在未来的工作中，该团队将试图识别周细胞中活性的特定蛋白酶，并分析其在血管生成中的作用。有了这些知识，他们希望开发出一种疗法的配方，可以提供给患者，破坏与肿瘤生长相关的血管的招募和形成。

最终，该团队希望用纳米探针组合无创地同时监测癌症患者的多个重要特征。癌症的其他特征包括增殖信号、生长抑制因子的规避、基因组不稳定、对细胞死亡的抵抗、代谢失调以及侵袭和转移的激活。由于癌症改变了所有这些过程中的蛋白酶活性，该团队的纳米探针可以针对这些不同的过程进行设计，目的是提供肿瘤活动驱动疾病的全面图像。该方法将为研究癌症模型中关键生物现象的研究人员，以及寻求非侵入性监测癌症进展并为患者选择治疗方法的临床医生提供帮助。