癌症的特征在于许多被称为“癌症标志”的关键生物学过程，这些过程会重塑细胞及其周围环境，从而使肿瘤能够形成、生长和生长。其中许多变化是由特定基因和蛋白质介导的，与其他细胞过程协同工作，但具体情况因癌症类型而异，甚至因患者而异。

用于测量蛋白质或基因表达的敏感工具，即使是在单细胞水平上，也有助于研究人员了解肿瘤微环境中存在的不同细胞类型，以及这种成分在治疗后如何变化。然而，这些检测不一定显示哪些蛋白质是活跃的或与肿瘤进展相关，或者允许临床医生无创地监测疾病的进展或其对治疗的反应。例如，一种蛋白质可以作为旁观者存在于癌细胞中，但不是其细胞转化的积极参与者。催化细胞内生化反应的酶可以更清楚地了解在特定时间靶向哪些基因或蛋白质。

在最近发表在《自然通讯》上的工作中，麻省理工科赫综合癌症研究所的研究人员开发了一套酶靶向纳米级工具，用于实时监测癌症进展和治疗反应，将酶活性映射到肿瘤内的准确位置，以及分离相关的细胞群进行分析。

“我们希望这套新工具可以在临床和实验室中使用，”John J. and Dorothy Wilson 健康科学与技术教授、计算机科学电气工程教授和作者 Sangeeta Bhatia 说的研究。“随着进一步的发展，临床医生可以使用纳米传感器来定制针对患者特定癌症的治疗方法，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新的诊断工具，跟踪和治疗疾病。”

Bhatia 还是麻省理工学院科赫综合癌症研究所和医学工程与科学研究所的成员。这项研究是与 Tyler Jacks 实验室合作进行的，由 Bhatia 实验室的前研究生 Ava Amini (Soleimany) '16 领导；和同样来自 Bhatia 实验室的博士后 Jesse Kirkpatrick。

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液检测，包括结肠癌、卵巢癌和肺癌。这些测试依赖于与称为蛋白酶的肿瘤蛋白相互作用的纳米颗粒。蛋白酶是一种酶，可作为分子剪刀切割蛋白质并将其分解成更小的成分。蛋白酶通过切断将细胞固定在适当位置的蛋白质细胞外网络，帮助癌细胞从肿瘤中逃脱。

纳米颗粒涂有靶向与癌症相关的蛋白酶的肽（短蛋白质片段）。当纳米颗粒到达肿瘤部位时，肽会被切割并释放可以在尿液中检测到的生物标志物。

在目前的研究中，研究人员测试了他们是否可以使用这项技术不仅可以检测癌症，还可以准确、灵敏地跟踪癌症的发展及其对治疗的反应。该团队创建了一组 14 个纳米粒子，旨在靶向在小鼠模型中诱导的非小细胞肺癌中过度表达的蛋白酶。当这些纳米颗粒在肿瘤微环境中遇到失调的酶时，它们已被调整为释放条形码肽。

每个纳米传感器都能够跟踪不同模式的蛋白酶活性，随着肿瘤的进展，蛋白酶活性发生了巨大变化。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。

细胞图和种群

虽然现有的纳米传感器技术一般可用于跟踪肿瘤进展和治疗反应，但它本身并不能揭示工作中的特定细胞过程。

“就像许多可用于评估癌症分子标志物的工具一样，我们的尿液报告器将身体视为一个黑匣子，”柯克帕特里克说。“虽然我们获得了有关疾病状态的一些信息，但我们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，研究人员绘制了在肿瘤微环境中作用于这些传感器的酶处于活跃状态的位置。当他们从纳米传感器上切割下来时，他们调整了他们的纳米探针留下荧光标签，将不同的标签分配给不同的蛋白酶。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。

一个标签产生了一种奇怪的纺锤状图案，结果证明它属于肿瘤脉管系统。研究人员确定了特定类型细胞的蛋白酶活性：内皮细胞，排列血管，周细胞，调节血管功能并在血管生成中被积极招募——这是癌细胞生长的典型标志之一。血管生成允许肿瘤细胞募集现有血管并刺激新血管形成，以获得肿瘤形成和进展所需的营养。

使用他们的纳米探针根据细胞的酶活性对细胞进行标记和分类，研究小组确定了与血管系统相关的细胞群，这些细胞群显示出与血管生成相关的基因的高度表达。研究人员还发现了周细胞和内皮细胞之间信号传导的证据，这些细胞共同构成血管组织中的血管生成血管。

标志性观察

在未来的工作中，该团队试图确定在周细胞中活跃的特定蛋白酶，并剖析其在血管生成中的作用。有了这些知识，他们希望开发出可以交付给患者的疗法配方，以破坏与肿瘤生长相关的血管的募集和形成。

然而，最终，该团队设想了一组纳米探针同时针对癌症的几个重要特征且无创地针对患者。癌症的其他标志包括增殖信号传导、生长抑制因子的逃避、基因组不稳定性、对细胞死亡的抵抗、失调的代谢以及侵袭和转移的激活。由于癌症会改变所有这些过程中的蛋白酶活性，因此该团队的纳米探针可以设计为针对这些不同的过程，目的是提供驱动疾病的肿瘤活动的全面图景。该方法可供希望研究癌症模型中关键生物学现象的研究人员使用，也可供寻求无创监测癌症进展并为患者选择治疗方法的临床医生使用。

这项研究得到了弗吉尼亚和 DK 路德维希癌症研究基金、科赫研究所前沿研究计划、科赫研究所癌症纳米医学大理石中心和强生公司的捐赠的部分支持。