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BioMed科技 · 公众号 · · 2025-01-30 19:45

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尿液检测抗癌疗法

抗肿瘤药物的使用仍然是癌症的一线治疗。然而，这些抗肿瘤药物的毒性甚至胎儿并发症经常被低估；这些不良事件不仅严重损害了患者的健康和生存，还损害了患者在治疗期间接受和耐受推荐剂量的能力。因此，在整个治疗过程中同时监测治疗效果和相关不良事件对于改善癌症患者的预后和总体结果非常重要。与需要昂贵仪器、专业人员和繁琐样本制备的多组学分析相比，尿液检测易于进行且成本效益高，为即时诊断和预后提供了一种非侵入性和便捷的方法。然而，由于尿液中可获得的生物分子的数量非常有限且浓度较低，评估癌症治疗的疗效和安全性的动态和纵向尿液测试尚待探索。

新型尿液生物正交报告剂

在这项研究中， 南洋理工大学浦侃裔教授 等人报告了使用患有肺癌并接受化疗的小鼠进行的尿荧光测试，用于同时监测肿瘤生物标志物（组织蛋白酶B）和化疗诱导的肾损伤生物标志物的水平（N-乙酰-β-d-葡糖胺酶）。该测试涉及两个气管内给药的尿液报告剂，利用笼式生物正交点击手柄进行生物标志物依赖性的“点击性”激活和可肾清除等过程。研究发现，在化疗治疗的原位肺癌和顺铂诱导的肾损伤小鼠模型中，肿瘤和肾损伤水平较低的尿液荧光信号（可通过智能手机摄像头测量）与动物体重增加和存活时间呈正相关。生物标志物激活的生物正交点击反应和肾清除率与体外生物正交触发的荧光相结合，可以实现特异、灵敏和快速的尿液检测，并有望用于监测其他生理病理过程。相关工作以“Urinary bioorthogonal reporters for the monitoring of the efficacy of chemotherapy for lung cancer and of associated kidney injury”为题发表在 Nature Biomedical Engineering 。

【文章要点】

生物正交化学可以在生物环境中快速选择性地进行，并作为基础和临床前研究的强大生化工具。特别是，生物正交化学已被用于体内光学成像和诊断。它通常从施用具有生物正交手柄的抗体或配体作为靶向分子结合到感兴趣的生物分子上开始，然后施用具有相应生物正交手柄作为成像探针的荧光团；因此原位生物正交反应可用于光信号传导。与使用抗体/配体偶联荧光团的单步成像相比，这种两步预靶向方法的优点是利用靶向分子和成像剂给药之间的时间差来优化靶向分子在疾病中的积累和清除，以改善成像探针的递送。然而，这种两步走的方法也会导致较长的检测时间（通常>26小时）。此外，只要靶向分子遇到成像探针，生物正交反应就会发生，因此信号可以在健康组织中非特异性检测到，从而降低了检测的特异性。在体内检测方面，由于与周围组织的光散射和浅光穿透，光学成像难以检测深层疾病。因此，充分释放生物正交化学在体内诊断中的潜力的新方法仍有待探索。有鉴于此，本研究发展了生物正交光学尿液试验（BOUT）的策略，用于同时监测整个癌症治疗方案的疗效和安全性（图1）。BOUT含有生物正交尿液报告剂（BUR）和生物正交荧光（FL）指示剂（BFI），分别用于体内检测和体外生物正交反应。BUR旨在体内检测疾病生物标志物，并将生物标志物水平转换为尿液中可点击的BUR量。BFI旨在通过FL开启响应将尿液BUR的量转换为信号读数。这种混合方法不仅确保了疾病检测的高特异性，而且通过在尿液中进行光学读出，避免了光学成像中浅组织穿透的问题。

图1 同时监测癌症治疗疗效和AIKI的BOUT的设计和机制

如图1所示，癌症报告剂BUR _C 由全氟芳基叠氮化物单元、可癌症相关生物标志物组织蛋白酶B（CTSB）-裂解肽和透明质酸骨架组成。它是通过短聚乙二醇（PEG）链将4-叠氮基-2,3,5,6-四氟苯甲酸偶联到CTSB可切割肽序列（Gly-Phe-Leu-Gly-Gly）的C末端制备而成的。然后，作者还将肽的N端与透明质酸上的反应性羧基结合。在CTSB切割后，活化的BUR _C ，一种PEG化的全氟芳基叠氮化物，可从透明质酸骨架上被切割裂解下来。同时，BFI是基于相应的生物正交手柄进行构建，并且BFI _C （BFI _K ）可通过利用三苯基膦（反式环辛烯）对香豆素（间苯二酚）的羟基进行笼化而进一步设计。由于BUR _C 上的全氟芳基叠氮化物和BFIC上的三苯基膦基团之间的反应性始终开启，因此BUR _C 被设计为与CTSB特异性反应，以将可清除肾的生物正交手柄（全氟芳基叠氮化物片段）释放到尿中。在后续的体外生物正交反应中，尿液中排泄的BUR _C 可通过Staudinger反应与BFI _C 反应，用于FL开启读数（图2）。

图2 BOUT用于原位肺癌的敏感检测

此外，为了灵敏地检测肾脏损伤，BUR _K 被设计为一种聚乙二醇化的苯基取代的二氢四嗪，其仲胺可被可N-乙酰-β-d-氨基葡萄糖苷酶（NAG，与肾小管损伤相关的生物标志化合物）切割的N-乙酰基-β-d-氨基葡糖苷包裹。BUR _K 的合成首先通过相转移催化体系制备对甲酰基苯基N-乙酰基葡糖胺，然后进行醛还原和溴化，最后与具有炔官能团的苯基取代的二氢四嗪结合。脱乙酰基后，通过点击反应与二苯并环辛炔（DBCO）-PEG共轭，得到纯化合物BUR _K 。在NAG存在的情况下，BUR _K 的末端糖苷键被切割，导致快速氧化反应后形成可点击的四嗪。

进一步地，为了检测抗肿瘤诱导的肾损伤（AIKI），四嗪（BUR _K ）和反式环辛烯（BFI _K ）之间的逆电子需求Diels-Alder（IEDDA）反应被选为生物正交反应。BUR _K 的可点击性由N-乙酰-β-d-氨基葡萄糖苷酶（NAG）触发。同时，为了实现肾脏特异性，BUR _K 被设计为具有较高的肾脏清除效率。因此，尿液中排泄的BUR _K 具有开启的可点击性，反映了肾脏中NAG的水平，随后通过IEDDA反应与BFI _K 反应，用于FL开启读数（图3）。

图3 用于AIKI的灵敏检测

此外，作者还定义了，与健康对照组相比携带肿瘤的小鼠BFI _C （BFI _K ）的尿液FL增强为BOUT _C （BOUT _K ）。由于BOUT信号与疾病特异性生物标志物的水平相关，BOUT _C 和BOUT _K 分别揭示了癌症生长和肾损伤的程度。此外，作者还定义了BOUT指数为BOUT _C ^-1 和BOUT _K 的比率，以揭示总体治疗疗效-安全性，以期在癌症治疗期间提供精确干预。在原位肺癌小鼠模型中，BOUT _C 可在肿瘤植入后2周检测到原位肺肿瘤（肿瘤直径降至约1.2 mm）；这种检测时间点至少比血清生物标志物（CEA、CYFRA21-1）的升高早3周。此外，BOUT _C 的检测灵敏度超过了检测肺癌的临床方法的检测极限，如低剂量计算机断层扫描（2-5 mm）、白光支气管镜检查（~5 mm）或胸部放射线检查（1 cm）。在AIKI小鼠模型中，BOUT _K 在CIS治疗后9小时检测到疾病发作，比NAG-ELISA检测早3小时，比血清生物标志物（肌酐、BUN）升高早39小时，比组织学损伤或其他文献报告早63小时。此外，ROC排除分析的AUC量化表明，BOUT具有最高的预测能力（BOUT _C /BUT _K AUC = 0.98/1.00) 肺癌相关血清生物标志物（0.78,0.80）或肾损伤相关血清生物标记物（0.96,0.97），证明其极好的特异性。在癌症联合化疗期间的治疗疗效和安全性的同时监测中，BOUT指数（BOUT _C ⁻¹ /BOUT _K ）对小鼠在整个治疗过程中的总体健康状况进行了全面评估。BOUT指数与体重增加（Pearson's r=0.70）、生存期（皮尔逊相关系数r=0.74）和存活率（Pearson相关系数r=0.80）之间的正相关关系证实了这一点，手机辅助BOUT也观察到了类似的趋势（图4）。

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