南加州大学维特比生物医学工程系的扎瓦莱塔bob国际首页登录实验室正在利用26种不同色调的纳米颗粒。该图像显示了拉曼激光成像技术如何照亮这些粒子，以显示癌症组织样本的详细分子特性。图像/卡特林娜Kadyshevskaya
传统的医学成像技术，如x射线，可以向我们展示骨骼和内部组织的结构轮廓——一个黑白的轮廓。现在，一种大胆的新一代医学成像技术旨在在分子水平的细节上创建透明的彩色图像，显示癌细胞的功能和行为，它们表达的蛋白质类型，以及肿瘤周围的环境是什么样的——这些至关重要的信息可能会改变发现新药和个性化药物的游戏，为每个患者选择最有效的治疗方法。
南加州大学维特比工程学院生物医bob国际首页登录学工程系的研究人员首次开发了一种分子成像方法，利用由金制成的核心纳米颗粒，可以阐明26种独特的生物标记物——显示细胞精确行为的特征。由WiSE Gabilan助理教授Cristina Zavaleta领导的研究团队已经能够从一个成像像素中定位和分解26种独特的纳米颗粒，或他们所谓的“味道”，这些纳米颗粒可用于癌症诊断，以及神经疾病、病毒感染，甚至在农业等领域的非医疗应用。
这项工作由安捷伦博士后研究员Olga Eremina，博士生Alexander Czaja，研究助理Augusta Fernando，本科生研究员Arjun Aron和安捷伦博士后研究员Dmitry Eremin共同撰写，已发表在ACS Nano．
克里斯蒂娜·扎瓦莱塔助理教授
这项研究旨在提供信息，以帮助精准医疗和个性化治疗，如靶向治疗和免疫治疗，包括CAR - t细胞疗法，它利用和重新编程患者的免疫系统，以有效和直接针对癌细胞的独特特征。
扎瓦莱塔说:“这个想法是向医生提供分子信息，向他们展示细胞水平上发生的事情——例如，如果癌细胞表达的某些东西与正常细胞不同。”“我们正在努力为医生提供新的功能性成像工具，而不仅仅是结构成像工具。”
扎瓦莱塔说，研究界开始接受一个病人的癌症或肿瘤可能与另一个病人的癌症表现完全不同。癌细胞表达的独特蛋白质，以及患者免疫细胞与癌细胞相关的行为，意味着可能有截然不同的治疗方法，对不同的患者更有效。
“每个人在肿瘤中都有独特的分子表达谱;既在肿瘤内部，也在肿瘤的微环境中，即肿瘤周围的环境中。每个病人的情况都不同，”Zavaleta说。
Zavaleta说，目前当肿瘤被切除或活检时，病理学家使用白光显微镜来检查肿瘤组织的结构特征。
“我们也想为医生提供分子信息，目前这是有限的，在某种意义上，在大多数临床环境中，你只能同时询问几个生物标志物，”Zavaleta说。“我们很高兴能够在一次成像过程中检查26个生物标志物，而不破坏组织，这在目前是前所未有的。”
成像纳米颗粒可以瞄准并突出细胞的特定特征，就像撒在甜甜圈上的糖屑一样。图像/肖恩·伯基特。
据扎瓦莱塔说，纳米颗粒是用作造影剂的理想尺寸，造影剂是一种与细胞和分子相互作用并照亮的物质，用于医学成像。为了想象这一过程的规模，Zavaleta说，把一个10微米的细胞想象成一个10厘米的甜甜圈是很有帮助的，上面有一毫米的彩色撒粒，可以代表大约100纳米颗粒的不同“味道”，针对细胞的独特方面。
研究团队使用的成像方法被称为拉曼光谱学，它通过利用非弹性散射光来分析分子，其中散射的光子具有更长的波长。使用激光获取拉曼光谱，并测量非弹性散射光的能量损失，结合Zavaleta实验室的工程纳米颗粒，创建一个独特的光谱条形码。
“所以现在我的实验室已经能够生成26个这样的条形码，这是以前从未做过的，并推动了拉曼光谱的极限。
Zavaleta说，工程纳米颗粒的一个关键特征是它们的金色中心，这对于在成像过程中产生强烈、清晰的信号至关重要。
扎瓦莱塔说:“如果那里没有黄金，这个信号看起来非常嘈杂，很难被探测到，但在金属特征存在的情况下，会发生等离子体共振效应。”扎瓦莱塔说:“当分子中的拉曼活性层靠近黄金时，它会产生这种等离子体共振效应，这给了我们一个非常尖锐、独特和敏感的信号来检测。”
鉴于金纳米颗粒在静脉注射后在肝脏中滞留时间较长，这种新方法目前还没有用于人体患者的体内应用。然而，Zavaleta说，因为大多数肿瘤都是活组织检查和切除的，成像方法在分析组织样本方面有很好的应用前景，可以为医生提供患者癌症的精确分子和空间蓝图。该方法还为研究界提供了一个强大的工具，可以检查现有的组织样本，以更好地了解癌症行为。
扎瓦莱塔说:“能够在组织切片上使用这种技术的美妙之处在于，我们有来自不同类型患者的大量组织，这些组织已经保存了多年，只是放在组织库中，我们现在可以回顾性地回去评估。”
她说:“我们很高兴能够让社区对一种全新的成像技术感到兴奋，这种技术可以提供患者组织中分子表达的彩色地图。”
扎瓦莱塔说，这种成像技术不仅限于癌症，还可以应用于神经系统和传染病的成像，以及食品生产等领域的非医疗应用。
“我们不仅局限于研究人类分子目标。我们还可以研究基于植物的细胞目标，以了解为什么一些作物更耐旱或更容易患上不同的疾病，”扎瓦莱塔说。“食物对我们的生活方式非常重要，这可能是一个非常有用的工具，可以尝试创造更有效的农业方式。”
Zavaleta实验室现在将探索新平台的商业化选择，同时进一步扩大他们在细胞样本中可以照亮的生物标记物的数量，而不是现有的26个。
发布于2022年8月11日
最后更新于2022年8月11日
