多功能铂纳米反应器用于胰腺癌精准检测

来源：X一MOL资讯

胰腺癌致死率高达98%，有“癌症之王”称号。有效的早期诊断可以将胰腺癌五年生存率提高到67％。然而，目前针对胰腺癌的血液检查只针对CA19-9等特定蛋白生物标志物，其诊断性能有限，特异性仅约30％。代谢组学处于生化途径最末端，针对正在进行的生化过程进行分析，与疾病表型关系最为密切。近年来，报道了多种纳米材料用于疾病的代谢组检测，但是复杂生物系统中高浓度的蛋白、盐成分制约了代谢组的原位检测，因此想要实现代谢组学中的床旁检测（POC）仍需要依赖特殊检测技术及功能材料进行分析测定。

近日，上海交通大学生物医学工程学院钱昆研究员、中科院大连化学物理研究所刘健研究员团队通过紧密合作，构建了一种全新多功能铂纳米反应器，可以同时实现代谢物的即时检测和分子分型。研究人员基于层层组装方法，设计并合成了核壳结构可控的磁性铂纳米反应器。得到的纳米反应器具有独特的表面物理化学性质，展现出了针对特定代谢生物标志物的高效催化活性，从而实现特定物质的快速床旁比色检测。此外，优化的纳米反应器针对代谢分子组还显示出选择性离子化效率，实现血清等体液样本的代谢指纹图谱提取。相关成果近期发表在Cell Press旗下材料学旗舰期刊Matter 上，博士后黄琳、Deepanjali Dattatray Gurav为本文共同第一作者。

研究者选取后接枝方法针对表面改性的磁性氧化硅颗粒构建铂纳米反应器，在合成过程中调节前驱体浓度等参数，制备出五种不同包覆程度/形貌的材料。透射电子显微镜、扫描电子显微镜、选区电子衍射等多种表征手段证明纳米反应器具有独特的核壳结构，其表面由2-4 nm的铂纳米颗粒修饰（图1）。

图1. 纳米反应器的构建与表征。图片来源：Matter

据报道，只有金纳米颗粒等少数纳米酶同时具备天然辣根过氧化物酶（HRP）和葡萄糖氧化酶（GOx）的催化活性。而目前已开发的纳米酶对特定代谢物的选择性是临床上主要关注的问题。刘健研究员团队长期致力于纳米多孔材料的设计合成及在能源、催化等相关领域的基础应用研究（Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 8459-8463; Nat. Mater., 2015, 14, 763-774）。在前期研究基础上，研究人员将铂纳米反应器作为双重纳米酶同时替代HRP和GOx，实现了特定代谢物的一步比色测定（图2）。通过便捷的质谱，研究人员更进一步检测了催化反应的关键产物，可未来用于阐明各种催化反应。商业化的葡萄糖检测试剂盒中使用的天然酶（GOx和HRP）容易失活和降解，而纳米酶即使在极端条件下也具有稳定且较高的催化效率，更适用于大规模临床使用。

图2. 铂纳米反应器作为双重纳米酶实现特定代谢物的一步比色测定。图片来源：Matter

质谱的选择离子化效率取决于纳米材料独特的表面结构，比如其尺寸排他性效应和化学特异性亲和力等特性。钱昆团队在前期的金、银基纳米材料的基础上（Nat. Commun, 2017, 8, 220; ACS Cent. Sci., 2018, 4, 223-229）进一步提出优化的铂纳米反应器可用于增强代谢物的选择离子化效率。多重表面锚固的纳米反应器能够提供纳米级的外壳粗糙度和特定的缝隙空间，用于选择性捕获复杂生物样品（血清、唾液、脑脊液等）中的代谢小分子。另外，材料表面具有负表面电荷，有助于在离子化过程中形成阳离子加成（图3）。另一方面，在激光照射下纳米反应器展现出了部分熔化/烧结现象，导致表面形态发生重大变化，从而有利于热脱附和相变过程，进一步增强质谱检测效率。

图3. 优化的铂纳米反应器用于质谱检测。图片来源：Matter

在临床中，胰腺癌的诊断面临巨大的挑战。研究人员基于铂纳米反应器实现了胰腺癌病人组、健康对照组以及胰腺良性疾病组的血清代谢组指纹图谱采集，并结合机器学习方法实现了癌症患者和健康人群的精准分群，分类器曲线下面积（AUC）为0.958，最佳诊断敏感性为84％，特异性为92％（图4）。值得注意的是，本方法免除了复杂的样本预处理过程，针对一个样本仅需0.5 μL血清，即可在1秒内实现代谢组的生物信息提取。考虑早期癌症的代谢变化，这一平台不仅为胰腺癌患者的代谢变化提供了新见解，而且为精确诊断和有效管理疾病开发了先进的工具。除胰腺癌外，基于本方法还有望实现糖尿病、糖尿病性视网膜病和其他内分泌代谢性疾病的辅助诊断。

图4。铂纳米反应器用于胰腺癌诊断。图片来源：Matter

总结

研究人员以多功能铂纳米反应器为核心，构建了代谢物即时检测和分子分型的多功能平台。优化后的多功能铂纳米反应器有两个特点，一是具有高效催化活性，可以同时取代葡萄糖氧化酶（GOx）和辣根过氧化物酶（HRP），实现如葡萄糖等特定代谢标志物的显色检测，全程仅需5分钟；另一个是结合激光解吸电离质谱法分析血液代谢组，实现了胰腺癌的精准、无创液体活检，诊断灵敏度达84%，特异性达92%。这项工作为多功能纳米反应器的医学诊断应用提出了新思路，不仅为胰腺癌患者的代谢变化提供了新的见解，而且还开发了先进的工具来对疾病进行精确诊断和有效管理。