叶方富等：基于单个细胞外囊泡蛋白红外光谱的无创癌症识别

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近日，我院叶方富研究员团队与中国科学院物理研究所、国家纳米科学中心团队合作在单个细胞外囊泡的癌症关联蛋白红外指纹光谱识别取得突破。并在《The Journal of the American Chemical Society IF = 16.383》期刊上发表论文“Single-vesicle Infrared Nanoscopy for Noninvasive Tumor Malignancy Diagnosis”，原文链接为：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c07393。
　　作为动态生物分子，蛋白质在肿瘤产生和发展过程中会发生丰度和结构的变化。与肿瘤发生关联的蛋白质异质性为阐明癌症发病机制提供了诊断信息，因此特异性蛋白是肿瘤诊断和药物设计的重要生物标志物。小细胞外囊泡（sEV）是由细胞释放的纳米尺度（直径30–200 nm）的膜囊泡。来自源细胞的蛋白质、核酸和脂质等与肿瘤产生发展相关的生物载物可以选择性地包装到sEV中，并通过膜融合和内吞作用等生理途径传递到受体细胞，影响受体细胞的生理功能，进而促进肿瘤的发生和发展。由于肿瘤来源sEV中的蛋白质异质性与肿瘤的恶性程度相关，并反映了肿瘤进展和转移的能力，因此对sEV蛋白组分的研究，有助于阐明sEV在肿瘤转移和侵袭中的作用，并促进体液活检的发展和癌症标志物的开发。

图 单个细胞外分泌囊泡的近场红外成像和原位红外吸收光谱

　　针对单个sEV蛋白组分分析的瓶颈，研究团队利用自搭建纳米红外光谱系统（nano-FTIR）的10 nm尺度红外光场局域增强，对单个sEV开展原位红外指纹光谱研究。发现由于蛋白质中的C-O键和氨基酸C-OH基团中的氢键随着癌症的发展遭到破化，酰胺I/II吸收比值随着sEV来源细胞系的恶性程度增加而增加；高恶性癌症细胞来源sEV中蛋白质二级结构α-螺旋+随机卷曲的含量发生显著下降，反平行β-折叠+β-转角显著增加，这种蛋白质二级结构的改变一方面与癌细胞来源sEV在癌症发展演化起到的生理功能有关，另一方面在癌变细胞中富含β-折叠+β-转角的蛋白质的生物合成消耗更多的能量，这种更多能量消耗是Warburg效应的一种表现。作为临床应用的探索，进一步分析了从两名乳腺癌患者的原发肿瘤组织中提取的sEV（I期，无转移；IIB期，有淋巴结转移）。相较于无转移患者来源的sEV，淋巴结转移患者的α-螺旋+随机卷曲比例显著降低，分子间反平行β-折叠+β-转角比例显著提高。研究结果显示了nano-FTIR在单个sEV分子鉴定的优势，证明了sEV蛋白异质性在癌症检测和肿瘤恶性评估中的意义和临床价值，为基于sEV的nano-FTIR分子指纹谱识别的癌症诊断提供了体液活检解决方案。
　　我院博士后薛孟飞和国家纳米科学中心博士叶思源为共同一作。中国科学院物理研究所陈佳宁研究员和国家纳米科学中心的朱凌研究员、杨延莲研究员为共同通讯作者。上述研究工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项、中国博士后科学基金和中国科学院青年创新促进会的支持。
        文章来源：温州研究院
        叶方富，1978年生，1999年获北京大学天文学及经济学双学士学位，2007年获美国宾夕法尼亚大学物理学博士学位，之后相继在美国肯特州立大学、伊利诺伊大学、佐治亚理工学院从事博士后研究，2013年加入中国科学院物理研究所。现为物理所软物质与生物物理实验室副主任、研究员、博士生导师；2019年5月至今，兼任中国科学院大学温州研究院副院长。其研究涉及软凝聚态物理、生物物理及生物医学工程等领域，目前的研究课题有：1. 胞外微环境对神经细胞、肿瘤细胞、干细胞等的行为调控；2. 细胞膜与蛋白的相互作用研究；3. 功能生物材料设计；4. 医学成像及检测技术研发；5. 复杂网络的结构与相变；6. 自旋转粒子体系的集合行为研究。