单个细胞外囊泡蛋白红外光谱研究方面取得新进展

发布时间:2022-10-31

近日,国家纳米科学中心朱凌项目研究员、杨延莲研究员与中科院物理所陈佳宁研究员合作,在利用纳米红外光谱技术研究小细胞外囊泡(sEV)的蛋白质二级结构并用于乳腺癌恶性程度和转移性评估方面取得新进展。相关研究成果以Single-vesicle Infrared Nanoscopy for Noninvasive Tumor Malignancy Diagnosis为题发表于《美国化学会志》(J. AM. Chem. Soc. 2022, DOI: 10.1021/jacs.2c07393)。

作为动态生物分子,蛋白质的丰度和结构对于肿瘤的发生和发展至关重要。肿瘤相关蛋白质组成和结构的差异为阐明癌症发病机制提供重要信息,是肿瘤诊断和药物设计的重要生物标志物。sEV是由细胞分泌的纳米尺度(直径30–200 nm)的膜囊泡,携带和传递来源细胞的蛋白质、核酸等分子信息,影响生理病理过程。对肿瘤来源sEV蛋白质组分和二级结构的分析,有助于阐明sEV在肿瘤进展和转移中的作用,并促进肿瘤相关标志物的开发和液体活检技术的发展。然而sEV极具异质性,其蛋白组成和结构存在个体差异,单个sEV的分子分析和异质性评估在技术上仍具有挑战性。光学表征提供了无损、快速、非侵入性的便捷探测手段研究蛋白质的组分和结构信息,然而由于远场光谱学的微米级光斑与百纳米级sEV直径之间的尺寸差异,使得远场光谱技术仅限于开展对sEV族群的大样本统计分析,无法实现单个sEV层次表征和检测其物理化学性质。

研究团队利用自搭建的基于近场光学显微镜的纳米红外光谱系统(nano-FTIR)的10 nm尺度红外光场局域增强,在蛋白质酰胺I带(1600–1700 cm-1)和酰胺II带(1510–1580 cm-1)的指纹光谱频段内,对单个sEV开展原位红外指纹光谱研究。利用酰胺I带吸收频率对蛋白质骨架结构的高度敏感性,通过对正常细胞和不同恶性程度肿瘤细胞来源的sEV的红外光谱进行统计分析,发现酰胺I/II吸收比值随着sEV来源细胞系的恶性程度增加而增加,高恶性肿瘤细胞来源sEV蛋白质α-螺旋和无归卷曲的含量发生显著下降,反平行β-折叠和β-转角显著增加。并通过比较无转移和淋巴结转移乳腺癌患者原发灶肿瘤组织来源sEV,证明这种sEV蛋白质二级结构的改变可高灵敏评估肿瘤转移性。研究结果显示了nano-FTIR在单个sEV水平进行分子鉴定和分析的优势,证明了sEV蛋白质二级结构变化在癌症检测中的意义和临床价值,为基于sEVnano-FTIR分子指纹谱识别的癌症诊断提供了新的解决方案。

杨延莲课题组长期致力于开发肿瘤检测及治疗的新方法。前期提出了微球辅助流式细胞术的方法检测血液来源的sEV,并将该方法拓展应用于乳腺癌(Small methods. 2018;2(11):1800122),脑胶质瘤(Theranostics, 2019;9(18): 5347-58),垂体瘤(Analytical Chemistry, 2019;91(15): 9580-89)等多种肿瘤的液体活检分析当中,并在100余例癌症患者血液样本中取得很好的检测效果,实现了多种癌症上的临床诊断和分子分型,具有高灵敏度和特异性。同时,针对sEV异质性问题,构建基于原子力显微镜的单个sEV力学性质分析模型,实现了对不同恶性程度以及同一来源不同大小sEV的纳米力学性质差异分析(Advanced Science, 2021;8(18): 2100825)。这些结果为发展基于sEV的液体活检技术提供了重要信息和方法。

中国科学院物理研究所薛孟飞博士(现为国科温州研究院博士后)和国家纳米科学中心叶思源博士为共同第一作者。国家纳米科学中心朱凌项目研究员、杨延莲研究员、中科院物理所陈佳宁研究员为共同通讯作者。上述研究工作得到了中国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。

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. 基于nano-FTIR的单个sEV蛋白质二级结构分析用于评估肿瘤恶性程度和转移性。(a)单个sEV原位红外吸收光谱分析;(bsEV红外吸收光谱特征和蛋白质二级结构组成与肿瘤恶性程度相关;(csEV红外吸收光谱特征和蛋白质二级结构组成可评估乳腺癌患者转移性。