单颗粒外泌体的表面蛋白特征表达谱分析新方法及其在癌症诊断中的应用研究

Exosomes, which contain a large amount of biological information derived from parental cells and play important roles in disease initiation and progression, are emerging biomarkers with great significance. However, exosome analysis at single particle level remains a huge challenge. In this project, we aim to develop a novel method for surface protein signature profiling of single exosome, and ultimately apply it to cancer diagnosis. Molecular probes are to be judiciously designed for specifically recognizing the potential protein biomarkers on exosome derived from different subtypes of liver cancer cells. The interactions between molecular probes and exosomes are to be investigated, and the mechanisms are to be elucidated as well. Novel assembly strategies are to be explored, so as to further conduct the construction of DNA nanostructure on the target exosome surface. Various parameters of flow cytometer are to be optimized. Under the optimized conditions, a novel method for surface protein signature profiling of single exosomes derived from different subtypes of liver cancer cells will be established. Finally, we devote to achieve discrimination of exosomes derived from different subtypes of cancer cells in clinical samples based on the differences on the expression levels of two and more surface biomarkers. This project will provide a novel and powerful method for the exosome-based fluid biopsy field. It holds great significance in the fields of early diagnostics, personalized treatment and precision medicine of cancerous diseases.

外泌体包含了大量来源于亲代细胞的生物信息，在疾病的发生和发展过程中具有重要的作用，因此是一种新型的重要生物标志物。然而，在单颗粒水平上对外泌体进行分析却存在着巨大的挑战。本项目拟开展单颗粒外泌体的表面蛋白特征表达谱分析新方法及其在癌症诊断中的应用研究。针对外泌体的特征表面蛋白设计分子探针以特异性识别不同亚型肝癌细胞外泌体，并研究探针与外泌体的相互作用、规律和机理；探索新的组装策略，在目标外泌体表面构建纳米结构；优化流式细胞仪参数，建立亚型癌细胞分泌的单颗粒外泌体的特征表达谱分析新方法；基于两种及两种以上表面特征蛋白的表达差异，实现不同亚型癌细胞外泌体的区分与鉴别。此项工作将为基于外泌体的液体活检领域提供一种十分有效的新方法，在癌症的早期诊断、个性化治疗以及精准医疗等领域具有重要的意义。

外泌体的高效捕获、精准标记及高灵敏检测，有利于了解和掌握细胞间的通讯网络、及时进行疾病诊断、预判疾病发生和发展过程，其研究具有重要的学术价值和应用价值。外泌体表面蛋白特征表达谱能够灵敏反映体内病理变化情况，因此，挖掘癌细胞外泌体与正常细胞外泌体表面蛋白特征表达谱之间的差异性，对癌症的早期诊断以及病情发展监控具有重要的临床意义。本项目开发了多种新型化学发光功能化纳米材料，并对其结构性质进行了表征。根据不同新材料的不同特性，发展了多种新型的纳米组装策略，搭建了多种生物分析平台，由此发展了多种高敏感性、高特异性的疾病快速诊断新方法，并探索了其在外泌体表面蛋白含量分析中的应用，实现了对外泌体表面蛋白的精准区分和灵敏检测。我们将一种具有优异电化学发光和免疫活性的金纳米复合材料（Ab-GNPs/ Cu2+-Cys-ABEI-GNPs-CS）作为传感界面，与基于电阻感应电位差原理的单电极系统相结合，引入先进的sCMOS成像技术，构建了一种新型无标记纳米电化学发光阵列传感器。该传感器可实现对不同癌症亚型细胞分泌的外泌体中包含的某种特定蛋白表达量进行区分，如乳腺癌细胞SK-BR-3外泌体的HER2蛋白高，而乳腺癌细胞 MCF-7外泌体或肝癌细胞HepG2外泌体中包含的HER2含量则较少。因而，该方法为挖掘新的疾病标志物提供了一种有效的分析手段。此外，我们还开发了一种基于化学发光功能化共价有机框架的化学发光传感器、一种基于化学发光功能化磁性纳米材料的无标记化学发光传感器和一种基于卟啉基发光功能化纳米材料的电化学发光传感器，它们都可实现对疾病相关外泌体的快速、灵敏、特异性检测分析。体液活检具有可实现疾病的早期诊断、检测迅速、便捷以及损伤性小等优点，本项目开发的传感器为体液活检提供了多种有效手段，有望发展为新一代疾病临床诊疗技术。

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