基于合成生物学的细胞生物医学探针用于检测

基于合成生物学的细胞生物医学探针用于检测与癌症相关的高钙血症

研究背景：

人们对预防疾病的积极措施越来越感兴趣，如提高对疾病的认识、鼓励定期体检、根据家族史、风险或环境因素进行筛查和监测等。下一代医学智能诊断设备需要适用于与疾病相关的代谢物和生物标志物的长期监测，以尽早检测病理状况的发作或复发，从而对治疗过程进行优化并有利于治疗成功。在此类目标中，癌症被视为全球健康优先事项，许多癌症如乳腺癌、肺癌和血液恶性肿瘤等都与高钙血症有关。因此，我们假设监测血钙浓度可能是在无症状阶段检测这些癌症的合适策略。所有活细胞都需要钙来维持正常的结构和功能。它作为第二信使在信号转导中的作用，管理与细胞增殖和凋亡以及分化、细胞粘附和运动相关的生理功能已经被广泛研究，但是它作为第一信使在癌症发展中的作用直到最近才被发现。在人体中，钙以矿化羟基磷灰石的形式储存在骨骼中，并以游离Ca2+的形式存在于血液中，或者与白蛋白等各种载体结合。钙稳态在几个激素系统波动后的几分钟内得到精确调节和恢复。例如，血钙浓度的降低刺激甲状旁腺释放甲状旁腺激素（PTH），促进钙的再吸收和从骨中动员。另一方面，血液中Ca2+浓度的增加激活钙感应受体(CaSR)，从而严重抑制PTH的分泌。癌症是高钙血症的原因之一，恶性肿瘤的体液高钙血症与多种癌症相关。这是因为原发性肿瘤、其转移瘤或靶向肿瘤的免疫细胞分泌体液因子，这些体液因子作用于骨、肾和肠，从而破坏钙稳态并导致血钙浓度增加。CaSR是一种天然高钙血症传感器，对检测轻度至中度高钙血症(5.6至10mgCa2+/dl)足够敏感，当患者无症状或仅表现出厌食、焦虑和虚弱等非特异性症状时，这种高钙血症通常不会被注意到。因此，我们认为CaSR可能适用于早期(无症状)癌症的检测。在这里，我们将细胞改造成异位表达CaSR，再连接到合成信号级联，导致酪氨酸酶的表达，酪氨酸酶合成黑色色素黑色素。我们预计皮下植入的工程细胞会导致黑色素的积累会产生可见的标记，从而能够检测与无症状癌症相关的高钙血症。诊断标志着成功治疗的开始。

研究内容：

着眼于与癌症相关的高钙血症，文章旨在开发一种合成生物学相关的生物医学探针，该探针的用途主要有:1.长期监测血钙浓度;2.可检测到轻度高钙血症的发作；3.通过皮下积聚黑色色素黑色素形成可见标记而做出反应。为此，研究者们设计了含有异位表达的钙敏感受体细胞，该受体与激活转基因酪氨酸酶表达的合成信号级联重新连接，该酪氨酸酶将会响应持续增加的血液Ca2+产生黑色素。结果证实，由这种生物医学探针产生的黑色素生成的颜色变化可以用肉眼检测到，并且可以用光学方法量化。并且该系统在携带皮下植入工程细胞的野生型小鼠中得到验证。所有接种高血钙乳腺和结肠腺癌细胞的动物都有标记，而接种正常血钙肿瘤细胞的动物没有标记。在实验期间，所有携带肿瘤的动物都保持无症状。尽管高钙血症也与其他病理相关，但我们的发现表明，使用这种基于细胞的诊断策略，在小鼠模型中检测与癌症相关的高钙血症是可行的。

结果：

合成高钙血症传感器的设计与优化

基于工程细胞的生物医学探针系统由两个主要组件组成:监测血钙浓度的高钙血症生物传感器和驱动皮肤产生色素酶的（高钙血症）敏感生物传感器依赖性启动子。（图1）

生物探针系统(Ⅰ)的传感元件是钙传感受体(CaSR)，它是一种丙类G蛋白偶联受体的成员。可视化(Ⅱ)由酪氨酸酶组成，酪氨酸酶通常位于黑素细胞中产生色素的特殊细胞器(黑素体)中，在那里它催化酚类如酪氨酸氧化形成黑色素。在非黑色素细胞如人胚胎肾细胞中，酪氨酸酶位于溶酶体中，溶酶体与黑素体密切相关，并经历类似的成熟过程。其中，IP3是肌醇1，4，5-三磷酸盐；NFAT是一种活化T细胞的核因子；SRF是一种血清反应因子。

如图所示，一种控制人体钙稳态的丙类蛋白偶联受体(GPCR)作为人体高钙血症生物传感器。高钙血症介导的CaSR（钙感应受体）激活触发细胞内源性钙-钙调蛋白-钙调神经磷酸酶-NFAT(活化T细胞的核因子)和Raf-ERK1/2(细胞外信号调节激酶1和2)-SRE(血清反应元件)信号级联，它们诱导合成钙敏感启动子(PCa)驱动含铜人酪氨酸酶的表达，酪氨酸酶是黑色素合成中的限速酶。因此，持续高钙血症反应为工程细胞中黑色素的积累，即黑色素皮肤标记。

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图片/来源文章

编辑/宋平

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