裸眼鉴癌基于合成生物学的细胞生物医学纹身
2019-1-22 来源：不详 浏览次数：次多种癌症伴随着血钙浓度的变化，该研究合成能够监测血钙浓度的工程细胞，随着血钙浓度升高形成可见的纹身，这种生物医学纹身产生的颜色变化可以用肉眼检测并进行光学量化。
文章题目：Syntheticbiology-basedcellularbiomedicaltattoofordetectionofhypercalcemiaassociatedwithcancer
研究人员：DepartmentofBiosystemsScienceandEngineering,ETHZurich
发表时间：.04.18
期刊名称：ScienceTranslationalMedicine
影响因子：16.摘要
诊断标志着成功治疗的开始，但是许多癌症在早期无症状进展，导致无法及时诊断治疗。该研究目标是基于合成生物学开发生物医学纹身工程细胞，该工程细胞将（i）监测长期血钙浓度，（ii）检测轻度高钙血症的发作，和（iii）通过皮下积累黑色素黑色素，形成可见的纹身。
研究人员设计了含有异位表达的钙敏感受体的细胞，并重塑级联反应来激活转基因酪氨酸酶的表达，转基因酪氨酸酶产生黑色素以响应血钙浓度的变化。随后通过实验证明，这种生物医学纹身产生的黑色素产生的颜色变化可以用肉眼检测并进行光学量化。
该生物医学纹身在野生型小鼠中得到验证。所有接种了高钙血的乳腺癌和结肠腺癌细胞的动物产生纹身，而接受正常血钙肿瘤细胞的动物没有产生纹身。所有荷瘤动物在8天的实验期间都保持无症状状态。
研究方法与研究成果
1.合成高钙血症的传感器设计与优化
生物医学纹身系统由两个主要部件组成：1）感应组件钙敏感受体CaSR，CaSR是一种C类G蛋白偶联受体，用于控制人类的钙稳态；2）可视化组件酪氨酸酶，通常位于黑色素细胞中专门的色素生成细胞器（黑素体）中，在诸如HEK-29细胞的非黑色素细胞中，酪氨酸酶位于溶酶体中。高钙血症介导的CaSR激活触发细胞的内源性钙-钙调蛋白-钙调磷酸酶-NFAT（活化的T细胞的核因子）和Raf-ERK1/2（细胞外信号调节激酶1和2）-SRE（血清应答元件）信号级联，其诱导合成的钙敏感性启动子（PCa）驱动酪氨酸酶的表达。因此，持续性高钙血症伴随着皮下植入的工程化细胞中黑色素的积累并且形成肉眼可见的黑色纹身被记录下来。
图1生物医学纹身系统
通过将组成型哺乳动物酪氨酸酶表达载体pAT10（PhCMV-Tyr-pA）转染至多种细胞系（HEK-29，CHO-K1，NIH/T和HaCaT）来寻找最合适的亲本细胞来有效表达酪氨酸酶和生成黑色素，培养72小时后测定酪氨酸酶活性并于作为对照的Melan-A细胞进行比较。最终选定HEK-29细胞供以后使用。下图是不同细胞随时间变化黑色素酶活性的变化。
图2不同细胞随时间变化黑色素酶活性的变化
2.生物学验证经过处理的生物医学纹身工程细胞被称为HEKTattoo细胞。HEKTattoo细胞接种到含有渐增的Ca2+浓度的96孔板的单个孔中，通过延时显微镜记录黑色素生成来检查黑色素生成动态。
图不同钙浓度下HEKTatto黑色素酶活性变化
因为降钙素和PTH之间的相互作用通常在数分钟内即可恢复血液的Ca2+平衡，生物医学纹身应该只检测持续性高钙血症，而对天然钙波动不敏感。下图是由轻度（1.6mMCa2+）和中等（1.8mMCa2+）高钙血症暴露的HEK纹身的黑色素生成动力学定量分析证实，只有持续高钙血症至少12小时（中度高钙血症）和24小时（轻度高钙血症）触发了可见的黑色素生成。
图4模拟轻度和中度高钙血症暴露的HEK纹身的黑色素生成
在植入微胶囊化的HEKTattoo细胞之前，进行了对照实验以确认包封的细胞仍然有效且持续的对轻度高钙血症作出有效应答，结果表明包囊细胞保留了期望的特征（图5）。为了测试与人类皮肤相当的厚皮模型中的生物医学纹身是否可见，皮下注射正常和高钙血症条件下培养的微胶囊化的HEKTattoo细胞进入猪皮肤，记录产生的可见纹身，可见当注入厚皮时，生物医学纹身仍然可见（图6）。
图5在不同钙浓度下培养包封细胞
图6猪皮肤皮下注下微囊化HEKTattoo细胞
.动物实验验证为了验证高钙血症触发的HEKTattoo细胞产生的黑色素能否通过可见的黑色皮肤纹身来反映无症状的肿瘤发展，将未封装的HEKTattoo细胞皮下注射到具有无症状高钙血症乳腺癌、结肠腺癌和正常血钙腺癌裸鼠的腹侧。将注射有未封装的HEK-29细胞的健康裸鼠用作阳性对照。结果显正常血钙肿瘤的动物没有产生任何皮肤纹身，而在患有高血钙癌症的动物皮肤上产生了可见的黑斑，表明该纹身具有特异性。
图7将未封装的HEKTattoo细胞皮下植入小鼠腹侧
接下来，将微囊化的HEKTattoo细胞皮下植入具有无症状高钙血症肿瘤或正常肿瘤的野生小鼠腹侧，并同样注射健康小鼠作为对照。同样，正常血钙肿瘤的动物没有产生任何皮肤纹身，通过红外显微照片定量纹身，仅在高钙血症肿瘤动物皮肤上出现了黑色纹身并且与血钙浓度相关。这些结果表明，基于细胞的生物医学纹身能够检测、记录和可视化无症状阶段与癌症发展相关的轻度高钙血症的发作。
图8微囊化的HEKTattoo细胞皮下植入小鼠腹侧
讨论
纹身在医学应用上的历史很有趣，例如，有人提出，在Tyrolian阿尔卑斯山发现的年前的冰人?tzi的骨关节炎纹身起源于针刺样刺激性治疗。在19世纪50年代中期，医学纹身被用于治疗先天性血管痣。今天，在用于递送某些药物以及DNA和肽疫苗时，纹身被认为是比肌肉注射更有效的方法。
黑色素是人体中存在的天然色素并用于保护皮肤免受紫外线辐射引起的损伤，基于黑色素的生物医学纹身可以用肉眼很容易的进行定性评估或者通过可穿戴设备进行量化。该纹身可以用于监测无症状的高钙血症肿瘤和其他会引起高钙血症的疾病，也可用于对治疗后的肿瘤病人的复发监测。
与其他细胞疗法一样，生物医学纹身需要接受微创手术。然而与癌症早期治疗的收益相比微创手术是完全可以接受的，并且一旦诊断出高钙血症，微囊就可以被移除或替换。目前的工作为这种新的诊断方式提供了重要的概念证明。
小编评论
该研究最要的贡献是提出了一种新的诊断策略，未来还可以将这种策略与更多的biomarker相结合。该课题组还在进行压膜植入装置的临床测试，如果通过测试完全可以成为一个“多多益善”的个人健康装置。参考文献：
[1]AizhanTastanova,MarcFolcher,etal.Syntheticbiology-basedcellularbiomedicaltattoofordetectionofhypercalcemiaassociatedwithcancer[J].ScienceTranslationalMedicine,.
