Sci Adv丨張路團隊開發體內膜工程MRI分子探針，實現微小肝癌精準檢測

肝細胞癌（ hepatocellular carcinoma,HCC）是最常見的原發性肝癌類型，其早期發現和精準診斷對于改善患者預后具有決定性意義。尤其是直徑小于 1 cm 的微小肝癌，若能在早期被準確識別并及時干預，患者有望獲得接近治愈的長期生存。然而，微小肝癌病灶體積小、血 供特征 不典型，現有臨床影像手段在靈敏度、空間分辨率和分子特異性方面仍存在明顯不足。血清標志物如 AFP 對早期肝癌檢測敏感性有限，常規超聲檢查 受操作 者經驗和空間分辨率影響較大， PET/CT 則存在輻射負擔和靈敏度受限等問題。 MRI 雖然是肝癌診斷和分期的重要影像技術，但目前臨床常用 釓 基造影劑多為非特異性細胞外液造影劑，難以實現對亞 厘米級 肝癌病灶的穩定、可靠識別。 如何在腫瘤局部實現分子特異性識別、造影劑精準滯留以及 MRI 信號原位放大，是微小肝癌早期影像診斷亟待解決的關鍵科學問題。

近日，南方科技大學張路團隊，聯合南方醫科大學珠江醫院洪國斌團隊、中山大學孫逸仙紀念醫院沈君團隊，在 Science Advances 發表了題為 In vivo membrane engineering traps Gd-based MRI contrast agents for detecting microhepatocellular carcinoma 的研究論文。該研究提出了一種基于體內膜工程（ in vivo membrane engineering ）與生物正交點擊化學的雙步注射MRI多肽探針策略。首先利用 GPC3 靶向可編程多肽納米顆粒在肝癌細胞膜表面發生原位纖維化組裝，構建帶有 DBCO 反應基團的膜錨定納米纖維支架；隨后注射疊氮修飾的 Gd-DOTA （ Gd-DOTA -N 3 ） ，通過無銅點擊反應將 釓 基 MRI 造影劑精準捕獲并固定于腫瘤細胞膜表面，從而實現腫瘤局部 T1 信號增強和微小肝癌高對比度成像。

該研究設計了由兩種多肽單體共組裝形成的 SPD1 納米顆粒。該體系集成了四個關鍵功能模塊：其一為 GPC3 靶向肽序列 DHLASLWWGTEL ，用于特異性識別 GPC3 高表達 的肝癌細胞；其二為 FF β-sheet 組裝基序，用于驅動納米顆粒向纖維結構轉變；其三為 PpIX 熒光基團，用于示蹤材料分布與組裝過程；其四為 DBCO 點擊化學手柄，用于后續捕獲 Gd-DOTA-N 3 。靜脈注射后， SPD1 納米顆粒可富集于腫瘤組織，并在腫瘤細胞膜 GPC3 識別作用下發生構象重排，轉化為穩定的膜錨定納米纖維網絡。該纖維網絡不僅提高了腫瘤局部滯留能力，也在細胞膜表面構建了一個可用于后續生物正交反應的 “ 化學反應界面 ” 。

體外實驗表明， SPD1 納米顆粒在重組 GPC3 蛋白作用下可由球形納米顆粒逐步轉變為納米纖維結構，并伴隨 β-sheet 含量增加；而缺乏 GPC3 靶向模塊的對照材料 SPD2 則不能發生類似形貌轉變。進一步的細胞實驗顯示， SPD1 能夠在 GPC3 高表達 的 HepG2 和 Hepa1-6 肝癌細胞膜表面形成明顯的纖維網絡，而在正常肝細胞 WRL-68 中未觀察到類似膜表面組裝現 象。該結果說明， SPD1 的膜表面纖維化轉變依賴于 GPC3 介 導的特異性識別，而非簡單的非特異性聚集。

在 MRI 信號放大方面，進一步利用 DBCO-N 3 無銅點擊反應，將 Gd-DOTA-N 3 固定到 SPD1 形成的膜錨定納米纖維支架上。由于 釓 螯合物被限制在有序、剛性的納米纖維結構中，其旋轉相關時間延長，從而顯著提高縱向弛豫率。體外 MRI 結果顯示， Gd-DOTA-N 3 +SPD1+GPC3 體系的 r 1 值達到 15.51 mM -1 s -1 ，較臨床 Gd-DOTA 及相關對照 組提高 約 3.5-3.8 倍。細胞水平實驗中， SPD1 預處理后再加入 Gd-DOTA-N 3 ，也可顯著增強 HepG2 細胞的 T1 信號；而 GPC3 抗體阻斷后， 該增強 效應明顯下降，進一步證明該信號放大過程具有 GPC3 依賴性。

在體內實驗中，該雙步注射策略表現出良好的腫瘤靶向成像能力。研究人員首先注射 SPD1 ，使其在腫瘤細胞膜表面形成帶有 DBCO 基團的納米纖維支架； 6 小時后再注射 Gd-DOTA-N 3 ，使其通過點擊反應被捕獲于腫瘤局部。無論是在皮下 Hepa1-6 腫瘤模型還是原位肝癌模型中， SPD1+Gd-DOTA-N 3 組均顯示出更強、更持久的 T1 信號增強，并獲得更高的腫瘤 / 肝臟信號比。 ICP-MS 結果也顯示，該組腫瘤組織中的 Gd 含量顯著高于 SPD2+Gd-DOTA-N 3 、 Gd-DOTA-N 3 單獨給藥及臨床 Gd-DOTA 對照組，說明該策略能夠提高 釓 基造影劑在腫瘤部位的局部滯留。

該研究還系統評估了材料的體內安全性。健康小鼠和原位肝癌小鼠接受 SPD1 與 Gd-DOTA-N 3 給藥后，主要臟器 H&E 染色未見明顯組織病理損傷，血常規、肝腎功能指標及炎癥因子水平均未出現顯著異常。此外，針對 釓 沉積安全性的潛在問題，研究人員進一步檢測了腦部信號，未觀察到明顯的長期 釓 沉積跡象。這些結果提示， 該體內膜 工程 MRI 分子探針在實驗條件下具有較好的生物相容性和體內安全性。

總體而言，該研究提出了一種不同于傳統“直接注射造影劑”的微小肝癌MRI成像策略：先通過GPC3靶向多肽在腫瘤細胞膜上構建穩定的原位纖維化反應平臺，再通過生物正交點擊化學將釓基造影劑精準捕獲于腫瘤局部，實現從“被動分布成像”向“腫瘤膜工程化信號放大成像”的轉變。該策略不僅提高了MRI造影劑的腫瘤特異性和局部弛豫效率，也為受體引導的分子影像、早期癌癥檢測以及可編程體內材料工程提供了新的技術框架。

南方科技大學生物醫學工程系、南方醫科大學珠江醫院、中山大學孫逸仙紀念醫院等單位參與本研究。 毛椿平 、易潔、鄧富 桉 為論文第一作者；張路、洪國斌、沈君為論文共同通訊作者。目前張路教授課題組正在招聘博士后，歡迎有興趣的研究人員聯系咨詢 ，課題組網址

https://faculty.sustech.edu.cn/?tagid=zhanglu&iscss=1&snapid=1&orderby=date&go=2

文章鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aec9913

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