青島能源所開(kāi)發(fā)基于拉曼組的腫瘤單細胞藥敏檢測新方法
腫瘤藥敏性檢測方法學(xué)是抗癌藥物評價(jià)和篩選的前提，也是臨床化療方案設計的基礎。青島能源所單細胞中心開(kāi)發(fā)了基于拉曼組的腫瘤單細胞藥敏檢測新方法D2O-CANST-R，具有快速、低成本、單細胞器精度、識別耐藥細胞、體現抗癌機制、可對接單細胞分選和測序等特色，為癌細胞-藥物互作研究、抗癌藥物篩選等提供了新手段。該工作于北京時(shí)間1月13日發(fā)表于《分析化學(xué)》（Analytical Chemistry）。
圖1. 重水飼喂單細胞拉曼光譜腫瘤藥敏快檢技術(shù)D2O-CANST-R
化療在惡性腫瘤的治療手段中占據重要地位，如使用得當，單純或輔助化療即可根治部分腫瘤；對于一些晚期腫瘤，化療也可用于姑息性治療。然而，各種腫瘤類(lèi)型間或不同患者個(gè)體間，其藥物應激反應均存在顯著(zhù)差異，而且化療過(guò)程中耐藥細胞的產(chǎn)生會(huì )大大削弱抗癌藥物療效。因此，快速、低成本、可識別耐藥細胞、揭示藥物應激機制的腫瘤藥敏檢測方法，對于抗癌藥物研發(fā)和臨床精準用藥均至關(guān)重要。
目前主流的腫瘤藥敏檢測方法，如比色法、生物發(fā)光法、熒光分析法等，通常依賴(lài)于終點(diǎn)檢測，即區分細胞死活，卻難以定量、特異性地測量藥物對癌細胞的“代謝抑制”程度。同時(shí)，基于細胞群體反應的檢測手段，難以檢測癌細胞群體中極個(gè)別的耐藥細胞；這些“害群之馬”在正常環(huán)境下沒(méi)有生長(cháng)優(yōu)勢，卻耐受高濃度藥物，因此可能造成腫瘤死灰復燃，導致臨床化療的失敗。
針對此瓶頸問(wèn)題，單細胞中心Maryam Hekmatara等以人乳腺癌細胞株（MCF-7）和雷帕霉素的互作為例，開(kāi)發(fā)了重水飼喂單細胞拉曼光譜腫瘤藥敏快檢技術(shù)（D2O-probed CANcer Susceptibility Test Ramanometry；D2O-CANST-R；圖1）。結合腫瘤細胞拉曼組采集和多元曲線(xiàn)分辨-交替最小二乘法分析算法（MCR-ALS），研究人員證明，在1~3天的藥物處理后，D2O-CANST-R能特異性地基于“代謝抑制”檢測腫瘤藥敏性，并能在細胞核、細胞胞質(zhì)、脂質(zhì)體等單個(gè)細胞器的分辨精度，追蹤和區分其中蛋白質(zhì)與脂質(zhì)的合成速率和代謝變化，從而揭示藥物作用機制。脂質(zhì)和蛋白質(zhì)代謝的高度活躍，是腫瘤細胞快速增殖的重要原因，因此，上述能力對于抗癌藥物的機制研究和篩選具有重要價(jià)值。
基于前期單細胞中心提出的“拉曼組”（ramanome）和“藥物應激拉曼條形碼”（Raman Barcode of Cellular response to stresses；RBCS）等概念，研究人員還揭示了真核生物（人乳腺癌細胞和酵母細胞）之間、細胞器之間、藥物濃度之間、藥物處理時(shí)長(cháng)之間、生物大分子代謝途徑之間等，在單細胞精度代謝應激機制上的深刻異同。因此，D2O-CANST-R還具有高時(shí)空分辨率、信息量豐富、揭示代謝層面機制等特色。
此外，該方法還發(fā)現，在高劑量雷帕霉素（500或5000×IC50）處理后，仍存在保持較高代謝活性的癌細胞，即耐藥細胞。D2O-CANST-R識別腫瘤耐藥細胞和測定耐藥異質(zhì)性的能力，對于藥物機制研究、抗癌藥物評價(jià)和篩選等具重要意義，也具備輔助精準化療方案設計的潛在能力。
單細胞中心前期針對臨床抗感染用藥，提出了“重水飼喂單細胞拉曼藥敏快檢”原理，引入了“最小代謝活性抑制濃度”（MIC-MA）這一衡量藥敏性的新概念，發(fā)明了“單細胞光鑷微液滴拉曼分選”（RAGE）和“單細胞微液滴流式拉曼分選”（RADS）等核心器件，研制成功“臨床單細胞拉曼藥敏快檢儀”（CAST-R）和單細胞拉曼分選-測序耦合系統（RACS-Seq）等；并針對臨床樣品，證明了單個(gè)細菌細胞精度同時(shí)測定抗生素藥敏表型和高覆蓋度基因組的可行性（Xu T, et al, Small, 2020）。本工作是上述單細胞技術(shù)體系針對人體細胞與藥物互作的拓展，不僅將服務(wù)于腫瘤藥物研發(fā)、腫瘤精準用藥等，而且為腫瘤單細胞分選和多組學(xué)研究提供了一條新的技術(shù)路線(xiàn)。
該工作由徐健研究員主持完成，得到了國家重大科學(xué)儀器研制項目（基金委）和中科院前沿局人才項目等資助。（文/鄭曉?shī)?圖/劉陽(yáng)）
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.analchem.0c03925
Maryam Hekmatara, Mohammadhadi Heidari B, Yuetong Ji, Jian Xu*. D2O-probed Raman microspectroscopy distinguishes metabolic dynamics of macromolecules in organellar anticancer drug response. Analytical Chemistry (2021), DOI: 10.1021/acs.analchem.0c03925.
T. Xu+, Y. H. Gong+, X. L. Su+, P. F. Zhu, J. Dai, J. Xu*, B. Ma*, Phenome-Genome Profiling of Single Bacterial Cell by Raman-activated Gravity-driven Encapsulation and Sequencing, Small (2020), DOI: 10.1002/smll.202001172.
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