蛋白质的丰度和结构对于肿瘤的发生和发展至关重要。肿瘤相关蛋白质组成和结构的差异为阐明癌症发病机制提供了重要信息，是肿瘤诊断和药物设计的重要生物标志物。小细胞外囊泡是细胞分泌的纳米尺度（直径30–200 nm）的膜囊泡，携带和传递来源细胞的蛋白质、核酸等分子信息，影响生理病理过程。对肿瘤来源小细胞外囊泡蛋白质组分和二级结构的分析，有助于阐明小细胞外囊泡在肿瘤进展和转移中的作用，并促进肿瘤相关标志物的开发和液体活检技术的发展。光学表征提供了无损、快速、非侵入性的便捷探测手段研究蛋白质的组分和结构信息，然而由于远场光谱学的微米级光斑与百纳米级小细胞外囊泡直径之间的尺寸差异，使得远场光谱技术仅限于开展对小细胞外囊泡族群的大样本分析，其检测灵敏度和特异性受到小细胞外囊泡异质性和纯化挑战的影响。近日，国家纳米科学中心朱凌特聘研究员、杨延莲研究员与中科院物理所陈佳宁研究员、中国科学技术大学附属第一医院乳腺外科马小鹏主任医师合作，利用纳米红外光谱技术在单囊泡水平研究小细胞外囊泡的蛋白质二级结构，并用于乳腺癌恶性程度和转移性评估。相关研究成果以“Single-vesicle Infrared Nanoscopy for Noninvasive Tumor Malignancy Diagnosis”为题发表于Journal of the American Chemical Society。研究团队利用自搭建的基于近场光学显微镜的纳米红外光谱系统（nano-FTIR）的10 nm尺度红外光场局域增强，在蛋白质酰胺I带（1600–1700 cm-1）和酰胺II带（1510–1580 cm-1）的指纹光谱频段内，对单个小细胞外囊泡开展原位红外指纹光谱研究。利用酰胺I带吸收频率对蛋白质骨架结构的高度敏感性，通过对正常细胞和不同恶性程度肿瘤细胞来源的小细胞外囊泡的红外光谱进行统计分析，发现酰胺I/II吸收比值随着小细胞外囊泡来源细胞系的恶性程度增加而增加，高恶性肿瘤细胞来源小细胞外囊泡蛋白质α-螺旋和无归卷曲的含量发生显著下降，反平行β-折叠和β-转角显著增加。并通过比较无转移和淋巴结转移乳腺癌患者原发灶肿瘤组织来源小细胞外囊泡，证明这种小细胞外囊泡蛋白质二级结构的改变可高灵敏评估肿瘤转移性。研究结果显示了nano-FTIR在单个小细胞外囊泡水平进行分子鉴定和分析的优势，证明了小细胞外囊泡蛋白质二级结构变化在癌症检测中的意义和临床价值，为基于小细胞外囊泡的nano-FTIR分子指纹谱识别的癌症诊断提供了新的解决方案。中国科学院物理研究所薛孟飞博士（现为国科温州研究院博士后）和国家纳米科学中心叶思源博士为共同第一作者。国家纳米科学中心朱凌特聘研究员、杨延莲研究员、中科院物理所陈佳宁研究员为共同通讯作者
图1. 基于nano-FTIR的单个小细胞外囊泡蛋白质二级结构分析用于评估肿瘤恶性程度和转移性。（a）单个小细胞外囊泡原位红外吸收光谱分析；（b）小细胞外囊泡红外吸收光谱特征和蛋白质二级结构组成与肿瘤恶性程度相关；（c）小细胞外囊泡红外吸收光谱特征和蛋白质二级结构组成可评估乳腺癌患者转移性。参考文献：Single-Vesicle Infrared Nanoscopy for Noninvasive Tumor Malignancy Diagnosis, J. Am. Chem. Soc. 2022, DOI: 10.1021/jacs.2c07393.
外泌体资讯网 JACS:单个细胞外囊泡蛋白红外光谱肿瘤检测
