近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.期刊（IF=16.6）的文章，题目为“Proximity-Enhanced Functional Imaging Analysis of Engineered Tumors”。功能成像（FI）技术通过肿瘤特定功能的信息（如糖代谢）来实现肿瘤成像。然而，由于肿瘤在分子层面上缺乏独特的分子特征和代谢途径，导致其与正常组织代谢差异有限，这增加了FI的背景噪音。基于此，上海交通大学医学院附属上海儿童医学中心潘秋辉教授、同济大学附属第十人民医院朱小立教授、毛东升副研究员团队开发了一种名为邻位增强型功能成像（PEFI）的新型成像策略，以实现肿瘤的准确可视化。论文共同第一作者为陈天舒博士、毛思薇博士和马纪副研究员。通过巧妙地利用“相邻的化学标记的糖蛋白”作为输出信号，PEFI能够显著增强肿瘤细胞与正常细胞在代谢上的差异，从而减少分析时的背景信号，并提高肿瘤FI的准确性。
以正电子发射断层扫描（PET）为代表的FI技术已广泛应用于肿瘤的临床诊断（图1a），然而肿瘤在分子水平和代谢途径上并无独特特征，其葡萄糖摄取水平仅在数量上与正常组织存在差异，这种程度的差异容易导致正常组织的背景信号，不利于临床诊断。
膜糖蛋白能够表现出糖代谢水平的差异，是细胞工程化的理想靶点。基于此，本文建立了一个基于膜糖蛋白的数学模型，为开发新型成像技术提供了理论支持。由于肿瘤糖代谢水平更高，在相同时间内，肿瘤细胞表达的化学标记的糖蛋白数量与其糖代谢水平成正比（图1b）。通过概率搜索算法证明了膜糖蛋白越多，它们相邻的概率P越大（图1c、d），这种邻近模型能够显著提高糖代谢水平上的差异。基于此，作者开发了一种新型FI方法，PEFI，用于在细胞、组织和动物水平上精确识别肿瘤（图1e）。这种创新的策略有望有效增加肿瘤细胞与正常细胞之间的差异，减少肿瘤分析的背景信号，提高FI的准确性。
图1. 邻位增强型功能成像（PEFI）用于增强糖代谢差异的概况。
PEFI的原理如图2所示。通过生物正交化学技术，肿瘤和正常细胞被DNA工程化，并且肿瘤细胞表面结合的DNA密度高于正常细胞，DNA彼此相邻的概率也显著高于正常细胞。因此，只有在肿瘤细胞膜上，两个邻近的糖蛋白上标记的DNA可共同招募结合一个环状DNA（Circle），进而触发发夹介导的DNA自限组装（SLA）指数放大并输出信号。
图2. 细胞DNA工程化和PEFI分析的原理图。
首先，作者在HeLa细胞上改变反应条件，探究了PEFI分析的可行性。结果表明，PEFI可正常运行且所有元素缺一不可（叠氮糖、DBCO-DNA、Circle）（图3a、b）。此外，PEFI对不同细胞群体具有普适性和足够的特异性（图3c、d）。经优化，作者证明了用于工程化的DBCO-DNA的摆动区域（S）为20 nt和捕获区域（C）为10 nt时，PEFI对肿瘤和正常细胞的区分度最优（图3e-h）。
进一步，作者在肿瘤类器官上评估了PEFI在组织水平的应用潜力（图4a）。结果表明，生物正交化学工程的肿瘤碎片显示出强PEFI信号（图4b-e）。肿瘤类器官上表现也相同（图4f、g）。这些结果表明PEFI分析在组织层面具有较低的背景和较高的准确性，并展现了其在临床诊断中的潜在应用价值。
图4. PEFI用于患者来源的肿瘤与正常组织及类器官分析。
作者进一步将研究扩展至动物层面，以探索该方法在临床应用中的潜力。经过8小时的PEFI分析后，肿瘤部位显示出明显高于周围正常组织的荧光信号，小鼠的主要实质器官和肿瘤组织的离体成像结果与体内成像结果一致（图5a-f）。基于这一优秀性能，PEFI还被证明可用于指导肿瘤切除（图5g-i）。
图5. PEFI在体内肿瘤分析及指导肿瘤切除中的应用。
作者开发的PEFI策略可将肿瘤与正常细胞之间的代谢差异转化为细胞表面工程化的糖蛋白的相邻概率差异，实现肿瘤的高准确性和低背景成像，这一技术可用于细胞、组织和动物水平。虽然该研究在体外和体内证明了PEFI的有效性，但仍需进一步的临床试验来验证其在实际应用中的可行性和有效性。此外，通过其他叠氮标记的非天然糖（GalNAz或GlcNAc等）作为替代品来实现PEFI，将有利于实现对更广谱系肿瘤的分析。总的来说，通过利用肿瘤与正常细胞的代谢差异，PEFI分析为非侵入性诊断、监测和手术指导提供了有力的工具。
