仿生质谱传感芯片的构建及其在肿瘤细胞侵袭转移评估中的应用

Matrix metalloproteinases (MMPs) play key roles in the process of tumor invasion and metastasis, thus high-throughput assay of MMPs activities is the foundation for precise assessment of invasion and metastasis capacity of tumor cells. Aiming at the requirements on enzyme activity analysis and exsisting problems of bio-chips, such as low efficiency on substrate assembling, large difference of the reaction environment from real bio-system, and interference of substrate labeling and immobilization on the enzyme properties, we integrated the technologies of mass spectrometry imaging (MSI) and self-assembly in this project, and proposed the principle for biomimetic microarray construction with high efficiency to develop a multifunctional sensor chip for mass spectrometry. With the prepared microarray, methods for assays of MMPs activities have been established for visualized analysis of tumor cell-secreted MMP-activity patterns, and technology has been developed for the assessment of invasion and metastasis capacity of tumor cells. Investigations in this project mainly include: (1) Designing and synthesizing a series of phospholipid-skeletoned “mass tags” with a variable degree of freedom to conjugate peptide substrates, and constructing an extracellular matrix (ECM)-biomimetic microarray for mass spectrometry. (2) Introducing a multi-functional module to propose a method with the integration of capture of tumor cells and analysis of MMPs activities. (3) Interpreting the enzyme activity patterns and screening representative MMPs to evaluate the invasion and metastasis capacity of tumor cells. This project will promote the development of mass spectrometric sensing and MSI, and provide an important tool for the invasion and metastasis capacity assessment of tumor cells and cancer diagnosis.

基质金属蛋白酶（MMPs）在肿瘤侵袭转移过程中起关键作用，MMPs活性的高通量检测是准确评估肿瘤细胞侵袭转移能力的基础。本项目针对酶活性分析需求和已有生物芯片底物组装效率低、反应环境与实际体系差距大、检测结果受酶底物标记与固定影响等难题，融合自组装与质谱成像等技术，提出仿生微阵列高效构建原理，研制多功能质谱传感芯片，建立MMPs活性检测方法，并用于肿瘤细胞分泌MMPs活性的图案可视化分析，发展肿瘤细胞侵袭转移能力的评估技术。主要研究内容包括：（1）设计合成一系列自由度可调的磷脂骨架“质谱标签”与底物相连，构建细胞外基质仿生质谱传感芯片；（2）引入多功能模块，建立肿瘤细胞捕获与MMPs活性质谱成像分析的一体化方法；（3）解读酶活性图案化信息，筛选标志性MMPs，将构建方法用于肿瘤细胞侵袭转移能力的评估。这些工作将促进质谱传感与质谱成像技术的发展，为肿瘤细胞侵袭转移研究与癌症诊疗提供重要工具。

基质金属蛋白酶（MMPs）在肿瘤侵袭转移过程中起关键作用，多种MMPs活性的准确检测，对于恶性肿瘤分期诊断及转移机制的阐释十分必要。针对多酶活性检测需求和已报道的多目标物分析方法信号分子种类单一、标记分子间信号重叠，从而严重限制单次实验中目标检测物数量这一难题，本项目主要研究内容为：充分融合质谱与生物传感技术优势，提出“质谱生物传感”概念、原理及“质量探针”设计方法，以特定系列具有明确质荷比的分子作为质量编码，实现信号转化与多目标分析。研究通过与蛋白质组学定量分析方法相结合，设计合成质量探针，构建质量编码悬浮阵列传感器；利用双重编码技术，建立多酶活性质谱分析方法，用于肿瘤检材中多种MMPs活性的同时检测。其研究成果推进了质谱技术与生物传感领域发展，并为恶性肿瘤的分期诊断及预后评估提供理论基础和实用工具。此外，依托所在单位司法鉴定毒物分析平台，结合项目承担人在质谱分析和生化传感领域积累的经验，开发了生物检材中多种毒药物的快速检测方法，可为公共安全分析领域服务。. 本项目按原计划进行，进展顺利，承担人以第一作者或通讯作者先后在国内外高水平期刊ACS Sens.、Anal. Chem.、分析测试学报、化学试剂等期刊发表论文4篇，申请专利1项，以第二作者在Biosens. Bioelectron.期刊发表论文1篇；协助培养硕士研究生2名，指导多名本科生完成毕业设计及结题多项大学生创新创业计划项目；参加学术会议2次。在国际国内形成了一定影响，推动了质谱分析、生化传感等相关领域科学研究的发展。