腫瘤藥敏性檢測(cè)方法學(xué)是抗癌藥物評(píng)價(jià)和篩選的前提，也是臨床化療方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。青島能源所單細(xì)胞中心開發(fā)了基于拉曼組的腫瘤單細(xì)胞藥敏檢測(cè)新方法D2O-CANST-R，具有快速、低成本、單細(xì)胞器精度、識(shí)別耐藥細(xì)胞、體現(xiàn)抗癌機(jī)制、可對(duì)接單細(xì)胞分選和測(cè)序等特色，為癌細(xì)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(xì)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(jù)重要地位，如使用得當(dāng)，單純或輔助化療即可根治部分腫瘤；對(duì)于一些晚期腫瘤，化療也可用于姑息性治療。然而，各種腫瘤類型間或不同患者個(gè)體間，其藥物應(yīng)激反應(yīng)均存在顯著差異，而且化療過程中耐藥細(xì)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(shí)別耐藥細(xì)胞、揭示藥物應(yīng)激機(jī)制的腫瘤藥敏檢測(cè)方法，對(duì)于抗癌藥物研發(fā)和臨床精準(zhǔn)用藥均至關(guān)重要。
目前主流的腫瘤藥敏檢測(cè)方法，如比色法、生物發(fā)光法、熒光分析法等，通常依賴于終點(diǎn)檢測(cè)，即區(qū)分細(xì)胞死活，卻難以定量、特異性地測(cè)量藥物對(duì)癌細(xì)胞的“代謝抑制”程度。同時(shí)，基于細(xì)胞群體反應(yīng)的檢測(cè)手段，難以檢測(cè)癌細(xì)胞群體中極個(gè)別的耐藥細(xì)胞；這些“害群之馬”在正常環(huán)境下沒有生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，卻耐受高濃度藥物，因此可能造成腫瘤死灰復(fù)燃，導(dǎo)致臨床化療的失敗。
針對(duì)此瓶頸問題，單細(xì)胞中心Maryam Hekmatara等以人乳腺癌細(xì)胞株（MCF-7）和雷帕霉素的互作為例，開發(fā)了重水飼喂單細(xì)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(jié)合腫瘤細(xì)胞拉曼組采集和多元曲線分辨-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(cè)腫瘤藥敏性，并能在細(xì)胞核、細(xì)胞胞質(zhì)、脂質(zhì)體等單個(gè)細(xì)胞器的分辨精度，追蹤和區(qū)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(jī)制。脂質(zhì)和蛋白質(zhì)代謝的高度活躍，是腫瘤細(xì)胞快速增殖的重要原因，因此，上述能力對(duì)于抗癌藥物的機(jī)制研究和篩選具有重要價(jià)值。
基于前期單細(xì)胞中心提出的“拉曼組”（ramanome）和“藥物應(yīng)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(xì)胞和酵母細(xì)胞）之間、細(xì)胞器之間、藥物濃度之間、藥物處理時(shí)長(zhǎng)之間、生物大分子代謝途徑之間等，在單細(xì)胞精度代謝應(yīng)激機(jī)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(jī)制等特色。
此外，該方法還發(fā)現(xiàn)，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(xì)胞，即耐藥細(xì)胞。D2O-CANST-R識(shí)別腫瘤耐藥細(xì)胞和測(cè)定耐藥異質(zhì)性的能力，對(duì)于藥物機(jī)制研究、抗癌藥物評(píng)價(jià)和篩選等具重要意義，也具備輔助精準(zhǔn)化療方案設(shè)計(jì)的潛在能力。
單細(xì)胞中心前期針對(duì)臨床抗感染用藥，提出了“重水飼喂單細(xì)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(xì)胞光鑷微液滴拉曼分選”（RAGE）和“單細(xì)胞微液滴流式拉曼分選”（RADS）等核心器件，研制成功“臨床單細(xì)胞拉曼藥敏快檢儀”（CAST-R）和單細(xì)胞拉曼分選-測(cè)序耦合系統(tǒng)（RACS-Seq）等；并針對(duì)臨床樣品，證明了單個(gè)細(xì)菌細(xì)胞精度同時(shí)測(cè)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(xì)胞技術(shù)體系針對(duì)人體細(xì)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(zhǔn)用藥等，而且為腫瘤單細(xì)胞分選和多組學(xué)研究提供了一條新的技術(shù)路線。
該工作由徐健研究員主持完成，得到了國(guó)家重大科學(xué)儀器研制項(xiàng)目（基金委）和中科院前沿局人才項(xiàng)目等資助。
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.
