Sci Adv丨张路团队开发体内膜工程MRI分子探针，实现微小肝癌精准检测|gd|体内膜工程|免疫性疾病|张路(足球评论员)|细胞|肝癌|肿瘤|造影剂

肝细胞癌（ hepatocellular carcinoma,HCC）是最常见的原发性肝癌类型，其早期发现和精准诊断对于改善患者预后具有决定性意义。尤其是直径小于 1 cm 的微小肝癌，若能在早期被准确识别并及时干预，患者有望获得接近治愈的长期生存。然而，微小肝癌病灶体积小、血供特征不典型，现有临床影像手段在灵敏度、空间分辨率和分子特异性方面仍存在明显不足。血清标志物如 AFP 对早期肝癌检测敏感性有限，常规超声检查受操作者经验和空间分辨率影响较大， PET/CT 则存在辐射负担和灵敏度受限等问题。 MRI 虽然是肝癌诊断和分期的重要影像技术，但目前临床常用钆基造影剂多为非特异性细胞外液造影剂，难以实现对亚厘米级肝癌病灶的稳定、可靠识别。如何在肿瘤局部实现分子特异性识别、造影剂精准滞留以及 MRI 信号原位放大，是微小肝癌早期影像诊断亟待解决的关键科学问题。

近日，南方科技大学张路团队，联合南方医科大学珠江医院洪国斌团队、中山大学孙逸仙纪念医院沈君团队，在 Science Advances 发表了题为 In vivo membrane engineering traps Gd-based MRI contrast agents for detecting microhepatocellular carcinoma 的研究论文。该研究提出了一种基于体内膜工程（ in vivo membrane engineering ）与生物正交点击化学的双步注射MRI多肽探针策略。首先利用 GPC3 靶向可编程多肽纳米颗粒在肝癌细胞膜表面发生原位纤维化组装，构建带有 DBCO 反应基团的膜锚定纳米纤维支架；随后注射叠氮修饰的 Gd-DOTA （ Gd-DOTA -N 3 ），通过无铜点击反应将钆基 MRI 造影剂精准捕获并固定于肿瘤细胞膜表面，从而实现肿瘤局部 T1 信号增强和微小肝癌高对比度成像。

该研究设计了由两种多肽单体共组装形成的 SPD1 纳米颗粒。该体系集成了四个关键功能模块：其一为 GPC3 靶向肽序列 DHLASLWWGTEL ，用于特异性识别 GPC3 高表达的肝癌细胞；其二为 FF β-sheet 组装基序，用于驱动纳米颗粒向纤维结构转变；其三为 PpIX 荧光基团，用于示踪材料分布与组装过程；其四为 DBCO 点击化学手柄，用于后续捕获 Gd-DOTA-N 3 。静脉注射后， SPD1 纳米颗粒可富集于肿瘤组织，并在肿瘤细胞膜 GPC3 识别作用下发生构象重排，转化为稳定的膜锚定纳米纤维网络。该纤维网络不仅提高了肿瘤局部滞留能力，也在细胞膜表面构建了一个可用于后续生物正交反应的 “ 化学反应界面 ” 。

体外实验表明， SPD1 纳米颗粒在重组 GPC3 蛋白作用下可由球形纳米颗粒逐步转变为纳米纤维结构，并伴随 β-sheet 含量增加；而缺乏 GPC3 靶向模块的对照材料 SPD2 则不能发生类似形貌转变。进一步的细胞实验显示， SPD1 能够在 GPC3 高表达的 HepG2 和 Hepa1-6 肝癌细胞膜表面形成明显的纤维网络，而在正常肝细胞 WRL-68 中未观察到类似膜表面组装现象。该结果说明， SPD1 的膜表面纤维化转变依赖于 GPC3 介导的特异性识别，而非简单的非特异性聚集。

在 MRI 信号放大方面，进一步利用 DBCO-N 3 无铜点击反应，将 Gd-DOTA-N 3 固定到 SPD1 形成的膜锚定纳米纤维支架上。由于钆螯合物被限制在有序、刚性的纳米纤维结构中，其旋转相关时间延长，从而显著提高纵向弛豫率。体外 MRI 结果显示， Gd-DOTA-N 3 +SPD1+GPC3 体系的 r 1 值达到 15.51 mM -1 s -1 ，较临床 Gd-DOTA 及相关对照组提高约 3.5-3.8 倍。细胞水平实验中， SPD1 预处理后再加入 Gd-DOTA-N 3 ，也可显著增强 HepG2 细胞的 T1 信号；而 GPC3 抗体阻断后，该增强效应明显下降，进一步证明该信号放大过程具有 GPC3 依赖性。

在体内实验中，该双步注射策略表现出良好的肿瘤靶向成像能力。研究人员首先注射 SPD1 ，使其在肿瘤细胞膜表面形成带有 DBCO 基团的纳米纤维支架； 6 小时后再注射 Gd-DOTA-N 3 ，使其通过点击反应被捕获于肿瘤局部。无论是在皮下 Hepa1-6 肿瘤模型还是原位肝癌模型中， SPD1+Gd-DOTA-N 3 组均显示出更强、更持久的 T1 信号增强，并获得更高的肿瘤 / 肝脏信号比。 ICP-MS 结果也显示，该组肿瘤组织中的 Gd 含量显著高于 SPD2+Gd-DOTA-N 3 、 Gd-DOTA-N 3 单独给药及临床 Gd-DOTA 对照组，说明该策略能够提高钆基造影剂在肿瘤部位的局部滞留。

该研究还系统评估了材料的体内安全性。健康小鼠和原位肝癌小鼠接受 SPD1 与 Gd-DOTA-N 3 给药后，主要脏器 H&E 染色未见明显组织病理损伤，血常规、肝肾功能指标及炎症因子水平均未出现显著异常。此外，针对钆沉积安全性的潜在问题，研究人员进一步检测了脑部信号，未观察到明显的长期钆沉积迹象。这些结果提示，该体内膜工程 MRI 分子探针在实验条件下具有较好的生物相容性和体内安全性。

总体而言，该研究提出了一种不同于传统“直接注射造影剂”的微小肝癌MRI成像策略：先通过GPC3靶向多肽在肿瘤细胞膜上构建稳定的原位纤维化反应平台，再通过生物正交点击化学将钆基造影剂精准捕获于肿瘤局部，实现从“被动分布成像”向“肿瘤膜工程化信号放大成像”的转变。该策略不仅提高了MRI造影剂的肿瘤特异性和局部弛豫效率，也为受体引导的分子影像、早期癌症检测以及可编程体内材料工程提供了新的技术框架。