项目名称：多模态智能化纳米分子影像探针及其在结直肠癌诊断与研究中

项目名称：多模态智能化纳米分子影像探针及其在结直肠癌诊断与研究中内容摘要：

表信号标记的方法结合体位定位装置，开展成像空间定位配准；结合时空配准及软件配准对多模态肿瘤分子影像信息开展图像融合、图像解析以及海量分子影像数据的综合分析研究，建立肿瘤早期诊断、转移预警的分子影像方法。 主要技术路线：采用多模态分子影像方法对多幅图像间互补信息的处理提高图像的清晰度。 将高分辨 MR 图像与高灵敏的光学成像或高敏感 PET 图像方法相结合。 采用像素级图像融合技术的基本原理和方法，对多模态分子影像获得的图像进行图像去噪、图像配准、图像融合。 得到初步的实验数据为后期结果分析提供依据。 图像去噪主要用中值滤 波方法实现；图像配准采用基于特征点提取的图像配准方法；图像融合技术通过对空间域和变换域的融合算法进行研究和分析。 基于小波变换的图像融合算法 , 通过小波逆变换得到融合图像。 通过多模态影像融合后的图像高信息量弥补单模态方法信息量低的不足，从而 实现肿瘤的极早期诊断（ 13 mm肿瘤）及早期微转移预警，提高肿瘤早期诊断的准确性及灵敏度。 相关研究内容创新点： 1． 磁共振探针量效分析的技术途径具有创新性； 2． 结合动物体表信号标记及动物体位定位装置开展多模态图像的获取、融合及分析的技术途径具有创新性。 （三）取得重大突 破的可行性分析 尽管肿瘤分子影像目前已经在全世界范围内得到了高度关注，并展示出广阔的应用前景，然而国内外相关研究尚处在起步阶段。 本项目以肿瘤的早期诊断、肿瘤相关微环境的高灵敏度探测、肿瘤信号转导通路及肿瘤上皮细胞间质化过程的动态可视化为研究目标，以结直肠癌为研究对象，一方面发展微小肿瘤的早期诊断方法；另一方面开展与肿瘤转移诊断、肿瘤早期转移预警以及靶向治疗疗效预测相关的前瞻性研究，研究工作具有取得重大突破的可行性，原因如下： 1．研究目标明确，前期工作基础扎实 在肿瘤分子影像探针及微小肿瘤早期诊断方面，本项 目组成员已经开展了大量的前期工作，包括：高质量生物相容性磁性纳米晶体的制备、肿瘤纳米分子影像探针的构建及活体肿瘤检测等。 同时，在多模态分子影像探针的构建及多模态影像信息处理方面也积累了大量的经验，不仅发表了大批高水平的科研论文，而且获得了系列相关专利。 借助本项目组拥有的先进且全面的实验动物影像设备条件，建立结直肠微小肿瘤早期诊断的分子影像方法，取得突破具有可行性。 在探测肿瘤微环境中特征蛋白酶、金属离子及 pH 值异常变化的智能化分子影像探针方面，相关研究内容不仅结合了项目组成员的前期工作基础，也包含了项目组成 员经多轮讨论形成的原创性学术思想。 研究内容既充分体现了前瞻性，也具有实现突破的可能性。 具体研究工作基础包括：在金属离子及 pH探针方面不仅有多年的研究工作积累，而且在斑马鱼及小鼠上开展过前期动物实验，已经取得了高水平的科研成果；项目组成员在激活型的 Cu 离子探针及比例计量型的 Zn离子探针方面已有很好的前期工作基础，在 pH探针方面也取得了重要突破。 在肿瘤及小 G蛋白相关信号转导通路方面，项目成员曾在国际上研究 Rho家族分子著名的实验室系统地研究了 Rho家族分子的调控机制，在 Rho家族分子激活因子 Dbl分子的研究中 提出了 Protodbl的分子内自我抑制学说，研究成果分别发表在国际分子细胞生物学领域著名杂志 Mol. Cell Biol.、 Mol. Biol. Cell、J. Biol.。 同时，在 Rho家族蛋白与肿瘤关系的研究及 Rho家族蛋白小分子靶向药物的研发等方面也取得了重要进展，并发表了大量相关学术论文。 在小 G蛋白信号转导通路可视化研究内容中所涉及的核酸研究方面，项目组多名成员有相关前期工作基础，并在核酸甲基化、多态性及高灵敏度检测方面取得了国际领先的研究成果；在肿瘤细胞特异性核酸适配体的筛选、结构 改造、以及核酸适配体用于肿瘤细胞检测、肿瘤标志物的发现、靶向治疗方面有系统的研究工作，发表了系列高水平研究论文。 基于上述前期工作基础，开展小 G蛋白相关结直肠癌信号转导通路的可视化研究，取得突破具有可行性。 在肿瘤的上皮细胞间质化（ EMT）方面，项目组成员已经在模型建立这一难题上取得重大突破，成功地建立了体外、体内 EMT模型，并构建了 Snail调控报告基因质粒，为本项目相关内容的实施奠定了扎实的前期工作基础， 开展相关过程的可视化研究具有取得突破的可行性。 2．高水平的研究队伍及合理的学科布局 本项目作为高度学科交叉的研究，项目团队由无机化学、有机化学、分析化学、物理化学、光化学、生物化学、肿瘤学、影像学、药学等领域的专家组成，项目参加人员的学科布局合理，也是本项目研究内容得以实施并取得重大突破的关键。 同时，项目研究队伍由活跃在第一线的优秀中青年科学家为主，包括 5名杰出青年基金获得者， 1名 总后 “科技新星 ”称号 获得者， 1名教育部长江特聘教授及 3名中科院百人计划入选者。 3．实验条件一流 本项目依托于 1 个国家实验室、 4 个国家重点实验室及多个部门重点实验室，项目参加单位华西医院分子影像中心拥有开展本项目 必要的多种动物影像设备，这些独特的优势为本项目取得突破提供了重要保障。 （四）课题设置 课题 1： 高灵敏度多模态肿瘤 纳米 分子 影像 探针 承担单位：中国科学院化学研究所 南京大学 吉林大学 课题负责人：高明远 主要学术骨干： 杨 文胜、 朱进、 陆轻铱、杨春晖 经费 比例 ： 27% 主要研究内容： 1．高质量磁性纳米晶体的制备及表面生物相容性修饰结构的设计。 相关内容包括：磁性纳米晶体的 粒度 及其分布控制； PEG分子量、 PEG与烷基小分子对 Fe3O4纳米晶体 表面的共修饰 对磁性 Fe3O4纳米晶体粒度分布、纳米颗粒与蛋白的相互作 用规律以及血液半衰期的影响。 2．多模态分子靶向探针的构建。 相关研究内容包括： 57Co 掺杂型 Fe3O4纳米晶体的制备与粒度分布控制；肿瘤分子影像探针及多模态探针的肿瘤亲合性及体内分布行为；双模及多模探针在肿瘤分子影像早期诊断中的应用方法。 研究目标：制备长血液循环 时间 的磁性纳米晶体，构建高灵敏度多模态肿瘤纳米分子影像探针，实现结直肠癌微小肿瘤的早期诊断。 课题 2： 肿瘤微环境智能化纳米 分子 探针 承担单位：南京大学 中国科学院化学研究所 课题负责人： 张艳 主要学术骨干：郭子建 、 马会民、江华、 何卫江 经费比例： 25% 主要研究 内容 ： 1．高灵敏度及可定量的铜、锌等离子及 pH探针的构建。 相关内容包括：激活型及比例计量型荧光探针的设计合成；探针功能化耦联的活性结构设计；探针的细胞毒性及细胞透膜性研究。 2．金属离子及 pH探针的纳米化结构及生物靶向结构的设计。 相关内容包括：探针及靶向分子与纳米颗粒载体的化学耦联；功能化纳米探针的稳定性、生物相容性及检测应用。 3．肿瘤转移预警智能化纳米探针的构建。 相关内容包括： 肿瘤微环境中与转移相关的蛋白 酶底物的分子结构设计；染料在纳米颗粒上的负载及荧光淬灭行为研究；智能化探针在 肿瘤转移预警 中的应用。 研究目标：结合分子结构设计及纳米结构设计构建探测肿瘤微环境中的蛋白酶、铜、锌等离子及 pH 值异常变化的智能化纳米分子影像探针，发展结直肠癌转移诊断的分子影像方法，同时以安全无创的影像学手段揭示肿瘤微环境中铜锌离子及 pH值异常变化与肿瘤发生发展的相关性。 课题 3： 肿瘤恶性生物学行为重要分子事件的动态可视化 承担单位：中山大学 中国科学院化学研究所 长春应用化学研究所 课题负责人：杜军 主要学术骨干：上官棣华、 唐纪琳、孙旭平、刘礼兵 经费比例： 24% 主要研究内容： 1．与结直肠癌诊疗密切相关的 EGFR/VEGFR－小 G蛋白信号通路可视化研究。 利用荧光素酶融合再生原理，构建小 G蛋白与荧光素酶片段融合蛋白基因；建立以磁性纳米晶为基因载体的细胞转染方法；筛选优化可特异性识别小 G蛋白的核酸适配体分子探针；实现小 G蛋白表达及活性的可视化。 2．结直肠癌细胞 EMT关键分子的可视化研究。 设计构建转录因子 Snai。