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勇于创新基于纳米技术的医疗诊断手段推动健康产业发展
发表时间 2017-10-25 14:14 来源 本站原创

  ——记上海交通大学教育部长江学者博士生导师崔大祥教授及其团队

  21世纪的纳米科学技术正在成为推动世界各国经济发展的主要驱动力之一。未来20—30年,纳米科学技术有望广泛应用于信息、能源、环保、生物医学、制造、国防等领域,产生新技术变革,促进传统产业改造和升级,并形成基于纳米技术的新兴产业。在生物医学方面,纳米技术将用来发展疾病早期诊断技术、组织器官修复与低毒高效治疗技术等,为治疗提供新的手段和策略。我国在纳米基础研究方面做出了一系列具有原创性重要成果,在国际上产生重大影响。崔大祥教授就是其中一位从事纳米重大科学研究的科学家。

  崔大祥,上海交通大学特聘教授,教育部长江学者,入选国家百千万人才,上海交通大学转化医学研究院副院长,仪器系主任,博士生导师,薄膜与微细技术教育部重点实验室副主任,上海智能诊疗仪器工程中心主任,国家杰出青年基金获得者,纳米重大科学研究计划项目首席科学家,日本早稻田大学访问教授与客座教授,悉尼大学荣誉教授。研究方向是:纳米功能材料的制备与表征;基于纳米效应的胃癌预警与早期诊断系统;智能响应的纳米机器与移动医疗物联网传感器技术;胃癌相关的基因与蛋白质的结构与功能研究;智能响应的的纳米免疫治疗与干细胞治疗技术;智能高效药物递送系统。

  在国际专业杂志上发表SCI论文200多篇,论文被Science, Nature Nanotechnology, Chem. Review 等杂志引用与评论,他引次数已超过8000多次,H-index 为48,在国际学术会议上作邀请报告50多次,获国家科技进步二等奖1项,上海市技术发明一等奖1项, 主编专著2部,参与编写出版专著8部, 参与开发的部分产品获医疗器械证5个。

  学术兼职:中国抗癌协会肿瘤纳米分会副主任委员,精准医学专业委员会委员,生物医学光子学专业委员会常委,全国标准化专业技术委员会委员,Nano Biomedicine and Engineering 杂志主编。

  潜精研思 攻坚克难 突破乙肝病毒快速侦检技术

  乙型肝炎病毒简称乙肝病毒。是一种DNA病毒,属于嗜肝DNA病毒科(hepadnaviridae)。

  中国的乙肝病毒感染率约60%-70%;乙肝表面抗原携带率约占总人口的7.18%,以此计算,全国约有9300万人携带乙肝病毒,其中慢性乙型肝炎患者约2000万例。中国目前每年用于肝炎和肝病的医疗、保健费用1000多亿元,而因寿命减短等带来的间接的经济损失高达320亿元!

  揭晓的2016年度上海市科学技术奖“榜单”的技术发明一等奖中,有这样一个项目——上海交通大学崔大祥团队的“基于纳米技术的乙肝病毒及肝病全程的快速侦检技术与应用”。据悉,研究团队利用纳米粒子标记与纳米效应的优势,发明了针对乙型肝炎发病初期、肝硬化与肝癌变的全程监测方法与诊断试剂及器械,对提高乙肝患者的早期诊断水平、全病程中疗效监测、指导治疗用药以及早发现肝脏癌变具有重大现实意义。

  崔大祥教授和他领导的团队发明的“基于纳米技术的乙肝病毒及肝病全程的快速侦检技术与应用”主要内容包括:

  乙肝病毒核酸定量、基因分型与耐药基因检测及便携式系统。发明了量子点荧光淬灭基础上的定量PCR方法并研制了乙肝定量PCR试剂盒;把磁性纳米粒子的巨磁阻效应与微流控芯片结合起来,实现了乙肝病毒快速基因分型,集成了等温PCR扩增芯片,研制出便携式乙肝病毒快速基因分型微流控系统;发明了DNA分枝状杂交探针,研制了便携式毛细管芯片检测仪,实现了多群耐药基因突变与基因分型检测。

  乙肝病毒表面抗原新表位肽与前S1区单克隆抗体及酶联诊断试剂盒。发明了量子点标记荧光偏振检测技术,筛选出3个乙肝表面抗原B细胞表位肽;研制出检测乙肝病毒前S1区鼠单克隆抗体HB1与HB3,研制了量子点标记酶联检测试剂盒。

  乙肝病毒抗原与抗体快速检测的纳米粒子标记的层析芯片与配套阅读仪。发明了磁性纳米粒子与量子点等的可控制备方法,发明了磁性纳米粒子标记的乙肝病毒抗原抗体定量检测试纸条,量子点标记的抗原抗体定量检测的层析芯片,研制了对磁信号与荧光信号定量检测的阅读仪,编写了定量分析软件;研发了乙肝二对半同步检测的层析板。

  乙肝病毒快速检测的新原理方法。制备了既结合Fc片段又具有MboI酶切功能的创新性双功能抗体,发明了唾液诊断乙肝的原理方法;发明了金纳米粒子淬灭荧光分子信号基础上的乙肝抗原抗体快速定量检测的原理方法;阐明了碳纳米管淬灭量子点荧光信号的原理,建立了碳纳米管与量子点自组装基础上的多种标志物同步检测的方法;研发了家庭用的手持式定量检测阅读仪,可自动上传结果到指定的医院检测中心。

  乙肝病毒导致肝癌的检测方法与循环癌细胞定量检测的微流控芯片系统。发明了针对血液中P53、k-ras、MEK1、PTEN与β-Catenin基因突变快速检测的PCR试剂盒;发明了肝癌患者血液中癌细胞的分离、捕获与定量分析的微流控芯片系统。

  崔大祥介绍说,“基于纳米技术的乙肝病毒及肝病全程的快速侦检技术与应用”这项成果获发明专利授权60多项,计算机软件著作权7项,实用新型专利授权12项,发明专利进入实审10项。研究过程鉴定成果1项,结论为“总体达到国际先进水平,基于纳米技术的乙型肝炎诊断新技术方法与传感器件达到国际领先水平”,验收成果2项;发表SCI论文121篇,其中ESI高影响论文3篇,Science等杂志发表正面评论;形成自主知识产权的医疗器械证书16项。

  他带着欣慰的笑容:“这项技术在上海、北京等全国数百家医院获得应用。研究成果对提高乙肝患者的早期诊断水平,病程中疗效监测,指导治疗用药方面具实际作用,同时也推动我国纳米诊断医疗器械产业发展与临床应用。”

  乙肝是中国重点控制的传染病之一。由于我国的乙肝患者年龄大多在 20~50 岁之间,是社会的中坚力量,肩负着家庭和社会责任。另外,在长期治疗过程中,乙肝患者及其家庭不仅承受着巨大的经济负担,还面临来于就业、婚育等方面的诸多压力。肝炎已由单纯的“疾病”调整为“已经存在并不可忽视的社会问题”。

  崔大祥教授说:“乙肝病毒是我国肝炎、肝硬化与肝癌的主要原因。本项目主要利用纳米粒子标记技术与纳米效应,针对乙型肝炎发病初期、肝硬化与肝癌的不同阶段,快速实现乙肝病毒核酸定量检测、基因分型、耐药基因突变检测,抗原抗体定量检测及肝癌基因突变检测,循环肝癌细胞定量检测,对乙肝患者快速诊断、疗效监测及指导用药具有十分重大意义。”我们期待这项技术为我国乙肝病毒防治工作做出巨大成绩。

  极深研几 苦心孤诣 奋力推进胃癌早期诊断技术

  胃癌的发病率在全球常见癌症中居第4位,在癌症相关死因中居第2位。胃癌是我国常见的恶性肿瘤之一。我国每年死于胃癌的约有22.7万人,占所有恶性肿瘤死亡的23% ,而患者的早期诊断率还不到1/10,早期胃癌手术率低于5%~10%。在预后方面,EGC预后良好,5年生存率达90%以上,而进展期胃癌5年存活率仅为30%~40%。因此,胃癌的早期诊断、早期治疗对于提高疗效、降低死亡率具有十分重要的意义。然而,在我国早期胃癌的发现率仍不到20%。解决胃癌的早期诊断问题具有巨大的临床需求。基于纳米技术的医疗检测手段能为简化现有的操作,简化诊断标识,提高灵敏度和可信度,提供新的检测手段。

  围绕胃癌预警与早期诊断中的关键科学问题,崔大祥教授和他的团队就“基于纳米技术的胃癌预警与早期诊断系统”开展了系统研究,取得的研究成果达到了国际先进水平,部分成果达到了国际领先水平。这项成果枝繁叶茂,主要包括:

  1.胃癌呼出气体标志物筛选、鉴定与检测设备的研制

  崔大祥教授领导团队筛选出区分正常人、早期胃癌与进展期胃癌状态的14个特征性呼出气体标志物,获发明专利授权;设计制备了金纳米粒子原位沉积的氧化石墨烯薄膜,实现了呼出气体标志物的灵敏、特异、定量检测,经200例临床标本验证,能够有效区分健康人、早期胃癌与进展期胃癌患者。多中心协作扩大临床患者的试验范围正在全国不同地方联系进行。此纳米传感器的发明,解决了痕量气体标志物检测的灵敏度问题,特异性问题,具有原创性。与国际上现有的气体成分检测方法相比,具有简便、快速、灵敏、特异的优势,达到国际领先水平,有望成为第四大常规,用于胃癌的早期无创筛查。

  2.胃癌预警SNP位点标志物的筛选、鉴定与高通量检测方法的建立与验证

  崔大祥团队发现PLCE1基因中3个SNP位点与胃癌发病相关,3个统计学阳性的tSNP位点构成的单体型与胃癌风险相关联:“CCAAGTC”属于保护性单体型,可降低0.22倍胃癌发病风险;“TAGGGTC”为风险性单体型,可增加1.51倍患病危险。发现中国汉族人群中,LTA SNP位点rs1041981与胃癌易感性有关,其中携带A等位基因者患胃癌的风险明显增高(CA+AA: CC,OR=2.02,95%CI = 1.15-3.56)。 rs1041981 AA型与女性患者、肿瘤浸润深度较深、淋巴结有转移者密切相关。研究对象中特定基因型(携带A等位基因)对患者血清TNF-β含量影响较大。

  通过对600多例胃癌患者血标本进行高通量筛选,结果发现3个基因共5个新的SNPs多态性位点与胃癌发生风险具有密切的相关性,即NQO1_rs1800566、NQO1_rs1437135、PLCE1_rs3765524、PLCE1_rs10509670、TYMS_rs11187866,这为开展胃癌的预警提供了新靶点。为进一步验证在胃癌预警中的价值奠定了基础。

  3.崔大祥教授和团队成员一起通过microRNA芯片筛选和106例胃癌病人血浆中MicroRNA的定量PCR检测发现胃癌病人血浆中MicroRNAmiR-16-5p、miR-19b-3p等明显下调,下调水平与胃癌分期密切相关,具有胃癌早期诊断的价值;他们也对术前与术后的标本进行了检测,发现此2个miRNAs在术后3个月里恢复到正常水平。

  4. 他还研制了一批胃癌靶向成像与同步治疗的多功能纳米探针。研制了叶酸偶联硅修饰的金纳米棒探针,证明具有增强放射治疗敏感性的特性,被Science杂志文章引用,被Chem Rev.等评论。安全性评价结论:一次性诊断使用,是安全性的,无毒的。具有临床应用价值。

  5. 他研制出2个拥有自主知识产权的胃癌靶向出成像与治疗的纳米探针。筛选出BRCAA1基因(AF208045)并证明BRCAA1基因与蛋白在62%的中国胃癌组织标本中高表达,在正常胃粘膜中不表达;制备了拥有自主知识产权的BRCAA1的单克隆抗体,发现此抗体标记的荧光磁性纳米粒子能主动靶向识别体内胃癌组织,利用磁热效应,可以杀死肿瘤细胞。

  6.设计制备了可被无创MR和荧光光学成像共同检测的用于细胞示踪的双功能分子影像探针。崔大祥团队在磁共振对比剂的使用中,采用较敏感的氧化铁纳米颗粒以及成像分辨率高的Gd配体对比剂,钆配体对比剂所形成的正向MRI有着高准确度、高灵敏度和不易受病变组织伪信号干扰等优点。在荧光基团的使用中,IR-783所激发的近红外荧光不但在活体组织内有更高的信噪比,而且还有更深的组织穿透性。采用Dextran作为大分子载体,具有众多的反应活性功能团、良好的水溶性、生物降解性和低免疫排斥性。

  7.针对胃癌超声成像存在的问题,提出了一种在稀疏分解框架下的超声信号反卷积模型来改善超声成像的质量。崔大祥团队研究的结果表明:课题提出的反卷积方法成像比直接成像的分辨率要高,图像的对比度也得到增强、斑点噪声明显减少,成像质量得到提高。偏微分方程的反卷积和稀疏分解的反卷积这两种方法各自的机理不一样,各有特色,本课题采用图像融合的方法把两者的优势结合在一起。把局部方向能量比的熵引入融合决策中,根据实际情况,比单独使用一种反卷积方法效果要好。

  8.建立了5种超敏感标志物检测方法。崔大祥团队利用碳纳米管淬灭量子点荧光信号的原理,可实现血清等样品中的多种核酸或抗原的超敏感检测,类似于液体芯片;论文发表后,被Nature Nanotechnology 发表了正面评论。

  他利用磁性纳米粒子捕获唾液中的微量标志物,然后利用双功能蛋白的酶切功能,切割荧光淬灭探针,切开的探针,产生荧光信号,荧光信号的强度与磁性粒子捕获的抗原或抗体具有一定的比例关系,此方法的建立为进一步探索利用唾液检测胃癌标志物的方法奠定了技术基础。

  他建立了量子点荧光淬灭基础上的定量PCR技术原理方法,获发明专利授权,利用此原理开发的核酸片段定量PCR检测试剂盒,具有非常高的灵敏度与特异性;转让给上海赛安医药股份有限公司。

  9.崔大祥团队研制出基于巨磁阻抗效应与微流控芯片结合的系统,成功地实现了循环血中的胃癌细胞的快速捕获与定量,灵敏度达到2个癌细胞/ml血液。在此基础上,进一步研发了循环血中循环癌细胞捕获并定量及操控的微流控芯片系统,获发明专利授权。

  10.他开发的针对基因标志物进行快速分型检测的巨磁阻(GMR)微流控芯片传感器系统,整合了等温PCR扩增技术、线性杂交技术于一体的微流控通道芯片,这个芯片实现了待测基因的快速分型,既可以是一次性使用,与检测装置分开,检测装置可重复使用,节约了成本,为进一步开发成便携式检测器件奠定了基础。

  11. 崔大祥教授及其领导的团队研制的生物免疫层析芯片阅读仪获得医疗器械注册证书,进入应用市场。他们建立的磁性纳米粒子标记的层析芯片与配套的检测设备原理方法,获发明专利授权,具有原创性;他们采用磁性纳米粒子标记的检测血液中CagA抗体的层析芯片,已成功研制,与上海赛安生物医药股份有限公司合作,进入注册阶段;由于此方法与传统胶体金法相比,具有更强的灵敏度,同时解决了定量问题,更适合临床患者家庭应用,及医院大批患者快速筛查应用。这对胃癌早期诊断具有现实意义。

  12. 崔大祥团队研制的手持式的层析芯片快速检测设备,具有无线通信功能,能够与医院数据库进行交换,可实现远程分析与打印,与现有的临床医院可以直接对接;已完成样机的研制与临床样本的初步测试,具有明显的创新性。

  13.他研制的针对BRCAA1基因的RNA纳米粒子,显示出主动靶向体内的胃癌组织,实现胃癌靶向成像与治疗一体化,使肿瘤缩小,由于全部由核苷酸组成,生物相容性好,具有临床药物开发前景,属于原创性工作,已申报国内与国际发明专利。

  14 崔大祥团队研制的透明质酸-ICG-偶联的PEG修饰的纳米活性碳,比目前市场上的卡纳琳纳米炭混悬注射液更好的显示胃癌手术边界以及转移淋巴结,已完成40例临床试验。此研究成果是对胃癌手术导航具有实际应用价值,是实质性的贡献。

  15 崔大祥团队发现手性GSH修饰的金纳米团簇,呈现出显著差异性的细胞毒性,对胃癌细胞更毒,对正常细胞低毒,首次证明与胃癌细胞的表观遗传相关,与GSTP1甲基化状态密切相关,这是首次把手性纳米材料与表观遗传改变联系在一起,是原创性的工作,具有重大科学价值。

  16.崔大祥团队对临床常用的胃癌相关标志物CA 19-9、CEA、CA125*、VEGF*、G-17**、CA 72-4、IPO-38和PGⅠ**八项指标进行了同步检测,研制了对应的检测器件;对这八项指标之间存在相互联系,建立多元回归模型。此方法灵敏度为84.8%,特异性为95.7%,准确度为90.223%。 此方法可以解决90%左右的胃癌患者的初步诊断问题。客观回答了临床筛查指标同步检测的实际意义。

  天下大事必做于细,古今事业必成于恒。崔大祥团队所从事的纳米重大科学研究还有很长的路要走,前面还有很多艰难险阻要去克服,未来还有许多重大创新性成果需要他用智慧去收获。目前纳米生物医药技术研究处在风口浪尖的最前沿,对于其将来发展,崔大祥教授表现出科研工作者特有的理性思考和冷静分析,他知道新的纳米领域,可借鉴的经验很少,将成果产业化更不可能一蹴而就,这会是一个持续努力的过程。面对责任重担,他毫不犹豫,发愤图强只争朝夕。“锲而不舍,金石可镂。”我们预祝崔大祥教授率领他的团队在不久的将来一定会取得震古烁今的辉煌成就!