项目名称： 基于纳米技术的肝癌早期诊断的研究 首席科学家： 张宁天津

项目名称：二、预期目标1. 总体目标采用纳米材料、微纳加工技术和生物医学研究的最新成果，研究肝癌特异性功能化纳米材料；探索用于肝癌血清检查的微流控芯片的构建和纳米传感新材料的应用；开发基于新型纳米材料的用于肝癌诊断的医学分子影像新技术；临床验证早诊芯片和纳米分子影像新技术，从而为提出和建立国际肝癌早诊新规范奠定基础。本项目将在纳米医学应用、肝癌早期诊断领域取得一批重要成果，培养一批具有国际影响的学术带头人，为大规模、实时、现场肝癌普查提供高性能的新器件，提高肝癌早诊的灵敏度和准确性，提高 国纳米生物医 技术的国际 ， 大癌 。2. 预期目标1 性 本项目的实 ，将在肝癌的影像学和体 诊断的 、材料、 和技术 取得 性的 ：实现肝癌诊断功能化纳米材料的 构 ，在构 技术取得 ，为研微流控芯片生物传感器提供和技术currency1； 将微纳器件和微纳加工技术应用于肝癌检“，建立型、fi体化的肝癌实时诊断fl ，诊断 POCT Point of Care Testing 时； 纳米微” 影的学特性，研究新型 纳米微” 影和基于纳米微” 影的 成像技术，探索在肝癌早期诊断的应用；肝 的SPIO ，探索在肝癌早期肝癌MRI诊断检“的应用；肝癌的影像学早诊和血清早诊，实现高灵敏度的实时诊断， 取定一 肝癌早期诊断的新标准， 大 ； 采用纳米检“新技术，在肝癌发生和微 的分子 研究 实现 。 2 研究成果得肝癌血清标 物具有敏感性和 性的新型功能纳米传感材料4-5 ； 成2-3fi基于微纳技术的肝癌早期诊断微纳器件，提高检“灵敏度， 血 分 时 ， 血 和用 ， 1-2fi器件 应用于临床； 得有 ，具有在应用，能用于肝癌早期诊断的 影3-5 ； 取得一批具有国际影响的 性成果，在国际重要学术物发 高 80 ， 45-50项， 件 1-2项；培养一批具有国际影响 的青 学术带头人和学术骨干，培养硕士研究生45名，博士研究生30名博士后10名。三、研究 案1. 学术：重点针肝癌的早期诊断这fi关键科学问题，、构建优化纳米材料，应用于一fi象 肝癌 早期诊断的两类 血清学筛查、影像学诊断 ，重点研究相关的四fi内容：新型功能性纳米材料构 、纳米传感微纳器件的研究、 纳米成像技术研究、纳米技术的生物医学应用，达到应用于肝癌早期诊断 的一系列 新 纳米传感微流芯片、 纳米、纳米功能成像、早期诊断新模式 ，实现项目的最终目标 肝癌的早期诊断 ，促 早期检“、活体内显像的发 ， 取实现肝癌早期诊断与筛查的一 新标准。 见图1 图1 项目总体学术2. 技术途径： 本项目将采用多学科相互交叉、渗透和有 结的模式， 建立新的肝癌早期诊断 ，改善诊断的灵敏度和准确率，实现实时诊断为目标， 成新的针肝癌早诊的功能性纳米材料，应用于肝癌影像学和体 早期诊断：、构建 功能性纳米材料为基础的高灵敏度的可控微纳器件，用于血清学早期诊断；在功能性纳米材料的基础，建立新的影像学成像 、新的生物信息提取和图像重建技术，用于影像学早期诊断。然后将得到的新的微纳器件和新的 影技术 行系统的医学验证，探索新的肝癌检诊规范化模式，定一 肝癌早诊应用流指南。详细技术途径见图2。图2 基于纳米技术的肝癌早期诊断的研究的技术途径具体研究 案：2.1肝癌早期诊断用新型功能性纳米材料的和构 基于纳米效应和生化反应特异性 ，、构 肝癌标 物具有高度选择性、敏感性和 性的新型功能性纳米传感和 影材料；肝癌血清学影像学早期诊断的要求，研究功能性纳米材料的 构 ，为课题二、三提供可靠的材料与技术currency1，具体研究 案如下：1 肝癌血清标 物/肝癌细胞 标 物的筛选与验证筛选、验证能够反映肝癌发病状况的标 物抗体。选取天津医科大学附属医院 诊的肝癌 血清500例 均未 受任何治疗 ， 正常健康 愿 ，肝炎 血清做照，分 验证血清标记物检“肝癌诊断的意义。用酶学 检“谷氨酰酶同工酶GGT-、AFU；电化学发光 检“AFP、CEA、CA19-9；用ELISA 检“IL-2、IL-10、IL-12、IFN-、IGF-、TNF-、IL-6、CCL15、IL-8；用流式细胞仪检“GPC3、HAb18G、Hep Par 1、抗 p230。最后 ROC曲线分 确定几 血清标记物检“提高肝癌的诊断敏感性和特异性，为后续功能性纳米材料实现肝癌早期诊断奠定基础。 、研究单一或多fi标 物含 与肝癌出准确率的关系，确定能够用于肝癌血清学影像学早期诊断的标 物检“ 案。2 功能纳米传感材料的、构 与性能研究纳米材料的与 征：采用溶胶-凝胶 、 组装 、化学和电化学 结晶生长 技术，纳米金、 子点和导电聚物纳米 (聚 、聚 )；采用化学 相 、模 、化学和电化学 列 纳米 、导电聚物纳米 、 化 、 化 纳米线；结 纳米材料的性能优 ， 行组， 纳米材料，如 纳米 与胶体金或 子点的 ； 纳米材料的 、结构特征 化性 行 征。 生物活性组分与纳米材料的 ：采用 附、 、 键、交 定、 LB 技术将能与肝癌标 物特异性结的单 抗体或受体 生物活性组分 于 纳米材料 ； 生物活性组分的纳米传感材料与物分子的相互用 、相关 学生物学性 ，开发肝癌早期标 物具有高度选择性和敏感性的新型功能纳米传感材料。选用的肝癌标 物 ： AFP 、谷氨酰酶同工酶 GGT- 、-L-currency1“酶(AFU)、癌抗 CEA 、“抗 19-9 (CA19-9)、细胞fifl2 IL-2 、细胞fifl10 IL-10 、细胞fifl12 IL-12 、干 fl- IFN- 、fl 生长子- IGF- 、 子(TNF-)、细胞fifl6 IL-6 、化子15 CCL15 、细胞fifl8 IL-8 功能纳米传感材料的性能研究：肝癌血清学早期诊断课题二微纳器件功能纳米传感材料的要求， 纳米材料 效应检“象的、” 反应 的影响，探有效提高微反应率的 ，实现功能纳米传感材料的 与构 。3 功能纳米 影材料的、构 与性能研究纳米 影材料的与 征：采用高 有 相 或 化纳米 子(SPIO)， 结构 化性行 征；选择纳米凝胶 为SPIO的体系，系统研究同纳米凝胶体系SPIO的结构、 径、分性、 性 率 性 的影响。一 径200nm的内含高分子性 体的 微 ”，研究相应的 ，同时为 提高纳米微”定性活时 ， 行 材料的 改性，成为定性高、活时 长、均一性的纳米微”。采用溶胶-凝胶 、 控成 子点； 结构 化性能 行分 ；系统研究同体系 子点的结构、 状 光学、 学 性 的影响。 生物活性组分与纳米 影材料的 ：采用 附、 键、交 定 技术将能与肝癌标 物特异性结的抗体或 基 生物活性组分 于 纳米 影材料 ； 体 细胞 验(细胞 取 和 检“) 生物活性组分的纳米 影材料肝癌细胞的 性体 成像效果，开发肝癌细胞具有高度 性的新型功能纳米 影材料。选用肝癌细胞 受体标 物 ： 肝fl多“3 GPC3 、HAb18G、肝细胞抗 Hep Par 1)、抗 p230。 功能纳米 影材料的性能研究：采用电子能 学、光学 学 检“ ， 和分 功能纳米 影材料在物体内的分 状况在肝癌 的” ，探索有效改 成像 、 最检出 提高检出率的 ，实现功能纳米 影材料肝癌准确、灵敏的早期诊断。2.2 肝癌血清学早期筛查的纳米传感微纳器件研究于研究基于微纳 子、微流控系统和PCR、电、 光标定于一体的微型分 系统的生化传感器，研究将这 传感器用于检“肝癌标 物 的关键科学和技术问题，构建式实时诊断fl ，为新型生化传感器在肝癌早诊的应用奠定 实基础。1 基于新型 子的微纳生化传感器的与构建新型微纳 子结构。器件性能要求，选择 用结构材料，新型微纳 子结构， 在子域敏感结构，或 列结构同 子的 附响应，分 附的 性常 和 的 化，提高“ 准确性。高灵敏度要求 子具有高 率和高 子，而基于 子的生化传感器将工 在大 ， 要选择 敏感的 子结构。肝癌多 标 物的同时检“ 要 列式、成化敏感结构。探索 用于式传感器的新型 式和高 。采用有 模 子的 电、压电、 械 多场分 情况，预“ 响应，确定几何 。 子和微流控结构的 。 子和微流控结构微纳加工技术应与IC工艺兼容， 要的实验手段：掩模 fl 、双 光刻、反应子刻蚀和湿 刻蚀、 化、SiO2和SiNx薄 的PECVD 与刻蚀、金属 与蒸发、LPCVD生长Poly-Si薄 和SiNx薄 ，子注 ， 键技术， 子 修饰实验装置和 可控的手 箱系统。 可靠的高精度微纳加工工艺研究，高 新型 子。 微纳生化传感器的 。针同肝癌标 物相应的抗体，用化学 子 行化学处 、改性和抗体的修饰。 将血清多 肝癌标 物 如AFP、CCL15、DCP、GPC3和TGF-?1 的抗体fl行修饰到 子 列，实现多 肝癌标 物 行检“， 假阴性和假阳性。研微流控芯片微喷墨打印装置，实现 子 列的高 修饰。用纳米 征技术修饰层 行 征，首先用红 、拉曼、紫 可见 收 敏感层 行初步 征，确认相关分子官能团之 行 的交反应。 一步用生物分 化学 ，敏感层具有生物活性的肝癌标 物 别分子 行定 分 。研究敏感材料的微观结构与 子 相互 用 、敏感材料 子的 / 效应，研究敏感材料在 子 定化 分子的分 规律重 性和定性，认 敏感材料在 子 的 附行为传感器灵敏度、定性和选择性的影响。 微纳 子和生化传感器的 征。 要的实验手段 ：“ 电研 的 硬件fl ，用于特性“ 的网络分 仪、信号发生器和激光多普勒“ 系统，用于能 损失 研究的高 和 高 系统。 电学和光学 子的 特性 行“ 和 检“ ，生化传感器的特异性 附响应 行“ 。掌握敏感单 的信号的相互干 fl和噪消除 高精度、 噪信号采 关键技术。研究具有同敏感层的生化传感器与血清肝癌标 物的相互 用 反应 学，研究传感器的灵敏度、选择性定性。血清同肝癌标 物的诊断，例如，AFP为20 ng/mL、CCL15为16 ng/mL ， 一步优化传感器的和加工，实现传感器同肝癌标 物的高灵敏度检“。微纳生化传感器的系统封装。基于 子的微纳生化传感器工 很敏感，选择 用于微纳生化传感器的 成本、高 封装 ，即圆片封装技术， 键和 封技术，仅要很护 子受 影响，而允许 子与待“物 用。 成传感器、微流控结构和“ 电的成， 光电互和系统成， 成式器件的 。 的封装材料 玻璃、 和金属 。 采用的 键技术 无铅焊料和聚物为 层的键技术，可在100 ?C左右的 ，实现键强度达15 MPa。2 微流控器件的与构建 确定的肝癌标 物 该标 物的检出 ， 和项目组内课题一课题四的密切 ，微流控芯片血 处 流，实现血浆和血细胞分、血浆肝癌标 物的检“、循细胞的捕 和 别 功能， 微流控芯片实验室为fl ，肝癌 行早期诊断。微流芯片 。芯片体结构采用PDMS-玻璃， 模塑 ，具体步骤如下：a) 模具 ， 片为基，模具的 绘版图 掩模光刻三fi要步骤。b) PDMS基片的 ，Sylgard 184 橡胶 性体和Sylgard 184 化 10 ：1的例混，搅拌均匀，在 干燥箱脱 ，倾倒在 模具 ，在 干燥箱 80 C烘烤1时，取出，冷却，剥。c) 键封装，微流控 口和出口，将PDMS基片和玻璃片切成芯片单 。 子体 键。芯片 毕。 血浆检验 分。基于微流控免疫反应 成多 标 物的检“。已初步选择 AFP、CCL15、DCP、GPC3和TGF-1 标 物，先在微流控芯片 行单一标 物检“，再 行标 物的组与筛选。微流控芯片的免疫反应区预先由抗体 被，在基 成抗体带，血浆 垂 ，在十字交叉点与抗体 触， 行抗 抗体反应，随后 带有标记物的抗体 行检“。 血细胞检验 分。由于红细胞他细胞体 得多，用微柱 列 滤 去除红细胞；从另一 用缓冲溶液冲刷被梳状 列挡的细胞，流 被 皮细胞 附分子 EpCam 抗体的微柱 列，CTCs将被微柱捕 ， 光 料捕 的细胞 行标记和 别。 构建基于微流控芯片的 和检“系统，构成一fi型化、式的诊断仪器。研究型 装置，将 血注 芯片内 ， 微流控芯片实验室为 检验fl ，血液流 芯片的 分区、免疫反应区、细胞捕 区，分别 行血浆和细胞与肝癌诊断有关的检验分 ，从而在一 微流控芯片、在一fi型仪器，成多指标的 诊断。3 PCR，电， 光标定一体的微型分 系统建立成式 续流PCR芯片的有 模型， 成流体 ，实现芯片的成薄 加器、 度传感器、微混器、微 、微 的；采用SU-8、PDMS工艺、紫 光照 、 子键，实现PCR芯片的 修饰，采用 的材料， 成微加器和传感器、掩模版的 ；用加模 、 技术实现高效 度控系统硬件系统， 成微分 系统的 模 、信号 大模 、多功能 信息处 模 ，采用Labview件系统实现系统的 度控。 将PCR芯片与电芯片成，实现PCR和电在同一 芯片同时 成， 电技术将PCR 的肝癌特征物 行分，于 一步 行 光标定和 征。 的肝癌相关基探针 列，采用DNA成仪肝癌相关 探针；用抗体筛选技术fl ，具有生物活性功能的肝癌相关抗体；采用 技术抗体Fab片段；相应抗体Fab片段，最终筛选出 的探针。 用高 溶 体分 成 性纳米 子，采用 成 子点，用 子 技术，可控 性纳米 子与 子点组装在一，然后在 二 化 ，实验出同 径的 光 性纳米子，研究 度、溶、反应 件 最终 物的影响， 物 行 征。2.3 肝癌影像学早期诊断 纳米的生物特性成像技术1 基于US诊断的肝癌 纳米的研肝癌 纳米的与 征：采用 化 、高 切分 、 化 径200-600 nm、内含高分子性 体的纳米 ”， 材料 行 改性， 与 分子高效 ， 得定、均一的肝癌 纳米； TEM、DLS、XRD、AFM 和结构 行 征； 肝癌 纳米与细胞相互 用的研究：将同 度的 纳米与血 内皮细胞、正常肝细胞和肝细胞分别 用同时 ，采用 光标记技术研究纳米的肝细胞 性；采用MTT、流式细胞 检“细胞 性； 体物肝流实验， 取物体肝组在正常与病 状 下的组切片，观在同 件下， 纳米同细胞的损 式和聚附 用的效果，结体实时图像探索 纳米导 血 内皮细胞、肝细胞和肝细胞的 性损 式； 肝癌 纳米的学特性研究： 实验物体和在体肝为研究象，注 纳米，采用同类型的 探头， 体和在体肝发 同特性 组的 ， 收 信号，分别在时域和 域RF currency1信号 行 分 ，研究 纳米具有特异性和敏感性的US成像模式； 肝癌 纳米图像重建 研究： 一步确定的 特性 为研究象，分 肝癌纳米 生特异性和敏感性的物 和生物 ，分 RF 信号基 和 分，分别提取 用于图像重建的特征信息，重建早期肝癌具有敏感性的 基 和/或二 图像；肝癌 纳米图像特征提取与 “：于 图像，首先 列图像 行 准，消除组干 ，然后建立时 强度曲线 TIC ，提取期、fi期曲线，最后成 化功能 图像；于 图像，首先分fl 纳米 强的组 ，然后提取反映肝病 组 、分度、 信息的图像特征，最后特征，病 类型 行别。2 基于MRI诊断的肝癌 纳米的研肝癌 MRI纳米的与 征：采用高 有 相 、 具有 性的 化纳米 ，选用PAMAM状大分子 同材料 ，用 活性基团与 分子 ， 得具有 性的新型肝癌 纳米；选择PEG修饰的同 PAMAM状大分子 为材料， 二 四 子，与 分子结后， 得 性新型肝癌 MRI纳米； DLS、TEM、FTIR、VSM、XRD、 子 收 纳米的 和结构 行 征； 肝癌 MRI纳米的体 成像效果 ：培养正常肝细胞和肝细胞， 正常肝细胞和肝细胞 的影响，研究细胞 性；采用Scatchard和流式细胞 分 肝癌 MRI纳米 行与肝细胞 和 “定分 ， MRI“定信号强度的 化断与肝细胞的结度；检“的体 化特性； 肝癌 MRI纳米的体内成像效果 ：常规MRIfl T1WI+T2WI 物后， 注 ，行T2WI，确定 注 的”有效 ，同 肝癌的检出率目、 径 ； 强研究 在T1和T2成像的信号强度与血流注的关系，确定肝细胞癌检查口时 时 、currency1续时 、 时 ；研究两类成像有无同性，先后注 的 和 时 T1T2成像的影响，确定最 案 先后注 的 和 时 ；探索在肝癌组聚后 生的新的 学特性， 学特性研究新的成像 ， 成像的重建 。 3 肝癌 纳米的体内 研究注 ，将肝癌 纳米注 模型物体内，采同时 点的血 、液、物 ，液相 “定 的 度，研究在体内的 收、分 、清除行为， 得肝癌 纳米在体内的 物 学曲线相关 ；“定物 、肝、 、fi要器官的 度， 在体内的分 规律。4 肝癌 纳米的”性 性 性 验： 注 的 式，将一或24h内多 受 物，观物 情况， 指导 规定的一 观与指征要求 行 分或 的观。 长期 性 验：选择的物 行分组和 ，然后 行观。观项目 一 检查、实验室检查和病学检查。一 检查 行为活、 观体征、 与 、体重、 情况、 情况、 反应。实验室检查 血液学、血液生化学、 液分 和 检查。病 学检查 病 检和病 组学检查。 传 性 验： 基 验、 体 验和 物微 验。 生 性 验：检查受 物 行一 生 性、 验和 期 性 验。 性 验： 单 反 的 性 验、 激性 验，溶血性 验 。 免疫 性 验：要 皮 敏 验和 敏 验。2.4 纳米技术用于肝癌早期诊断的医学验证1 血清学检“标 物微纳器件的医学验证血清标 物的微流控芯片的医学验证：应用构建 成的 多 血清标 物细胞子的微流控芯片检“课题一筛选验证肝癌血清学标 物实验同一组 的血液 取血 时预 一 标本 ，将芯片检“的标 物的 与课题一用常规化验 检“的 做照分 ， 证实微流控芯片有优于目常规 的灵敏度和准确性。结 分 件，可实现用很 的血 可能 要一血 可 微流控芯片检“出多 标 物、细胞子的 达fl， 几项指标 预 早期筛查肝癌， 实现实时、高灵敏度、高特异性、高 的检“目标。 肝癌细胞 标 物的微纳器件检“循细胞的医学验证：将微 肝癌HepG2细胞与 血单fi 细胞 液混匀， 标记有肝癌细胞 标 物特异性抗体的纳米微流器件分，检“纳米微流器件的敏感性和特异性，癌细胞的收率；采肝癌 50例、肝炎和肝硬化 20例、性肝癌 20例血 ，20fi健康 愿 的血 为阴性照。用Ficoll密度 度 与纳米微流器件首先 的 血 行癌细胞的”，然后用FITC-CK标记”癌细胞，免疫细胞 光技术循细胞行 学分， 一步验证纳米微流器件的敏感性和特异性；”分出 的循细胞 行培养， “定生长曲线和细胞 时 ， 立性 验 能 ，电 观细胞 微结构， 成观 研究细胞生物学特性。2 新型 影材料技术的医学验证.纳米 影材料的体 验证肝细胞癌纳米材料的抗体特性体 验证a. 肝癌细胞或人体 发性肝细胞肝癌组 本匀浆分别与肝癌细胞 抗 GPC3、HAb18G、HepPar1、p230 的抗体结，用免疫组化 证实肝癌细胞或人体 发性肝细胞肝癌含有 抗 。b. 分别与 肝癌细胞 抗 结，用免疫组化 证实 含有 抗的抗体，具有生物活性。c. 肝癌细胞或人体 发性肝细胞肝癌组 本匀浆分别与 同 ， 行体 成像，再用免疫组化 证实 能与肝癌细胞特异性结。 肝细胞癌纳米材料的细胞 性 将肝细胞癌纳米材料与正常肝细胞和肝细胞 同培养， 正常肝细胞和肝细胞 的影响，研究细胞 性。 肝细胞癌纳米材料的体 分子生物活性检“用同 度的导 分子、 导 分子的纳米材料 肝细胞癌 抗 +SPIO或Gd 与肝细胞 行 同 ， 子 收 AAS “定细胞纳米材料的 取。 肝细胞癌纳米材料与肝细胞 和 “定： a. 用Scatchard和流式细胞 分 导 肝细胞癌纳米材料肝细胞 行 和 “定和分 ， 与同照细胞 反应 异的 定。b. 用MRI成像“定信号强度的 化断肝细胞与肝细胞癌纳米材料的结度， 同 件 照细胞、 度 反应 异的 估。. 纳米 影材料的体内验证肝细胞癌模型的建立在1雄性ACI大背 皮下注 Morris Hepatoma 3924A肝癌细胞。13d后从生长的切取1mm3 到另 的雄性ACI大左肝 下。 肝癌 性纳米 影材料的体内分 检“ 学实验 a. 肝癌 性纳米 影材料的体内”性 ：肝细胞癌纳米材料 行 性 性、长期 性、神 性和免疫源性研究。b. 肝癌 性纳米 影材料在体内的分 ：将肝癌 性纳米 影材料 尾 注 正常大和模型，收同时 点的血液、 液同器官如、肝 组匀浆后用 子 收“定肝细胞癌纳米材料的含， 体内组分 情况。 体 细胞实验和物体内实验，研究该 纳米体系的MRI成像性能，与 体系、现有常用、未修饰纳米体系 行。 体内研究，研究该体系在体内的 收、分 、清除的行为。 肝细胞癌纳米材料的抗体特性再验证a. 在同时 点处 大，取肝癌组，细胞匀浆分别与肝癌细胞 抗 GPC3、HAb18G、HepPar1、p230 的抗体结，用免疫组化 证实肝癌组含有 抗 。b. 将肝癌 性纳米 影材料 尾 注 模型和正常大 照 ，取肝组，免疫组化 检查验证肝细胞癌纳米材料与肝癌组特异性结。c. 将肝癌 性纳米 影材料 尾 注 模型和正常大 照 ，取肝组普鲁士兰 ：普鲁士蓝 阳性细胞百分验证肝癌组与SPIO标记的肝细胞癌纳米材料特异性结。 肝癌 性纳米 影材料体内MRI成像 a. 肝癌 性纳米 影材料MRI成像的” 和有效 ：大，常规MRIflT1WI+T2WI 后， 尾 注 肝细胞癌纳米材料 肝细胞癌 抗体+SPIO或Gd ，行T2WI或T1WI，确定导 肝细胞癌纳米材料 注 的”和有效 。b. 肝癌 性纳米材料早期诊断效果 ：分别应用新型肝癌 性纳米 影材料和现有同生长时 段的大 行MRI检查，于检查后立即处 ，取肝组成 续病 切片， 下观肝癌病灶大、 目 ， 为标准，衡 MRI同的最早检出时 、检出的最 径、检出率 指标。两 成像，发现优越的 成像。c. 研究状大分子的 与SPIO在肝癌组聚后 生的新的 学特性， 学特性研究新的成像 ，该成像 探索 成像的重建 。 “的 ，提取 在重建后的 学特异性 ，成出能反映肝癌早期特异性的 化功能 图像。 开发注 后肝匹 、 异消除、提取 信号，建立诊断肝癌的 模。3 肝癌早期诊断应用流指南的定用 们的微流控芯片，检“肝癌血清标 物和细胞子，提高肝癌早期诊断的灵敏度和特异性；应用纳米技术研究新型的，提高影像学检查的检出率。用本研究筛选出的可用于肝癌早期诊断功能性纳米材料 们提出 新的 发性肝癌规范化诊断流： 于AFP400g/L的 ，高度怀疑肝癌，仍 有诊断流，行 、CT、MRI 影像学检查，必要时结B 导下的肝穿 活检， 明确诊断。如癌灶 于12cm的 ，目 常规影像学检查无 检出肝癌 ，可采用本研究纳米材料构建的新的， 发现目 常规影像学 无 诊断的肝癌，新型具有肝癌的 性，可 基本定性诊断。于200 g/LAFP400 g/L的 ，应用本研究的微纳器件可 高 、实时检“血液多 标 物细胞子。如果有几 指标 预， 影像学诊断流 先行常规的 、CT、MRI 检查，阴性结果的行纳米材料构建的新的检查 。若微纳器件血液检查指标基本正常，而常规B 检查未发现肝占 ， 建议病人定期 查。于AFP400g/L的 ，高度怀疑肝癌，仍 有诊断流，行 、CT、MRI 影像学检查，必要时结B 导下的肝穿 活检， 明确诊断。如癌灶 于12cm的 ，目 常规影像学检查无 检出肝癌 ，可采用本研究纳米材料构建的新的， 发现目 常规影像学 无 诊断的肝癌，新型具有肝癌的 性，可 基本定性诊断。于200 g/LAFP400 g/L的 ，应用本研究的微纳器件可 高 、实时检“血液多 标物细胞子。如果有几 指标 预， 影像学诊断流 先行常规的 、CT、MRI 检查，阴性结果的行纳米材料构建的新的检查 。若微纳器件血液检查指标基本正常，而常规B 检查未发现肝占 ， 建议病人定期 查。于AFP200 g/L，但属于肝癌的高危人群的 老 男性HBV 高 、HCV感 、HBV和HCV重叠感 、嗜酒 、“ 病 有肝癌家族史 ，仍 一步应用本研究的微纳器件检“血液多 标 物细胞子。若无明显异常 ，可定期 查，而有几项升高 预的，应 行影像学检查，而为 类病人的癌灶一 很，常规影像学检查检出率非常 ，应该 采用本研究纳米材料构建的新的 行检查。4 基于纳米技术的肝癌发生和微 和病 分子分型的研究微流控系统捕 循系统的癌细胞。研究细胞的基 达 ，细胞的能 ，细胞的极化性，细胞的PI3K/PDK/Akt信号传导 ，从而研究癌细胞 。 基于纳米 影技术的肝癌微 的研究。研究发生 的微 演 ，细胞子 达 ，细胞的浸 规律，血 生的模式。 基于纳米技术的肝癌病 分子分型的研究。微流控系统 检“的肝癌 达同的血清标 物和细胞 标 物，结常规组切片病 诊断 ，区分出相同组病 分型具有同生物特性分子分型， 的选择治疗 案和断预后。3. 新点：本项目在学术、材料、技术途径 多fi 均具有明显的 新性：1 提出新：本项目抓住肝癌早期诊断这fi肝癌 至关重要的关键问题，提出从影像学检“和体 检“两fi 手，构建用于肝癌早期诊断的新型纳米材料和纳米器件， 行系统的医学验证，最终定一 肝癌早诊的规范化流指南。项目研究结构 ，研究内容 善，研究结果应用性强。2 构建新材料：针肝癌早期诊断的 求，已有的肝癌 血清标 物 行筛选和 ，然后将标 物与纳米材料相结，构建成用于肝癌早诊的新型功能性纳米材料。3 提出新标 物：本项目在采用传统肝癌标记物的基础，提出 将一 细胞子 为肝癌早诊的标 物，在国际具有先 性。特别是细胞子CCL15， 们的 期研究发现CCL15在肝癌 和正常人血清达 异明显， 们“CCL15可能与 肝癌的发生、发 ，有望成为肝癌早期诊断的新标记物，这在国际是CCL15在肝癌早诊的首应用。4 发 新技术：在技术途径， 们整 传统标记物和细胞子 行检“，与纳米微流器件相结 成微流芯片，能够提高肝癌血清学检“的检出率和阳性率；将细胞 标记物与新型纳米 影材料相结，发 新的影像学成像 和新的生物信息提取、图像重建技术，能够大幅提高肝癌影像学检“的灵敏度。5 促 生物医学研究: 许多生物医学的重大发 是基于技术 的 。如PCR和siRNA 技术均得诺贝 医学奖。 们研究的纳米技术也将为研究提供新的手段和。4. 可行性分 ：1 目标明确、内容具体：将传统肝癌标 物和细胞子应用， 纳米材料构建成新的功能性纳米材料，应用于体 检“和影像学检“两fi ，构建纳米微流器件、发 新影像学 影技术， 行系统的生物医学验证，最终 验提高肝癌早诊灵敏度和准确率这一目标。项目的要内容是在 期研究的基础，结学科的最新发 和国家 求， 研究队伍的 期工 行提炼、升华，研究内容具体，研究目标明确，仅凝聚 项目组成员 期的研究 累，也体现 项目组成员的 性科研维。 2 基础扎实、硬件强大：项目组成员在纳米材料的与成、纳米器件的与构建，纳米 影材料的应用 标记物的研究 累 丰”的 验，在国内 一流的学术期发 多与本项目相关的科研 ，有多fi新型 影和 纳米器件的研究开发 验，取得 一批重要的 期成果，在国内 生 一定的影响。这 期研究成果为本项目的实 奠定 良的工 基础。项目承担单 有多fi相关国家重点实验室或省 实验室的一流硬件 与fl ， 用于纳米材料成、纳米器件构建、纳米 影材料研究、标 物验证的 类先 仪器，承担单 附属医院有用于生物医学验证的丰”临床标本，为本项目的 成提供 强有 的障。 3 优 团队、顶尖人才：本项目 一批在纳米科学、材料学、学、分子生物学 领域的高fl人才，具有高的学术fl和断 新的科研精神。项目组成员 均 国重要的相关研究 构和国家或省 重点实验室，在 的研究领域做 大 工 ，取得 杰出的成绩，得到 国际同行的认可。课题组依托国最大的医院，医院具丰”的临床资源和临床研究 验，为研究的应用化提供 障。课题组在一 期的 累 丰”的 验，已 成 一优 互补的有 整体，该研究团队已成为 国纳米生物医学 新研究的优 研究群体，为本项目的实 和 成提供 强大的人 资源。5. 课题置项目的总体目标、 决的关键科学问题， 基于纳米技术的肝癌早期诊断研究为 ，精 选择 点，置如下四fi课题：课题一 肝癌早期诊断用新型功能性纳米材料的和构 课题二 肝癌血清学早期筛查的微纳传感器件研究课题三 肝癌影像学早期诊断 纳米的生物特性成像技术课题四 纳米技术用于肝癌早期诊断的医学验证基于纳米技术的肝癌发生和微的 研究课题具体情况：课题一：肝癌早期诊断用新型功能性纳米材料的和构 研究目标：得有 ，具有在应用，肝癌血清/细胞 标 物具有高度选择性、敏感性和 性的新型功能纳米传感和 影材料8 10 ； 课题 2、3 功能纳米材料的要求，实现功能纳米材料的 与构 ， 得具有 的构技术，为肝癌血清学影像学的早期诊断提供和技术currency1；取得一批 性科研成果，发 高 15-20 ， 8 12项； 培养硕士研究生5-7名，博士研究生4-6名博士后1-2名。研究内容：1 筛选、验证与肝癌发病密切相关的血清标 物/细胞 标 物， 一 或 标 物组与肝癌检出率之 的相互关系。2 功能纳米传感材料的、构 与性能研究。3 功能纳米 影材料的、构 与性能研究。承担单 ：国科学院高能物 研究 课题责人：魏钟晴学术骨干：邢妹、徐殿斗、袁慧费例：21%课题二：肝癌血清学早期筛查的纳米传感微纳器件研究研究目标：将微纳器件和微纳加工技术应用于肝癌检“，建立型、fi体化的肝癌实时诊断fl ，诊断POCT Point of Care Testing 时。成2-3fi基于微纳技术的肝癌早期诊断器件，提高检“灵敏度和特异性响应， 血 分 时 ， 1-2fi器件 应用于临床。取得一批 性成果，发 高 20 ， 15项 ；培养硕士研究生10名、博士研究生8名和博士后2名。研究内容：基于新型 子的微纳生化传感器的与构建。微流控器件的与构建。PCR，电， 光标定一体的微型分 系统。承担单 ：国科学院 导体研究 、海交 大学课题责人：杨晋玲 学术骨干：张明亮、毛旭、李雷、陈 、高峰费例：30%课题三：肝癌影像学早期诊断 纳米的生物特性成像技术研究目标：得有 、有望实现肝癌早期诊断的纳米3-5 ；研发基于 纳米的 成像技术，探索在肝癌早期影像诊断的应用；发 高 20 ， 发明10-15项， 件 1-2项；培养硕士研究生20名，博士研究生10名，博士后4名。研究内容：基于US诊断的肝癌 纳米的研基于MRI诊断的肝癌 纳米的研肝癌 纳米的体内 研究肝癌 纳米的”性 承担单 ：华科技大学课题责人： 琦冰学术骨干：丁明跃、徐海 、明星、璐费例：22%课题四：纳米技术用于肝癌早期诊断的医学验证基于纳米技术的肝癌发生和微的 研究研究目标：1 验证肝癌血清标 物肝癌早期诊断的特异性和敏感性，明确多 标 物检“在肝癌早期诊断的应用。验证功能性纳米材料多 标 物肝癌早期诊断的特异性和敏感性。2 成 影技术的医学验证。3 探索肝癌检诊规范化模式，定肝癌早诊纳米器件 影技术应用流指南。 4 取得一批 性成果，发 高 20 ， 10项 5 培养博士后2名，硕士研究生10名，博士研究生8名。研究内容：血清学检“标 物微纳器件的医学验证新型 影材料技术的医学验证肝癌早期诊断应用流指南的定基于纳米技术的肝癌发生和微 病 分子分型的研究承担单 ：天津医科大学课题责人：张宁学术骨干：郝希山、孙、宋天强、王银松费例：27%6. 课题 的相互关系#图3 课题 的关系课题一 本课题将研用于肝癌早期诊断的新型纳米材料。 课题构 功能性纳米传感器与纳米 ，为课题二的肝癌血清学早期筛查与课题三的影像学早期诊断提供材料。余课题的反馈信息，改善研的纳米功能材料。同时，本课题 选用的标 物，将 为课题四生物医学验证的要内容，为提供 依。本课题将实现肝癌诊断功能化纳米材料的 构 ，在构 技术取得 ，为研微流控芯片生物传感器影像学纳米提供和技术currency1。课题二 本课题的研究肝癌血清学早期筛查的微纳器件与纳米传感器整技术。和构建微纳器件，与课题一研的新型功能纳米传感器 行整，为课题四的医学验证提供血清学筛查手段。同时，微纳器件的构建为课题一的功能化传感材料提出要求。本课题将微纳器件和微纳加工技术应用于肝癌检“，建立型、fi体化的肝癌实时诊断fl ，诊断 POCT Point of Care Testing 时。课题三 肝癌影像学早期诊断的 纳米生物特性研究。本课题采用课题一研的 纳米，行体内 生物学特性相关成像技术研究，将信息反馈 课题一，为用于影像学诊断的功能性纳米材料 一步优化提供依。为课题四的医学验证提供影像学诊断技术和 。本课题纳米微” 影的学特性，研究新型 纳米微” 影和基于纳米微” 影的 成像技术，探索在肝癌早期诊断的应用；肝 的SPIO ，探索在肝癌早期肝癌MRI诊断检“的应用。课题四 本课题课题二与课题三的早期诊断技术 行医学验证，验证结果探索检“和诊断的规范化模式，将结果反馈 它课题，为功能化纳米材料、微纳器件成像技术的优化提供依。在 基础为生物医学研究提供新的手段。本课题将肝癌的影像学早诊和血清早诊，实现高灵敏度的实时诊断， 取定一 肝癌早期诊断的新标准， 大 ；采用纳米检“新技术，在肝癌发生和微 的分子 研究 实现 。 ，本项目紧扣肝癌早期诊断的重大科学问题与挑战，绕基于纳米技术的肝癌早期诊断这fi 内容，四fi紧密相关的课题， 成一fi 整的研究体系。 纳米材料 新，检“技术 新和诊断模式 新，为实现肝癌的早期诊断奠定基础。四、 度划度一2 新型微纳器件的和加工。要 ：研究用于式生化传感器的新型 式 激励 检“ ；模 子材料、构型、 子 性能的影响；确定 子构型和几何 ； 子的微纳加工工艺， 微纳 子， 特性 行 征；研究微 道血浆和血细胞的分；基于微流控芯片的血液检验fl 的与构建；PCR、电、 光标定于一体的微分 系统的结构 。3 应用初步加工 成的 多 血清标 物细胞子的微流控芯片，在肝癌 和正常 愿 血清验证该微流控芯片肝癌早期诊断的灵敏度和准确性；应用初步加工 成的 多 肝癌细胞 标 物的微纳器件，检“和”肝癌 循细胞，”出的循细胞 行 学分 ，研究细胞生物学特性。4用于 MRI的纳米材料，与肝癌 性生物分子 ，结构和 行 征。确定用于式生化传感器的 激励 检“ 子构型， 列式的 子结构，出新型微纳 子，成性能“ 。 用于分血浆和血细胞的微流体器件；组建基于微流控芯片的血液检验系统。 成 续流聚物PCR微分 系统的 分 、相关模型建立、 、流体 。初步验证能用于肝癌早期诊断的 多 血清标 物细胞子的微流控芯片；初步验证检“和”肝癌 循细胞的微流控芯片，微流控芯片的优化构建提出具体化要求。得5 、定、均一的肝癌 US纳米；10 、定、均一的肝癌 MRI纳米。二研究微纳器件的 修饰同标 物的响应。要研究内容 ：研究 子 、 分子、肝癌标 物之 的化学反应 ；研 化学修饰装置和用于血 分的微流控芯片； 微纳生化传感器，研究器件同标 物的响应。用纳米材料和技术，研究微流体 道 处 ， 之 用于血液 本肝癌标 物的检“；用微流控芯片捕 循细胞，研究 道结构和 、流 件捕 效果的影响，研究 道 处 ；微加工工艺的开发 。建立纳米与细胞相互 用的体 模型， 纳米的 性聚附 用；建立纳米体 成像模型，研究同 度、同修饰、同 分子 fl成像效果的影响。建立体内肝细胞癌模型， 行肝细胞癌纳米材料的体内分 检“，肝细胞癌纳米材料的抗体特性再验证和肝细胞癌纳米材料体内成像 。掌握 子 修饰反应 ，选择 的 分子， 成 修饰反应；组建化学修饰装置，能高 子 列 行 修饰； 成微纳生化传感器的 和功能“ 。初步掌握 于肝癌标 物检“的微道 处 ； 出用于捕 循细胞的微流体器件。开发出一 可实现PCR、电、 光标定于一体的微分 系统的高效、 成本、 于成的微加工工艺。研究得到纳米体 成像的 项 ；初步筛选出10 ”有效的肝癌 纳米。体内物模型验证5 纳米用于肝癌早期诊断的特异性和敏感性。三2 一步 善微纳 子和微流控芯片的微纳加工工艺，芯片 行键封装，开发“ 模 。要 ：一步优化微纳 子和微流控芯片的结构和微纳加工工艺 功能化 ；研究芯片的封装 封装器件性能影响；研究高 大检“信号的 ；研究用微流控芯片 行肝癌标 物检“的 ；成PCR芯片的控系统研究 。3建立纳米体内与分 的物模型, 研究在体内的 收、分 、清除的行为，探索肝癌 纳米的体内分 规律。4微流控系统捕 循系统的癌细胞。研究细胞的基 达 ，细胞的能 ，细胞的极化性，细胞的PI3K/PDK/Akt信号传导 ，从而研究癌细胞 ； 基于纳米 影技术的肝癌微 的研究。研究发生 的微 演 ，细胞子 达 ，细胞的浸 规律，血 生的模式。2. 优化的微纳 子，掌握定 可控的 功能化 ，提高微纳生化传感器的成 率；开发出 用于微纳 子和器件“ 的电模 ；实现器件芯片的 键封装，明确封装器件性能影响。掌握用微流控芯片 行肝癌标 物检“的技术；初步掌握循细胞的 别 。 仪器 续流PCR芯片 度控系统。3. 明肝癌 纳米 学 ， 在病灶与正常组 分 、清除行为的同； 纳米 现出的新的影像学特性。4 明循细胞的特性极相关分子 ；探纳米 影技术能 为肝癌微 的研究提供新的技术手段。四2. 纳米 现出的特性，研究新的成像 ，探索新的图像重建与 “ ； 物非临床研究 规范 GLP ，肝癌 纳米 行 性 性、长期 性、 传 性、生 性、 性和免疫 性研究。3. 基于纳米技术的肝癌病 分子分型的研究。微流控系统 检“的肝癌 达同的血清标 物和细胞 标 物，结常规组切片病 诊断 ，区分出相同组病 分型具有同生物特性分子分型，的选择治疗 案和断预后。用本研究筛选出的可用于肝癌早期诊断功能性纳米材料，提出新的 发性肝癌规范化诊断流。 研究纳米新的成像 ，构建出新的图像重建与 “ ；筛选出5 有效的肝癌 纳米； 成肝癌 纳米的临床 ”性研究，建立” 用指导。明 选择的肝癌血清标 物和细胞标 物肝癌fi体化治疗和断预后的意义；基于血清检“和分子 影技术的临床研究新 ，结临床治疗实 最新 ，提出关于新的 发性肝癌规范化早期诊断流建议。2. 研发 纳米成像 的图像 处 件。3. 善生化传感器的 性能，重点在于 成微纳传感器的封装与系统成，要 ：改 微流控芯片与 式传感“ 芯片的光、电、流体互，实现系统成与封装。成微流控器件和光学“ 系统，构成一fi型化、式的诊断仪器。针肝癌预 与早期诊断， 行成式 续流聚物PCR芯片实验。 道结构、 修饰、 区分 、微加工技术的 一步优化；PCR、电、 光标定技术， 成肝癌预 用微分 系统的临床“ 。4. 善 课题研究，整 ， 结题 ；提出 一步 研究 和内容。成图像 处 件的研发。成1fi式微纳生化传感器 ，用于血清多 肝癌标 物的检“； 掌握用微流控芯片 行肝癌早期检“的技术；实现1fi 微流控芯片实验室为 的肝癌早期诊断器件；得到1fi成式 续流聚物PCR芯片，为肝癌早期诊断提供 成本的高效微分 系统检“芯片。 提交 ， 成结题工 。一、研究内容1、 决的关键科学问题本项目绕纳米技术用于肝癌早期诊断的研究这一 目标， 决 下四fi关键科学问题：1 新型功能性纳米材料的与构 ， 决肝癌早期诊断的敏感性和特异性问题；2 微纳米传感器件的与构建， 决肝癌血清学早期筛查的假阴性、假阳性率、现场性 问题；3 纳米和成像技术研究， 决肝癌影像学早期诊断的定性和定 的准确率问题；4 整纳米诊断技术，建立肝癌早期诊断新模式， 决现有血清学筛查与影像学诊断结果的一 性问题。在 基础， 开 基于纳米新技术的肝癌发生和微的 研究，为新的诊治研发提供 依。 2、要研究内容本项目紧紧绕肝癌早期诊断这一 ，从血清学筛查和影像学诊断两fi大 开 工 ：首先、构建血清学和影像学诊断 的新型功能性纳米材料；在新型材料的基础研究开发用于肝癌血清学早期筛查的纳米传感微纳器件，研究肝癌影像学早期诊断 纳米的生物特性成像技术；最后微纳器件和纳米 行医学验证， 为基础 行肝癌发生和微 病 分子分型的研究。要研究内容分为下四fi ：2.1 肝癌早期诊断用新型功能性纳米材料的和构 1 验证与肝癌发病密切相关的肝癌血清标 物/肝癌细胞 标 物。和验证肝癌血清标 物的组。血清标 物的特异性 别是 抗体实现。 们将筛选和验证针 一fi血清标 物的最 抗体， 验证最 的血清标 物组。首先验证两 组：a) 肝癌传统血清标物的组检“准确性和灵敏度；b) 细胞子组检“的准确性和灵敏度。在 基础验证细胞子与传统标 物的组。 和验证肝癌细胞 标 物的 性。筛选和验证针 一fi癌细胞 标 物的最 抗体。研究单一 标 物和组 用的 性。 和验证 们发现的三 肝癌标 物。研发针新标 物的抗体 行细胞和血清fl的验证。 验证后的抗体将用于肝癌功能性纳米材料的构建。2 功能纳米传感材料的、构 与性能研究 、成筛选出可用于肝癌血清学早期诊断的 纳米材料，要 纳米 、纳米 /线 它们之 的 ， 、结构特征 化性 行 征。 研究能与肝癌血清标 物特异性结的抗体 纳米材料的 ， 与物分子 的相互 用 、相关 学生物学性 ，筛选肝癌标 物具有高度选择性和敏感性的新型功能纳米传感材料。 肝癌血清学早期诊断课题二微纳器件功能纳米传感材料的要求，探纳米材料 效应检“象的、” 反应 的影响，有效提高微反应率的 ，实现功能纳米传感材料的 与构 。 3 功能纳米 影材料的、构 与性能研究 、成筛选出可用于肝癌影像学早期诊断的 纳米 影材料，要 金属纳米 纳米 、 子点 纳米” ， 、结构特征 化性 行 征。 研究能与肝癌细胞 受体特异性结的抗体 纳米 影材料的 ， 体 细胞 验 细胞取 和 检“ 功能纳米 影材料肝癌细胞的 性体 成像效果。 用电子能 学、 学光学 检“ ， 和分 功能纳米 影材料在物体内的组分 状况在肝癌 的” ，达到改 成像 、 最检出 、提高检出率的目的。 2.2 肝癌血清学早期筛查的纳米传感微纳器件研究 针微纳生化传感器的基础科学问题与 性关键技术， 肝癌早期诊断的应用 求为背 ，选择已 和新发现的肝癌标 物为检“象，针标 物的传统检“ 在的敏感性与特异性 的问题，研究在高灵敏检“具有技术优 和发 的基于微纳 、基于微流控系统和PCR、电、 光标定一体的生化传感器，探索高选择性、高灵敏度、高定性的敏感 ， 得微型化、 成本的 检“技术。1 基于新型微纳 子的生化传感器的 新型微纳 子与 研究用于型化式传感器的微纳 子的 检“ ，在 子 敏感区，分 修饰和 附的 性模 化 率的影响。器件工 ，具有高 子的 率大于1 MHz的新型 子，实现微纳 子 列式结构，提高检“灵敏度。可靠的微纳加工工艺， 用于血清多 肝癌标 物高 fl行检“的新型微纳 子 列结构。微纳 子的功能化研究在 子 区域 行 修饰的 。研究敏感 定的微 度效应 敏感单 的电学、化学反应信号的相互干 fl和消除噪的 。研究敏感材料与 子 反应 ，探索在 列式 子 同时修饰同 功能敏感 的 。研究生化传感器的敏感材料与标 物分子相互 用的反应 学，待“生物或化学 为可 检“的物 的能 ，提高修饰效率。微纳传感器的检“器的 特性“ 检“生化传感器的响应。建立型的一体化的诊断fl ，实现实时诊断。研究针肝癌同标 物的敏感材料与器件 之 相互 用，用生化反应的高度特异性 大幅度提高敏感单选择性；研究敏感材料的微观结构在体 的 附行为传感器灵敏度、选择性和定性的影响。研究从 微 电流信号采有用信号、分干 信号、高 信号 大和处 技术。微纳传感器的封装与系统成采用系统封装的 ，实现生化传感器、微流控电模 的 成本、可靠的系统成和封装。研究 用于微纳生化传感器的 键 。研究封装微纳传感器性能、定性 电特性的影响。研究在同一基片同传感器芯片的光电成、电互 、流体互 ，实现有于传感器模 的微流体系统的模式封装。2 微流控器件 微流控芯片实验室 为检验fl ， 微米 度下流体的控，从 血分血浆与血细胞，分别 行血浆和细胞与肝癌诊断有关的检验分 ， 成多指标的 诊断，具体 ：流