壳聚糖纳米包裹miR-155分子信标实时成像肺癌细胞的实验研究

论文摘要

背景与目的肺癌是最常见的恶性肿瘤,其总的5年生存率不足15%,严重威胁人类健康。有效的早期诊断方法是提高肺癌患者生存率的关键,基于肿瘤干细胞（cancer stem cell,CSC）理论的新策略有望为肺癌早诊带来突破。CD133是经典的CSCs标记物,成功用于包括脑胶质瘤、结肠癌、肾癌、肝癌以及胰腺癌的CSCs的鉴定与分离。最近,Eramo A等证实CD133是肺癌干细胞（lung cancer stem cells,LCSCs）新的标记物,为研究以LCSCs为靶标的肺癌早期诊断策略提供了契机。此外,已有不少的研究表明:特异的微小RNA（miRNA）在维持肺上皮干细胞（lung epithelium stem cells,LSCs）生物学特性、促进肺癌发生发展过程中起重要的作用,是潜在的肺癌早期诊断的分子标签。基于此,我们设想:基于LCSCs和miRNAs双靶标的检测手段可能是更理想的肺癌早期诊断策略。因此,本实验拟经Real-time PCR观察miRNAs在CD133（+）LCSCs中的表达水平差异,以期获得CD133（+）LCSCs相关的miRNAs。敏感的完整靶细胞内特异性分子实时成像观察是实现肺癌早期诊断的有效手段。分子信标（molecular beacon,MB）是根据荧光共振能量转移（fluorescence resonance energy transfer,FRET）原理设计的一种高灵敏性、高特异性检测手段。较之于Real-time PCR、荧光原位杂交（fluorescence in situ hybridization,FISH ）等传统的miRNAs检测方法,分子信标荧光技术可实现完整细胞内特异性靶分子的实时成像观察,是了解活细胞内生物大分子相互作用的新的手段。目前,基于分子信标技术的特异性miRNAs实时成像检测的文献报道较少。类似于反义寡核苷酸（antisense oligonucleotides,ASO）,分子信标活细胞内应用面临生物稳定性差、转染效率低等诸多方面的困难。有研究提示用对DNA有保护作用的载体并阻止分子信标分子的核内流是提高分子信标稳定性的有效的策略。在众多的核酸载体中,壳聚糖纳米颗粒（chitosan nanoparticle,CS-NP）具有DNA保护作用、缓释效应等特性,可能是较为理想的分子信标载体。然而,壳聚糖纳米能否用作分子信标技术的载体尚未见报道。为此,本研究在分离、鉴定CD133（+）LCSCs并分析其miRNAs表达的基础上,以CD133（+）LCSCs高表达的has-miR-155为研究对象,设计、合成靶向结合成熟miR-155及其前体的特异性分子信标（miR-155 MB）。制备miR-155分子信标壳聚糖纳米复合物实时成像观察SPC-A1肺癌细胞内miR-155的表达,为建立实时成像CD133（+）LCSCs特异性miRNAs表达的技术平台奠定基础。实验方法用CD133单抗观察不同类型非小细胞肺癌（non-small cell lung cancer,NSCLC）组织中的CD133（+）LCSCs。用免疫磁珠分选方法自NSCLC组织富集CD133（+）LCSCs。结合文献,以肺癌相关miRNA（hsa-miR-155、hsa-miR-205a、hsa-miR-191、hsa-miR-21、hsa-miR-210、hsa-miR-17-5p和hsa-miR-106a）为检测对象,经Real-time PCR初步筛选CD133（+）LCSCs相关miRNA。根据成熟has-miR-155序列设计、合成特异性miR-155分子信标。同时,设计、合成不能与任何内源性序列互补结合的随机序列MB（random sequence molecular beacon,RS MB）作阴性对照。液相杂交实验观察miR-155分子信标和随机序列分子信标的特异性和热力学稳定性。用miR-155分子信标孵育丙酮固定的人NSCLC组织切片和H446、SPC-A1肺癌细胞观察miR-155在肺癌内的表达并经Real-time PCR方法验证。同时,用Vero细胞和PC-3前列腺癌细胞作对照。吸附法制备分子信标壳聚糖纳米复合物。DNase I消化实验、细胞蛋白提取物孵育实验观察分子信标壳聚糖纳米复合物稳定性。激光共聚焦观察壳聚糖纳米介导miR-155分子信标转染SPC-A1肺癌细胞及其检测miR-155的表达能力。同时,用随机序列分子信标和Vero细胞作为阴性对照,评估活细胞内荧光信号的特异性。结果1、免疫荧光和流式分析发现12例不同类型的人NSCLC组织内存在比例约为0.11～1.2%的CD133（+）LCSCs,而正常肺组织未见CD133（+）细胞。免疫磁珠分选、富集CD133（+）LCSCs并经Real-time PCR检测发现hsa-miR-17-5p、hsa-miR-155在富集的AC133（+）LCSCs中高表达,较之于AC133（-）肺癌细胞,表达上调分别为1.44、1.13倍。2、液相杂交实验显示分子信标有很好的特异性和热动力学稳定性。miR-155分子信标孵育固定的NSCLC组织切片和H446、SPC-A1肺癌细胞后发现肺癌细胞胞浆内可见特异的红色荧光,而背景很低,阴性对照组未见到明显荧光信号。Real-time PCR结果证明荧光信号来源于miR-155分子信标与靶分子特异性结合。3、经吸附法制备分子信标壳聚糖纳米复合物。琼脂糖凝胶电泳和荧光屏蔽实验显示当WCS-NP/WODN≥5:1时复合物结合较为完全,粒径和Zeta电位分析显示分子信标壳聚糖纳米复合物适合于细胞转染。DNase I保护实验表明分子信标壳聚糖纳米复合物有抗核酸酶降解作用。胞浆蛋白孵育2h后裸分子信标荧光强度增加约2～3倍,而核蛋白孵育裸分子信标后荧光强度增加约9倍,表明胞核蛋白对裸分子信标构象稳定性影响明显。用胞核蛋白孵育分子信标壳聚糖纳米复合物2h后发现分子信标荧光信号无明显增强,提示壳聚糖纳米能有效阻止分子信标与蛋白的非特异性结合。继续孵育24h后荧光信号增强约56倍,显示分子信标壳聚糖纳米复合物的缓释效应。进一步用壳聚糖纳米作为载体介导miR-155分子信标转染SPC-A1肺癌细胞24h后发现:大约4050%的SPC-A1细胞内可见较强的红色荧光,以胞浆内较为明显,显示转染效率较高,且SPC-A1细胞浆内的荧光信号主要来源于miR-155分子信标与其靶分子的特异性结合。核内可见弱的荧光信号表明壳聚糖纳米可阻止分子信标迅速、大量在核内聚集,用壳聚糖纳米作为载体是减少分子信标核内非特异性信号的有效策略。4、实时成像SPC-A1肺癌细胞移植瘤的实验研究正在进行中。结论1、不同类型人NSCLC组织内存在极低比例的CD133（+）LCSCs。免疫磁珠分选富集CD133（+）LCSCs并经Real-time PCR初步检测发现hsa-miR-17-5p、hsa-miR-155在富集的CD133（+）LCSCs中有较显著的过表达。2、成功设计、合成特异性miR-155分子信标并应用于固定的肺癌细胞内miR-155基因表达的检测。3、成功用壳聚糖纳米包裹分子信标并实时成像SPC-A1肺癌细内miR-155基因的表达,为建立实时成像CD133（+）LCSCs内特异性miRNAs表达的技术平台奠定了基础。

论文目录

• Abstract
• 摘要
• 论文正文 壳聚糖纳米包裹miR-155 分子信标实时成像肺癌细胞的实验研究
• 第一部分 CD133（+）肺癌干细胞的检测、分选及miRNAs 表达分析
• 材料和方法
• 结果
• 讨论
• 小结
• 第二部分 miR-155 分子信标的合成及在肺癌中的检测应用
• 材料和方法
• 结果
• 讨论
• 小结
• 第三部分 miR-155 分子信标壳聚糖纳米复合物的制备及实时成像肺癌细胞的研究
• 分题一 DNA 壳聚糖纳米复合物的制备及体外转染A549 肺癌细胞
• 材料与方法
• 结果
• 讨论
• 小结
• 分题二 miR-155 分子信标壳聚糖纳米复合物的制备及实时成像肺癌细胞的研究
• 材料和方法
• 结果
• 讨论
• 小结
• 全文小结
• 致谢
• 参考文献
• 文献综述 分子信标技术在活细胞内应用的研究进展
• 参考文献
• 博士研究生期间撰写和发表的文章
• 拟发表英文论著