研究内容

尿液是人体每天都会产生的体液，它无需创伤即可大量获取。那么，是否可将尿液用于膀胱癌（Bladder Cancer, BC）的无创早期诊断？近日，南开大学化学学院、有机新物质创造前沿科学中心的刘定斌教授团队通过设计一种肿瘤微环境响应的智能胶束探针，在体内实现了膀胱癌源性细胞外囊泡的原位标记与尿液中的特异性捕获，成功建立了一种基于尿液的无创分期诊断新方法。

近年来，液体活检技术引起了越来越多的关注，无创诊断也随之成为科学研究的热点。追求高灵敏度、高特异性、操作简便的无创检测方法成为一种重要趋势。细胞外囊泡（EVs）作为液体活检的理想靶标，在癌症早期诊断中具有重要的应用价值。目前BC的诊断主要依赖膀胱镜检查，但其侵入性限制了大规模筛查；尿液细胞学检查及现有尿液分子标志物虽无创，但对低级别肿瘤灵敏度较低。另外，值得注意的是，尿液中肿瘤源性EVs丰度低，且与大量非肿瘤源性EVs共存，如何实现其特异性富集是当前面临的核心技术挑战。

团队开发的体内代谢工程策略有效应对了上述挑战。众所周知，EVs携带了母细胞的蛋白质、核酸和脂质等分子信息，是理想的液体活检靶标，然而，肿瘤源性EVs在尿液中占比极低，难以直接捕获。他们通过设计双靶向ROS响应胶束ROS-CTMs，利用叶酸（FA）和cRGD双配体协同靶向膀胱肿瘤细胞，借助肿瘤局部高ROS微环境触发叠氮胆碱的响应释放。释放的叠氮胆碱通过细胞磷脂代谢途径整合至新生EVs的膜磷脂中，为其赋予叠氮化学标签。标记后的EVs随尿液排出后，可通过二苯并环辛炔修饰的磁珠（DBCO-MB）经生物正交点击反应实现特异性捕获与磁分离。这一设计巧妙地解决了尿液复杂背景下肿瘤源性EVs难以富集的问题。值得注意的是，该方法在尿液基质中的捕获效率达到约75%，检测限低至4.13×10⁴ particles/mL，展现出优异的灵敏度和特异性。

图1. ROS-CTMs的设计及其介导的体内代谢标记与生物正交捕获示意图。

该策略优异的性能使其可应用于BC的早期筛查、复发监测和分子分型。实验结果显示，肿瘤相关蛋白（MUC1、TGFβ1、GLUT1等）在MIBC组中的表达水平显著高于NMIBC组，成功实现了BC的无创分期鉴别。此外，通过更换靶向配体，该策略还可拓展至其他疾病的EVs诊断研究。

图2. DBCO-MB捕获尿液中的叠氮化EVs的表征。扫描电镜图像（左）和Western blot显示捕获产物的蛋白谱表达（右）。

近期，这一成果以“In Vivo Metabolic Engineering of Bladder Cancer-Derived Extracellular Vesicles for Noninvasive Cancer Detection”为题发表在《Journal of the American Chemical Society》期刊上，文章的第一作者是南开大学化学学院2022级博士研究生魏永春，通讯作者为刘定斌教授、尹永梅副教授和于泽副教授，南开大学有机新物质创造前沿科学中心为论文通讯单位。

文献信息

In Vivo Metabolic Engineering of Bladder Cancer-Derived Extracellular Vesicles for Noninvasive Cancer Detection, Yongchun Wei, Ze Yu*, Silei Wu, Jingqi Li, Mingzhu He, Jia Xu, Dan Yang, Wenwen Chen, Yongmei Yin*, Dingbin Liu*, J. Am. Chem. Soc., 2026, DOI: 10.1021/jacs.6c03124