[发明专利]单个细胞胞内纳米PH探针

说明书

相关专利申请的交叉引用

本专利申请要求提交于2015年2月25日的美国临时专利申请No.62/120,624的优先权，该专利申请全文据此以引用的方式并入。

政府支持声明

本发明根据美国国家癌症研究所(National Cancer Institute)颁发的合同号U54CA143803、美国国家健康研究所(National Institutes ofHealth)颁发的合同号P01-35HG000205和美国国家神经疾病和中风研究所(National Institute of Neurological Disorders and Stroke)颁发的合同号R21NS082927在政府支持下进行。政府具有本发明的某些权利。

序列表、计算机程序或光盘的引用

无。

背景技术

技术领域

本发明涉及纳米孔尺度装置和传感器领域，具体地讲用于单个细胞内的流体和溶液的pH感测。

相关领域

下文提供了本发明某些方面的背景信息，因为它们可涉及具体实施方式中提及的技术特征，但不一定详细描述。即，本发明所用的单个组合物或方法可在下文讨论的公开和专利中更详细地描述，它们可为本领域的技术人员制备或使用受权利要求书保护的本发明的某些方面提供进一步指导。不应将下文的讨论理解为承认所述专利或公开的相关性或现有技术效果。

个性化给药保持了很大的潜力，特别是在治疗癌症中，其保留了重大医疗挑战，因为常规化疗药物具有固有和获得性耐受性^1-3。在最近十年，开发个性化癌症治疗剂，以增加化疗的功效已取得了进展⁴。尽管对个人定制药物作出了很大努力，但结果千差万别⁵。该事实与单个肿瘤内存在基因不同的细胞有关⁶。在最近的研究中，利用基因组测序技术鉴定一大群细胞中的这些基因改变^7-9。虽然癌细胞异质性的遗传方面和突变和耐药性之间的关系已广泛研究，但检测异质性，即在一大群细胞内查找细胞代谢和生理学不同的的癌细胞的预筛选技术的开发正在研究中。

细胞异质性的评估可通过测量胞质离子和分子来进行。金属离子的积聚¹⁰、活性氧(ROS)和活性氮物类(RNS)水平的变化¹¹和蛋白质表达¹²是细胞群内癌性细胞的重要标志。虽然很少受到认可，但pH也是癌细胞的鉴定性要素。pH是引发和调节许多细胞事件，诸如肿瘤中的多重耐药性¹³、蛋白质加工¹⁴、胞吞作用¹⁵和细胞凋亡¹⁶的最引人注目的特征之一。由于pH具有重要意义，胞内环境的pH通过各种离子通道以及胞内弱酸和碱，诸如碱阳离子-H+交换蛋白、碳酸氢盐和酸负载转运蛋白严格调控。在哺乳动物细胞中，亚细胞隔室具有不同的pH值，以维持某些代谢功能的最佳运行条件¹⁷。在正常生理条件下，哺乳动物细胞的静息胞内pH维持在6.8和7.3之间¹⁸。另一方面，胞外pH值呈微碱性，在7.2至7.4的范围内。胞内pH的调节异常通常与细胞功能、增殖和耐药性的改变相关，并且可见于癌性肿瘤中¹⁹。此外，pH对肿瘤生长和癌细胞迁移具有很大影响，从而可能导致癌细胞转移^20,21。

由于癌细胞的高代谢率与供血不足相关，致癌性肿瘤是异质性的并且被广泛认为是酸性的。该区域性高代谢和灌注的缺乏触发了厌氧代谢，导致胞外pH水平降低至～6.0²²。另外，需氧代谢可增加二氧化碳(CO₂)的胞内浓度，导致局部pH水平降低。这两个酸中毒机制在癌症研究中是广泛接受的。然而，关于胞内pH水平是否有助于肿瘤内异质性，以及其是否为一大群细胞中癌细胞预先存在代谢异质性的指示，却知道得很少。pH数据的较大粒度不仅对于开发新型抗癌药物和载体，因为大部分新药物递送体系旨在使用pH灵敏性聚合物或pH灵敏性聚合物纳米粒子，而且对于探知抗癌药物如何有效地在治疗过程中工作将具有重大意义。因此，胞内pH的实时定量测量对于联系肿瘤内细胞异质性、耐药性和药物递送体系以便进行有效治疗可为重要的。

pH可用作鉴定肿瘤组织中癌细胞变体的标志。一旦鉴定，即可在药物治疗的过程中标记和跟踪这些细胞。然后可从标记的细胞收集样品，对其RNA和DNA测序，以阐明使这些细胞具有耐药性的序列。