癌症治疗的有效性和安全性监测一直是医学研究的重点。抗肿瘤药物虽然在改善癌症患者预后方面取得了显著进展，但其毒性和潜在的致命并发症常常被低估。这些不良事件不仅严重影响患者的生活质量和生存率，还限制了患者接受和耐受推荐剂量的能力。因此，在整个治疗过程中同时监测治疗效果和相关不良事件对于改善癌症患者的预后和整体治疗效果至关重要。

尿液检测作为一种非侵入性、方便且成本效益高的诊断方法，具有很大的潜力。然而，由于尿液中生物分子的数量和浓度非常有限，动态和纵向尿液检测在评估癌症治疗的有效性和安全性方面尚未得到充分探索。生物正交化学能够在生物环境中快速选择性地进行反应，成为一种强大的生物化学工具。

成果简介

近日，南洋理工大学浦侃裔等人通过使用肺癌小鼠模型和化疗处理，开发了一种尿液荧光测试方法，用于同时监测肿瘤标志物（组织蛋白酶B）和化疗引起的肾损伤标志物（N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶）的水平。该测试涉及两种通过气管内给药的尿液报告分子，利用笼式生物正交点击手柄进行标志物依赖性激活和肾脏清除，并在收集的尿液中与配对的荧光指示剂进行生物正交点击反应。

图 1 | 生物正交尿液测试（BOUT）的设计和机制

合成与体外检测

研究中合成了癌症报告分子BURC和肾损伤报告分子BURK。BURC由全氟芳基叠氮化物单元、CTSB可切割肽和透明质酸骨架组成，而BURK则设计为PEG化的苯基取代二氢四唑，次级胺被NAG可切割的N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶笼罩。通过高效液相色谱（HPLC）和液相色谱-质谱（LC-MS）研究确认了BFIs在相应BURs和标志物存在下完全转化为活化的BFIs。

图 2 | 体外传感评估和活细胞成像

体内药代动力学和排泄

在活体小鼠中测试了BURs的药代动力学和生物分布。结果显示，BURC和活化BURC在注射后25分钟内迅速吸收，随后以半衰期26分钟（活化BURC为12分钟）被消除。24小时后，67%的活化BURC被尿液排泄，而BURC的排泄量不到10%。HPLC分析表明，BURC处理的小鼠尿液中检测到一些活化BURC，可能是由于健康肺组织中的基础CTSB表达。

图 3 | 药代动力学研究和BURs的排泄

癌症检测

在正交肺癌模型中应用BOUT检测内源性标志物CTSB。结果显示，肿瘤植入后2周，BOUTC显著增强，并在6周后达到最大值，与CTSB表达的增加一致。相比之下，接受CTSB抑制剂治疗的肿瘤小鼠未显示出显著增强。

图 4 | BOUT用于正交肺癌检测

AIKI检测

在顺铂（CIS）诱导的肾损伤模型中应用BOUT检测疾病标志物NAG。结果显示，药物治疗后9小时，BOUTK显著增强，并在后续时间点继续增加。BOUTK的变化与sCr和BUN水平呈正相关，且BOUTK的诊断准确性高于传统的血清标志物。

图 5 | BOUT用于检测抗肿瘤药物引起的肾损伤

同时监测疗效和安全性

在癌症治疗中，BOUT被用于同时检测癌症和治疗相关的肾损伤。结果显示，BOUTC和BOUTK分别在第二次和第三次剂量时显著增强，且BOUTC的变化与观察到的肿瘤面积呈正相关。BOUT指数（BOUTC −1/BOUTK）提供了对整体治疗效果的综合评估，显示出与小鼠体重增加、总生存期和生存率的强正相关性。

图 6 | BOUT用于精准癌症治疗诊断

图 7 | 手机辅助BOUT用于患者即时检测

小结

本研究开发了一种基于生物正交化学的尿液测试方法（BOUT），用于同时监测癌症治疗的有效性和治疗相关的肾损伤。该方法结合了生物标志物激活的生物正交反应和肾脏清除，以及生物正交触发的荧光开启，具有高特异性、超高灵敏度和快速检测的优点。通过手机辅助的光学读数，BOUT提供了一种非侵入性的高通量药物筛选方法，并有潜力在癌症治疗过程中用于方便的治疗效果-安全性监测。此外，BOUT作为一种通用平台，可用于多种生理病理过程的实时监测，突破了组织穿透的限制。希望这项工作能够激发新的尿液测试方法，并促进生物正交化学在疾病诊断中的应用。

参考文献：

Cheng, P., Zeng, Z., Liu, J. et al. Urinary bioorthogonal reporters for the monitoring of the efficacy of chemotherapy for lung cancer and of associated kidney injury. Nat. Biomed. Eng (2025).

https://doi.org/10.1038/s41551-024-01340-1