Ilayda Yilmaz|Hichem Moulahoum|Kübra Erden|Erol Yildirim|Kerem Tok|Didem Aksu|Tevfik Ilker Akcam|Figen Zihnioglu|Kutsal Turhan|Cagatay Dengiz|Saniye Soylemez|Suna Timur
引言
癌症仍是现代医学面临的最严峻挑战之一，全球每年都有数千万新病例出现，近1000万人因此死亡。1尽管在靶向治疗、免疫疗法以及分子引导的治疗策略方面取得了进展，但许多癌症的临床治疗效果依然不佳，尤其是在疾病晚期才被诊断出来时，而诊断的及时性和准确性则是决定患者生存率的关键因素。2早期发现有助于及时干预，从而显著改善预后，但目前现有的诊断方法仍存在成本高、具有侵入性以及检测速度慢等问题。诸如细胞学检查、组织病理学检查以及影像学检查等传统方法虽然具有高度特异性，但却需要大量人力，且依赖专业设备与技术知识。3], [4], [5]在许多资源匮乏的地区，这些现有方法根本无法使用，也缺乏实时监测功能，这就凸显出在各种医疗环境中需要快速、低成本、微创的诊断手段。
推动癌症诊断发展的一个很有前景的方向，就是利用肿瘤微环境的生物化学特性。由于恶性细胞的代谢和增殖需求，肿瘤微环境的生物化学特征与正常组织有很大差异，其典型特征包括细胞外酸化以及乳酸水平升高。6], [7], [8]由于瓦博格效应，癌细胞更倾向于有氧糖酵解，这会生成过多的乳酸和质子，使得肿瘤微环境的pH值下降到6.0–7.0（而健康组织的pH值为7.35–7.45），9], [10]而且肿瘤相关液体中的乳酸浓度可高达10–30 mM。9], [11]这些代谢变化会通过促进血管生成、抑制免疫反应以及增加治疗耐药性等方式推动肿瘤的发展，因此pH值和乳酸成为极具潜力的诊断指标，因为它们在疾病状态下总是会出现异常，并且与疾病的进展密切相关。为此，本研究以乳酸作为实验模型，评估了在乳酸相关代谢条件下的各类发色团性能。
目前用于检测这些生化变化的传统方法往往依赖于复杂的仪器设备、多步骤的样品准备流程以及专业技术人员，这些都限制了它们在快速常规检测中的应用。12此外，这些方法的成本高昂，且必须依赖中心实验室，因此不太适合在一线诊疗场景或大规模筛查中使用。13正因如此，人们越来越需要简单、快速且成本低廉的检测平台，而颜色传感器因其便携性、易用性，以及可通过肉眼或智能手机进行检测的特点，显得极具吸引力。颜色传感技术能够将生化反应转化为可见的颜色变化，从而实现简单、低成本且快速的检测，再结合基于智能手机的半定量分析技术，还能进一步提升检测精度。14该技术在葡萄糖监测、15], [16]疾病标志物检测、17], [18], [19]传染病筛查、20], [21以及环境分析22], [23], [24]等领域有着广泛的应用；不过，在肿瘤学领域，尤其是用于检测临床样本中与肿瘤微环境相关的生化变化方面，该技术的应用仍然十分有限。
用于颜色传感的新一代发色团的设计，依赖于高效、高产率的合成路径，这样的路径不仅能减少时间、成本和废弃物，还能便于快速实现多样化设计以及规模化生产。25], [26], [27]在这方面，基于[2+2]环加成-逆电环化反应的策略是一种“点击式”且符合绿色化学理念的方法，它允许在后期再引入受体单元以及供体-受体体系，从而避免早期功能化带来的稳定性问题。28], [29], [30], [31]尽管这种策略在传感器设计领域的应用还比较少，28但它已经催生出了多种具有广泛应用价值的化合物，涵盖非线性光学材料、32染料敏化太阳能电池、33Aviram-Ratner双功能分子、34荧光探针、35金属离子传感器、36有机近红外光热材料、37静脉光热疗法相关物质，以及光声学应用相关物质。39
通过这类反应得到的结构，会将强电子给体（吲哚、腙、二乙基苯胺）与富含氰基的受体结合在一起。28], [32由此产生的孤对电子相互作用能够选择性地识别亲电物质，进而产生明显的颜色变化。氰基倾向于与软酸离子（如Ag+）结合，而二乙基苯胺中的氮则可以与硬酸离子如Fe3+发生作用。40], [41], [42], [43], [44], [45], [46], [47], [48]除了这些金属离子识别功能之外，基于CA–RE反应得到的推拉型发色团也被尝试用于阴离子检测，不过相关研究还比较少见。例如，已有研究报道过基于CA–RE反应体系的氰化物检测方法，其中一种以TCBD为基团的发色团可以通过氰化物对二氰基乙烯基单元的亲核攻击，实现选择性颜色检测。49另一项典型的应用案例是，通过[2+2] CA–RE反应制备的带有脲基功能的推拉型发色团，被用作小分子氟离子传感器，这类传感器不仅能产生明显的颜色变化，还能通过纸条法轻松实现检测。50这些研究成果引发了这样一个问题：是否可以通过[2+2] CA–RE反应制备出的非平面结构推拉型发色团，用来检测具有生物学意义的分析物。
要将相关技术真正应用于临床，就必须在真实的生物环境中进行测试。胸腔积液这类半侵袭性体液是一个尚未得到充分研究的潜在应用对象，因为这类体液是从患有胸部恶性肿瘤的患者体内常规抽取的，能够直接反映肿瘤微环境的状态。51], [52], [53]这类体液中富含各种代谢产物和蛋白质，蕴含着与特定疾病相关的生化特征，但目前对这些体液的检测主要还是依靠细胞学检查和免疫组化检测，而这些方法既费时又难以获取足够的信息。如果将快速颜色传感技术引入这类检测流程，就能够实现辅助性的生化特征分析，从而使推拉型发色团成为在复杂生物环境中进行实时分析的理想工具。
为了解决上述问题，我们通过“点击式”CA-RE化学反应制备了两种供体-受体结构的推拉型发色团，并研究了它们对肿瘤微环境相关生化条件的响应特性。本研究并未开发新的CA-RE合成方法，而是试图将现有的CA-RE衍生发色团转化为一种能够通过智能手机读取的颜色检测平台，这种平台可以对细胞外酸度以及与乳酸相关的代谢环境做出响应。我们首先使用癌细胞和非癌细胞模型评估了这些发色团的性能，随后又在不同类型恶性肿瘤患者的胸腔积液样本中进行了测试。通过将小分子发色团与基于智能手机的RGB分析技术相结合，本研究展示了一种快速且低成本的方案，可用于肿瘤微环境的生化特征分析以及术后监测。
