2025年大學《化學生物學》專業(yè)題庫——化學生物學技術(shù)在生物影像學技術(shù)中的膽囊結(jié)石應(yīng)用評估考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述適配體（Aptamer）在靶向膽囊結(jié)石生物成像中的應(yīng)用潛力及其主要優(yōu)勢。請至少列舉三種不同類型的適配體及其潛在的靶點分子。二、比較熒光成像和超聲成像在膽囊結(jié)石檢測中的基本原理、主要特點（包括分辨率、深度、實時性、生物相容性等）以及各自在結(jié)石診斷中的適用場景和局限性。三、設(shè)計一個利用核磁共振成像（MRI）技術(shù)進行膽囊結(jié)石無創(chuàng)診斷的化學生物學方法。請描述所設(shè)計的MRI造影劑的基本結(jié)構(gòu)特點、作用機制（如何與結(jié)石或結(jié)石相關(guān)組織交互并改變MR信號）、以及該方法的預(yù)期優(yōu)勢。四、闡述將化學生物學技術(shù)與生物成像技術(shù)相結(jié)合用于膽囊結(jié)石治療（如溶石治療或感染治療）的可能性。討論在藥物遞送系統(tǒng)設(shè)計、藥物選擇、成像引導(dǎo)與監(jiān)測以及治療效果評估等方面可能遇到的關(guān)鍵科學問題和挑戰(zhàn)。五、評述目前化學生物學技術(shù)在膽囊結(jié)石生物影像學應(yīng)用研究中存在的最大技術(shù)瓶頸，并分析克服這些瓶頸可能需要哪些跨學科領(lǐng)域的知識融合或技術(shù)創(chuàng)新。六、假設(shè)你正在研發(fā)一種能夠特異性識別膽囊結(jié)石中膽紅素成分的熒光探針，請簡述該探針的設(shè)計思路，說明你需要考慮的關(guān)鍵分子設(shè)計要素，并討論如何通過體外實驗或體內(nèi)實驗初步驗證該探針的特異性和成像效果。試卷答案一、適配體（Aptamer）是一段通過系統(tǒng)進化方法（如SELEX）篩選獲得的、能夠特異性結(jié)合目標分子（配體）的短鏈核酸分子（通常是寡核苷酸）。在靶向膽囊結(jié)石生物成像中的應(yīng)用潛力在于其高特異性、易修飾性和可規(guī)?；a(chǎn)等優(yōu)點。主要優(yōu)勢包括：1）能與結(jié)石表面或其代謝物（如膽鹽、膽紅素衍生物）特異性結(jié)合，實現(xiàn)靶向識別；2）可通過化學修飾引入成像報告基團（如熒光基團、超聲活性基團、MRI造影劑），構(gòu)建特異性成像探針；3）分子量小，易于穿透生物屏障，可用于活體成像；4）可進行功能化改造，同時結(jié)合診斷與治療（診療一體化）。潛在靶點分子示例：1.膽鹽成分：膽囊結(jié)石的主要成分之一是膽鹽（如膽紅素結(jié)石中的膽紅酸、膽鹽酸），適配體可靶向結(jié)合特定膽鹽分子。2.結(jié)石相關(guān)蛋白質(zhì)/脂質(zhì)：結(jié)石表面可能覆蓋有特定的蛋白質(zhì)（如載脂蛋白A-I）或脂質(zhì)分子，適配體可識別這些表面標志物。3.炎癥相關(guān)分子：膽囊結(jié)石常伴隨炎癥反應(yīng)，適配體可靶向炎癥細胞表面標志物（如CD68、CD81）或炎癥介質(zhì)（如IL-6）。二、熒光成像和超聲成像原理及特點比較：*熒光成像原理：基于熒光探針吸收特定波長的激發(fā)光后，發(fā)射出更長波長的熒光信號進行成像。信號強度與探針濃度相關(guān)。*特點：分辨率高（可達細胞水平）；靈敏度高；技術(shù)相對成熟；可實現(xiàn)活細胞動態(tài)監(jiān)測；顏色編碼多，可進行多目標同時檢測。局限性：成像深度有限（受組織散射影響）；熒光信號易衰減（光漂白、光毒性）；對光穿透深度要求高。*適用場景：結(jié)石成分分析（如膽紅素檢測）、小結(jié)石或早期病變檢測、術(shù)中引導(dǎo)。*超聲成像原理：基于超聲波在不同組織界面和介質(zhì)中的反射、散射和衰減差異進行成像?？衫贸曉煊皠ê瑲饣蚝瑲馀菸⑴荩┰鰪娞囟▍^(qū)域的回聲信號。*特點：無電離輻射損傷；成像深度大；可實時動態(tài)觀察；操作便捷、無創(chuàng)、成本相對較低；可結(jié)合彈性成像等進行組織特性分析。局限性：空間分辨率相對較低；圖像對比度主要依賴組織聲阻抗差異；對微小結(jié)石（<2mm）檢測靈敏度有限；圖像偽影可能影響判讀。*適用場景：膽囊及膽管結(jié)構(gòu)顯示、較大結(jié)石的檢出與定位、術(shù)中及術(shù)后監(jiān)測、實時引導(dǎo)介入操作。三、MRI造影劑設(shè)計方法及特點：*設(shè)計方法：設(shè)計一種基于化學生物學的MRI造影劑，通常需要選擇或設(shè)計一個能與膽囊結(jié)石特異性結(jié)合的分子（即適配體或其他識別分子），并將其連接到一個具有MRI成像活性的配體上。最常用的是連接到含釓（Gd）的配體（如DTPA、DO3A）形成Gd-DOTA或Gd-DO3A等順磁性造影劑。*造影劑結(jié)構(gòu)特點：1.識別單元：適配體（Aptamer）或單克隆抗體（mAb），負責特異性識別結(jié)石表面分子（如膽鹽、特定蛋白質(zhì)）。2.連接臂：通常是一個柔性鏈（如PEG），用于連接識別單元和成像單元，提供空間位阻，減少非特異性結(jié)合，并可能影響體內(nèi)循環(huán)時間。3.成像單元：順磁性Gd離子（Gd3?）螯合劑（如DTPA、DO3A），通過與Gd3?配位形成穩(wěn)定且水溶性的復(fù)合物。Gd離子進入細胞或組織后，會縮短鄰近水分子的自旋弛豫時間，導(dǎo)致T1加權(quán)像（T1WI）信號增強。*作用機制：該MRI造影劑通過血液循環(huán)到達膽囊區(qū)域，被特異性結(jié)合到結(jié)石表面的適配體識別單元捕獲，使含Gd離子的成像單元集中于結(jié)石區(qū)域。Gd離子縮短了局部水的T1弛豫時間，在T1WI圖像上表現(xiàn)為病灶區(qū)域信號明顯增強，從而實現(xiàn)結(jié)石的顯影。*預(yù)期優(yōu)勢：1.高特異性：依賴適配體對結(jié)石的特異性識別，有望提高診斷的準確性，減少假陽性。2.高靈敏度：MRI對微弱信號變化敏感，即使是很小的結(jié)石也可能被檢測到。3.無創(chuàng)性：MRI檢查本身是無創(chuàng)的，結(jié)合特異性造影劑可實現(xiàn)對結(jié)石的無創(chuàng)診斷。4.軟組織對比好：MRI能清晰顯示膽囊及周圍軟組織，有助于評估膽囊壁情況及結(jié)石與周圍結(jié)構(gòu)關(guān)系。5.可進行定量分析：T1值等參數(shù)可以進行定量測量，可能有助于結(jié)石性質(zhì)的評估或療效監(jiān)測。四、化學生物學技術(shù)與生物成像結(jié)合用于膽囊結(jié)石治療的可能性與挑戰(zhàn)：*可能性：1.藥物靶向遞送：利用適配體或納米載體（如聚合物膠束、外泌體）將溶石藥物（如熊去氧膽酸、鵝去氧膽酸）、抗菌藥物或抗腫瘤藥物（針對惡性腫瘤性結(jié)石）特異性遞送到膽囊結(jié)石部位，提高局部藥物濃度，減少全身副作用。2.成像引導(dǎo)治療：結(jié)合實時成像技術(shù)（如超聲、MRI），在可視化引導(dǎo)下將藥物遞送系統(tǒng)精確送達病灶區(qū)域，實現(xiàn)精準治療。3.治療監(jiān)測與評估：利用特異性成像探針，在治療過程中或治療后實時監(jiān)測藥物遞送效率、結(jié)石體積變化、成分改變（如溶解程度）、有無并發(fā)癥（如感染、出血），為治療決策提供依據(jù)。*關(guān)鍵科學問題和挑戰(zhàn)：1.結(jié)石靶向特異性：如何設(shè)計足夠特異的識別分子，以實現(xiàn)對異質(zhì)性結(jié)石表面的高效、特異性靶向，避免正常組織的非特異性攝取。2.藥物遞送系統(tǒng)效率與穩(wěn)定性：如何提高藥物在遞送系統(tǒng)中的負載量、保護和控制藥物的釋放，確保藥物在結(jié)石部位的有效濃度和作用時間。3.體內(nèi)生物相容性與安全性：評估藥物、載體和成像探針的長期生物相容性、免疫原性和潛在的毒副作用。4.成像探針的體內(nèi)穩(wěn)定性與成像性能：成像探針在體內(nèi)的循環(huán)時間、分布特性、信號強度和分辨率需要優(yōu)化，以獲得可靠的診斷信息。5.翻譯障礙：將實驗室取得的有效方法成功轉(zhuǎn)化為臨床可用的治療方案，面臨法規(guī)審批、成本效益、臨床醫(yī)生接受度等多方面挑戰(zhàn)。五、目前化學生物學技術(shù)在膽囊結(jié)石生物影像學應(yīng)用研究中存在的最大技術(shù)瓶頸及跨學科融合需求：*最大技術(shù)瓶頸：特異性識別與靶向遞送效率的不足。盡管適配體等技術(shù)提供了特異性識別手段，但要將足夠量的識別分子和成像/治療單元有效、特異性地遞送到膽囊內(nèi)部的結(jié)石病灶上，并克服膽汁環(huán)境的挑戰(zhàn)，仍然面臨巨大困難。結(jié)石的成分復(fù)雜多樣，表面性質(zhì)可能不均勻，限制了單一識別分子的普適性；而血液循環(huán)、肝臟代謝、膽汁流動等因素也會影響遞送系統(tǒng)的命運。*克服瓶頸需要的跨學科知識融合或技術(shù)創(chuàng)新：1.材料科學與化學生物學融合：設(shè)計具有更好生物相容性、穩(wěn)定性、靶向性和可控釋放的智能納米藥物遞送系統(tǒng)。2.生物醫(yī)學工程與影像學融合：開發(fā)更高靈敏度、更高分辨率、更長穿透深度的成像設(shè)備；發(fā)展多模態(tài)成像技術(shù)（如結(jié)合熒光、超聲、MRI），獲取更豐富的生物信息。3.計算機科學與生物信息學融合：利用人工智能和機器學習算法，分析復(fù)雜的生物影像數(shù)據(jù)，提高結(jié)石檢測的準確性和良惡性判別的可靠性。4.分子生物學與藥理學融合：深入研究膽囊結(jié)石的發(fā)病機制和結(jié)石表面的分子組成，發(fā)現(xiàn)新的特異性靶點；優(yōu)化成像探針和藥物分子的設(shè)計。六、特異性識別膽紅素熒光探針的設(shè)計思路、驗證方法：*設(shè)計思路：1.靶點識別：首先確認膽紅素及其衍生物是結(jié)石中含量較高且相對穩(wěn)定的成分，并可能暴露在結(jié)石表面，是潛在的特異性識別靶點。2.適配體篩選（SELEX）：設(shè)計包含隨機序列的寡核苷酸文庫，通過體外系統(tǒng)進化方法（如指數(shù)富集配體系統(tǒng)進化技術(shù)，SELEX），在含有膽紅素（或模擬膽紅素環(huán)境的緩沖液）的篩選體系中進行多輪循環(huán)，富集能夠特異性結(jié)合膽紅素的適配體。3.探針構(gòu)建：對篩選得到的強結(jié)合親和力適配體進行測序和優(yōu)化，然后通過化學合成或體外轉(zhuǎn)錄（IVT）獲得純化的適配體。將適配體通過連接臂（如接頭分子）連接到合適的熒光報告基團上，形成熒光探針（如適配體-熒光染料）。連接臂的設(shè)計需考慮空間位阻、柔性以及對接頭和熒光基團的影響。4.結(jié)構(gòu)優(yōu)化：可能需要通過結(jié)構(gòu)生物學手段（如核磁共振、圓二色譜）或計算化學方法優(yōu)化適配體與熒光基團的連接方式，以提高探針的穩(wěn)定性、水溶性和熒光性能。*驗證方法：1.體外特異性結(jié)合驗證：*競爭性結(jié)合實驗：在含有膽紅素的緩沖液中，檢測探針的結(jié)合信號強度，然后加入過量的游離膽紅素或已知非特異性結(jié)合分子，觀察結(jié)合信號是否被抑制，以證明特異性。*結(jié)合動力學測定：使用表面等離子共振（SPR）、等溫滴定微量熱量法（ITC）等技術(shù)，測定探針與膽紅素的解離常數(shù)（KD），評估結(jié)合親和力。*靶點富集實驗：將探針與含有膽紅素的模擬結(jié)石基質(zhì)（如膽紅素溶液、膽鹽溶液）孵育，然后通過熒光強度或尺寸排阻層析等方法分離，比較探針在目標基質(zhì)與背景基質(zhì)中的富集程度。2.體外成像效果驗證：*熒光顯微鏡成像：在體外培養(yǎng)體系中（如細胞實驗或使用模擬結(jié)石模型），觀察探針對膽紅素來源（如添加標準膽紅素、膽結(jié)石粉末懸液）的靶向成像能力，與未標記探針或非特異性探針進行比