Angew|新型体内半乳糖苷酶响应的双模态探针,可指导肿瘤精准切除

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分享一篇近日发表在Angew Chem Int Ed 上的文章——“An NIR Fluorescence Turn-on and MRl Bimodal Probe for Concurrent Real-time in vivo Sensing and Labeling of β-Galactosidase”。该文章的通讯作者是来自中科院精密测量科学与技术创新研究院的陈世桢研究员,其主要从事19F/129Xe/1H磁共振分子影像及肿瘤的多模态影像研究。本文中,作者开发了一种新型的半乳糖苷酶双功能探针,结合近红外荧光成像(NIR)和磁共振成像(MRI),能够实时实现活体小鼠中半乳糖苷酶的双模态可视化,有助于精确鉴别肿瘤组织和指导肿瘤切除手术。

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β-半乳糖苷酶(β-gal)作为一种重要的糖苷水解酶,可水解β-半乳糖苷,在原发性卵巢癌细胞和衰老细胞中过度表达,有望作为卵巢癌早期诊断的生物标志物,发展用于β-gal检测和成像的探针对于早期发现卵巢癌至关重要。已有的β-gal探针主要基于单模态成像,在灵敏度、分辨率和穿透深度方面受到限制,且响应信号扩散或转位至细胞外,信噪比较低。NIR荧光成像和MRI则具有出色的组织穿透度和高空间分辨率,可用于对低浓度肿瘤相关生物标志物高度敏感的成像,有助于引导图像的肿瘤手术。因此,结合NIR和MRI这两种成像模式可使得对深部肿瘤进行高度敏感成像成为可能。

基于此,本文作者设计并合成了新型半乳糖苷酶双模态探针Gal-Cy-Gd-1,该探针包含四部分:(1)半乳糖作为β-gal识别位点;(2)NIR荧光团保护前体;(3)氨基甲酸乙酯离去基团;(4)用于MRI的顺磁性DOTA-Gd 螯合物(图 1 A)。同时作者合成了缺乏离去基团的对照分子Gal-Cy-Gd-2。探针进入细胞后,在β-gal的作用下释放半乳糖,并激活NIR荧光团,同时可共价结合所在反应位置的蛋白,防止信号转位或扩散,进一步通过NIR和MRI进行实时β-gal的精准可视化(图 1 B)。

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图1 用于体内成像的 β-gal可激活的双模NIR/MR探针示意图


首先,作者在体外系统表征了探针Gal-Cy-Gd-1的反应活性。紫外吸收、HPLC、胶内荧光成像等实验结果表明探针可选择性识别β-gal,其被β-gal激活后,探针以时间依赖性表现出明显的紫外可见吸收及近红外荧光信号,并产生了目标荧光团。说明Gal-Cy-Gd-1 能灵敏响应β-gal,并且能够共价连接到目标酶或其附近选择性酶激活后的蛋白质(图2)。

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图2 Gal-Cy-Gd-1的体外表征


接下来,作者对探针和β-Gal的相互作用进行对接计算。X射线晶体衍射结果显示Gal-Cy-Gd-1 与β-Gal具有较高的结合活性,很难与酶解离,探针位于袋符合乳糖位置的结合口袋(图3)。

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图3 Gal-Cy-Gd-1,Gal-Cy-Gd-2与β-Gal的对接


然后,作者在细胞水平验证探针的有效性能。以卵巢癌细胞SKOV3 细胞为模型细胞,并孵育探针。流式细胞术、荧光成像等实验结果显示探针标记4 h左右即显示明显的近红外荧光及磁共振信号,信号呈现明显的时间依赖性,并可被β-gal抑制剂有效抑制(图4)。

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图4 卵巢癌细胞中β-Gal的可视化


进一步地,作者继续评估Gal-Cy-Gd-1在体内成像的适用性。小鼠皮下肿瘤模型中可有效实现活小鼠中 β-gal触发的NIR和MRI激活,信号主要集中在肝脏和肿瘤部位。静脉注射探针4 h后,可实现肿瘤部位最明显的MRI对比度(图5)。

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图5 卵巢癌肿瘤活体小鼠中内源性 β-gal的双模态成像


最后,作者在β-gal双模态成像指导下顺利实现肿瘤的精准原位切除。在静脉注射探针后SKOV3/Luc肿瘤小鼠的左卵巢中显示特异性明亮的NIR荧光,与BL肿瘤成像区域和MRI精确匹配。基于肿瘤的可视化成像指示,作者准确描绘卵巢肿瘤的边缘并实现肿瘤组织的精确手术切除(图6)。

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图6 原位卵巢癌的双模态成像及成像指导下的肿瘤切除


综上所述,本研究提出了一种新的可激活的双模态β-Gal探针,能够实现体内NIR荧光和MRI实时β-gal活性成像,并可用于指导卵巢癌肿瘤的原位精确切除,可作为未来有潜力的辅助肿瘤诊疗分子工具。


文章作者:TX

原文链接:https://doi.org/10.1002/anie.202313137

责任编辑:LD


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