山西大学阴彩霞教授团队：代谢荧光标记实现肿瘤精准标记

虽然代谢异常一直被认为是癌症的核心标志事件，但荧光成像中很少利用癌细胞和正常细胞之间的代谢差异来精准标记肿瘤。近日，山西大学阴彩霞教授团队通过设计开发GSH代谢荧光探针，实现了正常细胞与癌细胞、以及正常组织和肿瘤组织的差异成像。该工作为代谢探针的构建提供了新的实用案例，为恶性肿瘤的精确可视化提供了新的思路。

基于荧光成像的肿瘤早期诊断一直以来都面临着巨大的挑战，主要是在分子水平上难以精确实现肿瘤和正常组织的有效区分。目前基于荧光成像的癌细胞标记策略有：共价链接荧光团与靶向配体（如转铁蛋白、RGD短肽等）；构建激活型探针特异性响应癌细胞内高表达物（如酶、活性氧等）。然而，这两种靶向标记方法均存在一定的局限性，如靶向效率较低、探针敏感度较低等。

近日，山西大学阴彩霞教授课题组提出了一种全新的肿瘤荧光标记策略：即利用代谢异常实现癌细胞的特异性成像。代谢异常一直被认为是癌症的一个核心标志事件。异常增值是癌细胞的重要特点之一，而这一过程可能会依赖于细胞内特定的代谢途径、活动或过程。该工作设计并构建了GSH代谢探针MB-C（如图1）。当被GSH激活时，探针特异性释放双通道荧光信号（红色通道704 nm，归属于亚甲基蓝结构；绿色通道中心529 nm，归属于香豆素衍生物）；被GSH激活后，探针释放GSH代谢产物SO₂的识别位点（图1，site 3）。探针进一步序列识别SO₂时，上述红色荧光不变，绿色荧光迅速下降。基于此，荧光强度比值（F704/F529）可用于标记GSH代谢SO₂的过程。

图1. 探针MB-C的结构及序列响应GSH和SO₂时的结构变化。

随后，探针被应用于代谢成像多种细胞（图2），包括：HepG2人肝癌细胞、MCF7人乳腺癌细胞、4T1小鼠乳腺癌细胞、Hepa1-6小鼠肝癌细胞、HL7702人正常肝细胞、NIH/3T3小鼠胚胎成纤维细胞。由于细胞内存在大量的GSH，探针MB-C孵育至上述细胞后被GSH激活，在红色通道（l_ex = 633 nm, l_em= 650-720 nm）和绿色通道（l_ex = 488 nm, l_em = 500-560 nm）释放出明显的荧光信号。随后，装载探针的细胞被内源性SO₂激活剂Na₂S₂O₃刺激，继续收集红色和绿色通道的荧光信号会发现：癌细胞（HepG2、MCF7、4T1、Hepa1-6、HL7702）中红色荧光信号基本不变，而绿色荧光信号明显减弱；正常细胞（HL7702、NIH/3T3）中红色和绿色荧光信号均没有变化。因此，此代谢成像可用于区分癌细胞与正常细胞（图2）。相似地，探针MB-C也成功应用于区分正常组织与肿瘤组织（图3）。

图2. 探针MB-C代谢成像癌细胞与正常细胞。

图3. (a) 探针MB-C代谢成像癌细胞与正常细胞（左：正常组织；右：肿瘤）；(b) (a)图中红色通道与绿色通道荧光强度的比值图。

综上，作者设计并构建了一种用于GSH代谢成像的荧光探针。在分子设计中，通过探针和GSH的反应过程构建了新的响应位点。在激活响应中，探针能够首先被GSH激活，再顺序跟踪GSH的代谢过程。在成像应用上，基于代谢探针的代谢成像成功地应用于区分正常组织和肿瘤组织。这为恶性肿瘤的精确可视化提供了新的思路。

论文第一作者为山西大学温莹副教授，通讯作者为山西大学阴彩霞教授。详见Ying Wen, Zhiqing Long, Fangjun Huo, Caixia Yin*. Novel strategy for accurate tumor labeling: endogenous metabolic imaging through metabolic probes. Sci. China Chem., 2022, DOI: 10.1007/s11426-022-1372-y.

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