活體光學(xué)成像在腫瘤臨床前檢測中的應(yīng)用

在全球范圍內(nèi)，癌癥是主要的公共衛(wèi)生問題，而中國惡性腫瘤發(fā)病和死亡人數(shù)位居世界之首。如今，惡性腫瘤發(fā)病率和死亡率均呈逐年上升趨，給家庭和社會帶來極大的痛苦和負(fù)擔(dān)。腫瘤發(fā)病早期在微觀分子尺度上變化很小，也沒有明顯的外在表現(xiàn)，患者很容易忽略腫瘤的存在。因此，找到高靈敏度的臨床前檢測方案對腫瘤早期篩查有很大幫助，而腫瘤發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)移的動態(tài)可視化監(jiān)測也將在患者的個性化精準(zhǔn)治療過程中發(fā)揮重要的作用。

 

熒光成像技術(shù)具有較高的空間分辨率和靈敏度，生物相容性良好的熒光探針被廣泛應(yīng)用在在臨床前檢測。其中近紅外發(fā)射的熒光探針由于組織穿透性更好，快速實時的體內(nèi)外監(jiān)測能力而蓬勃發(fā)展。由于腫瘤有異常表達(dá)的生物標(biāo)志物，因此研究人員可利用特殊標(biāo)志物進(jìn)行腫瘤細(xì)胞的特異性識別，從而設(shè)計腫瘤臨床前檢測的有力工具。

 

1、pH激活的近紅外熒光探針用于檢測肺轉(zhuǎn)移性腫瘤

 

腫瘤從原發(fā)位置擴(kuò)散到身體其他部位發(fā)生轉(zhuǎn)移將影響整體的治療進(jìn)程，而肺轉(zhuǎn)移幾乎占所有惡性腫瘤轉(zhuǎn)移的一半以上。因此，通過對肺轉(zhuǎn)移的特異性檢測可以獲得及時可靠的信息來阻止轉(zhuǎn)移進(jìn)展，從而改善治療效果。研究人員對親脂性染料IR780進(jìn)行改造，通過與pH敏感的磷酸鈣相結(jié)合獲得了一種pH響應(yīng)的熒光探針——肺轉(zhuǎn)移示蹤劑9（PMT9）。Revvity活體光學(xué)成像結(jié)果表明，PMT9對肺部腫瘤有較高的特異性，可以準(zhǔn)確識別原發(fā)性肺部腫瘤和肺部轉(zhuǎn)移腫瘤灶（如圖1）。

 

圖1 PMT9體內(nèi)特異性識別原位肺腫瘤

 

2、超靈敏的深近紅外（NIR）納米探針用于腫瘤早期檢測

 

目前通過磁共振成像和正電子發(fā)射斷層掃描可以對早期腫瘤進(jìn)行檢測，但是極限成像尺寸約為1mm，小于1mm的腫瘤很難被發(fā)現(xiàn)。因此，研究人員利用熒光成像極高的靈敏度，進(jìn)行早期微米級腫瘤灶的檢測，為腫瘤早期檢測提供了新思路。文獻(xiàn)報道了一種可被酸性和乏氧次序激活的熒光納米探針I(yè)r-D，該探針由可被酸降解的聚乙二醇?xì)ず脱鯕饷舾械你炁浜衔锸杷�核�?gòu)成。在腫瘤部位酸性條件下，酸敏感亞胺斷裂使探針的聚乙二醇外殼逐漸脫落，銥配合物疏水核由此暴露出來并發(fā)生聚集伴隨發(fā)出近紅外波段熒光。由于酸性和乏氧是腫瘤特異性的微環(huán)境，因此該探針可以準(zhǔn)確識別體內(nèi)腫瘤病灶。如圖2所示，Ir-D探針在不同種類的皮下瘤、轉(zhuǎn)移瘤以及PDX腫瘤模型中都能實現(xiàn)高靈敏度的成像。

 

圖2 Ir-D探針在不同腫瘤模型中成像

 

隨后，研究人員還進(jìn)行了探針的靈敏度的測試。在小鼠背部植入不同數(shù)量的H22細(xì)胞后，尾靜脈注射Ir-D熒光探針，實驗結(jié)果表明，注射探針8h后小鼠背部觀察到明顯的熒光信號，并且僅注射數(shù)百個腫瘤細(xì)胞的小鼠信號強(qiáng)度比對照組平均高約2.0倍。為了進(jìn)一步評估Ir-D對于微小腫瘤灶的檢測能力，研究人員將腫瘤類器官植入到小鼠乳腺構(gòu)建了早期腫瘤模型，并在建模成功后尾靜脈注射Ir-D探針，通過Revvity活體光學(xué)成像進(jìn)行觀察。實驗結(jié)果表明Ir-D可以識別到微小腫瘤，組織切片結(jié)果顯示腫瘤大小僅為260×290μm（如圖3）。

 

圖3 Ir-D探針靈敏度檢測

 

3、有機(jī)分子放射余輝探針用于腫瘤篩查和協(xié)同治療

 

熒光探針雖然廣泛應(yīng)用在腫瘤早期檢測，但是由于背景光和組織自發(fā)熒光的干擾，信噪比不是很理想，限制在臨床上的應(yīng)用。因此，能在激發(fā)光停止照射后儲存能量并緩慢釋放光子的余輝探針應(yīng)運而生，在去除了組織自發(fā)熒光的干擾后，余輝探針具有極高的檢測靈敏度和信噪比。與熒光激發(fā)相比，X射線具有更深的組織穿透性，不但可以將高能量傳送到深層腫瘤部位，而且可以在余輝成像的同時起到放射治療的協(xié)同效果�，F(xiàn)在對此類探針的研究仍然很少，主要集中在無機(jī)納米磷光體，還沒有有機(jī)分子在X射線照射后發(fā)出余輝的報道。該研究首次闡述了有機(jī)分子的放射動力學(xué)過程，解釋了單線態(tài)氧產(chǎn)生及余輝信號的產(chǎn)生原理，該探針可以用來進(jìn)行體內(nèi)腫瘤的超靈敏檢測。

 

研究人員基于受體-苯氧基-金剛烷烯骨架的合成方法成功制備余輝動態(tài)發(fā)光體。X射線輻照IDPA會產(chǎn)生單線態(tài)氧，然后原位生成的單線態(tài)氧通過環(huán)加成反應(yīng)與IDPA反應(yīng)轉(zhuǎn)化為二氧雜環(huán)丁烷中間體，該中間體逐漸分解并釋放光子，產(chǎn)生余輝信號，圖4展示了X射線和光學(xué)激發(fā)穿透深度的差異。

 

圖4 深層組織射電余輝動態(tài)過程

 

隨后，研究人員用生物發(fā)光標(biāo)記的U87細(xì)胞構(gòu)建皮下腫瘤模型，通過Revvity活體光學(xué)成像進(jìn)靈敏度檢測，實驗結(jié)果表明尾靜脈注射X射線激發(fā)的余輝探針可以實現(xiàn)體內(nèi)微小腫瘤灶的檢測，實驗檢測到腫瘤最小體積1.08mm3，直徑0.64mm（如圖5所示）。

 

圖5 余輝探針的靈敏度檢測

 

 

參考文獻(xiàn)

 

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2. Zhou, Sensen, et al. "Acid and Hypoxia Tandem‐Activatable Deep Near‐Infrared Nanoprobe for Two‐Step Signal Amplification And Early Detection of Cancer." Advanced Materials (2023): 2212231.

3. Huang, Jingsheng, et al. "Molecular radio afterglow probes for cancer radiodynamic theranostics." Nature Materials 22.11 (2023): 1421-1429.