熒光探針點亮的生命科學世界 湖南大學張曉兵教授和譚蔚泓院士課題組Chem. Soc. Rev.: 小分子熒光探針在癌癥成像中的應用

【引言】

根據WHO公布的數據，到2035年，全球將會產生2400萬個癌癥新病例以及1450萬個癌癥相關死亡。在這些癌癥相關的死亡中，有大約30%的患者是可以通過早期診斷挽救的，因此也說明了癌癥早期診斷和靶向治療在提高患者存活率中的重要性。

癌癥相關生物標記物的檢測在臨床診斷上有廣泛的應用。在這些癌癥相關的生物標記物中，酶因為在許多生理、病理和藥理過程中的重要作用而受到了廣泛的關注。前期的研究也已經證明酶活性的異常與多種癌癥息息相關：谷氨酰轉肽酶在肝癌等多種癌癥中有很高表達；堿性磷酸酶在骨癌中活性顯著增加。因此，這些酶在腫瘤細胞中的定位以及表達水平對癌癥的早期診斷和治療療效有很大的影響。很多成像技術已經被開發且被應用到這類酶的檢測和成像中，比如磁共振成像(MRI)、核成像、正電子發射斷層成像(PET)和熒光成像。每一種成像技術都不可替代，并在靈敏度、成像深度和分辨率上都有自己的特點。MRI在活細胞中對低含量的酶缺乏足夠的特異性和靈敏度；SPECT和PET具有較高的靈敏度，但分辨率卻不盡如人意。

基于小分子熒光探針的熒光成像技術已被廣泛用于活細胞多個動態過程的可視化和量化中，可實現高靈敏度和快速無損的實時檢測。小分子熒光探針因為結構的可修飾性，因此可以訂制各種各樣的探針來實現細胞和活體內原生環境中酶的實時檢測和成像。

【成果簡介】

近日，湖南大學張曉兵教授（通訊作者）和譚蔚泓院士課題組在Chem. Soc. Rev.上，發表了題為"Recent Progress in Small-Molecule Enzymatic Fluorescent Probes for Cancer Imaging"的綜述。

在這篇綜述中，作者總結了針對酶的小分子熒光探針在癌癥成像中的發展。文章首先闡述了小分子熒光探針在癌細胞中傳感和成像的優勢，以及強調了小分子熒光探針在癌細胞酶活性檢測和成像中的應用和設計策略。隨后，作者討論了小分子酶熒光探針在臨床上的應用和性能，并進一步重點介紹了這個新興領域的挑戰和機會。

【圖文導讀】

1.小分子酶熒光探針的設計思路

大多數小分子酶熒光探針的設計是基于與酶活性部位的特異性作用，活性部位包括催化位點和結合位點。根據探針與酶作用的機理，小分子酶熒光探針可分為基于底物的小分子酶熒光探針和非基于底物的小分子酶熒光探針。基于底物的小分子酶熒光探針是將底物與熒光團相連，與酶作用后光譜性質發生變化；非基于底物的小分子酶熒光探針由三部分組成：以共價方式和非共價方式可與酶活性位點結合的基團，熒光團和兩者之間的連接物。

Figure?1.基于底物的小分子酶熒光探針的結構與機理

Figure 2.非基于底物的小分子酶熒光探針的結構與機理

Figure 3.共價結合和非共價結合的非基于底物的小分子酶熒光探針

為了使熒光信號（波長或者強度）在目標酶的作用下發生變化，多種信號轉化機理被應用在酶探針作用當中，比如分子內電荷轉移(ICT)、熒光共振能量轉移(FRET)、激發態分子內質子轉移(ESIPT)、光致電子轉移(PET)、結構變化和分子內運動受限等。

Figure 4.小分子酶熒光探針的響應機理

2.對磷酸酶響應的小分子熒光探針

磷酸酶是一類可以去除核酸、蛋白質和碳水化合物等不同基質中磷酸基團的信號酶。磷酸酶作為重要的分子開關可調節多種細胞信號通路。磷酸酶的活性異常與癌細胞的增值、分化和轉移有很大的聯系，因而對磷酸酶的實時監測在癌癥診療方面有很重要的意義。

Figure 5.堿性磷酸酶熒光探針1-7結構

Figure 6. 堿性磷酸酶熒光探針8-10結構

Figure 7. 熒光探針11的結構，以及對堿性磷酸酶的檢測原理與成像

(a).熒光探針11的結構，以及對堿性磷酸酶的檢測原理

(b,c).熒光探針的溶液態檢測圖

(d).細胞成像

Figure 8.熒光探針12的結構

3.對羧酸酯水解酶響應的小分子熒光探針

Figure 9.熒光探針13-23的結構

4.對酰蛋白硫酯酶響應的小分子熒光探針

Figure 10.?熒光探針24-25的結構

5.對糖苷酶響應的小分子熒光探針

糖基化修飾可以發生在細胞的蛋白表達、新陳代謝、功能等方方面面，而糖基化的異常也可認為是癌細胞的特點，因此糖苷酶是十分重要的癌細胞標記物。

Figure 11.熒光探針26-36的結構

Figure 12.對糖苷酶響應的熒光探針37和38的結構和熒光成像

(a).熒光探針37和38的結構

(b).熒光成像

Figure 13.熒光探針39-42的結構

6.對蛋白酶響應的小分子熒光探針

Figure 14.對亮氨酸氨肽酶響應的熒光探針

(a).熒光探針43和44的化學結構

(b).亮氨酸氨肽酶的酶譜分析

(c).細胞提取物中存在活躍的亮氨酸氨肽酶

Figure 15.熒光探針45-51的結構

Figure?16.對氨肽酶N響應的熒光探針52-55的結構

Figure 17.對DPPIV和FAP響應的熒光探針56-62的結構

Figure 18.熒光探針63-65的結構

Figure 19.熒光探針65在腫瘤組織中的雙光子成像

Figure 20.熒光探針66-71的結構

Figure 21.熒光探針72-75的結構

Figure 22.熒光探針72-75在MCF-7細胞中對caspase-3的成像

(a-c).熒光探針72在正常的MCF-7細胞中

(d-f).熒光探針72在凋亡的MCF-7細胞中

(g-i).熒光探針72在凋亡的MCF-7細胞中，用抑制劑和caspase抗體處理后的成像

Figure 23.熒光探針76-78的結構

Figure 24.熒光探針79-82的結構

Figure 25.熒光探針83-86的結構

Figure 26.熒光探針87-89的結構

Figure 27.熒光探針90對CatB的熒光響應和細胞成像

(a).熒光探針90對CatB的響應機理

(b).熒光探針90在MDA-MB-231細胞中的成像

Figure 28.CatB可激活的診療探針91和92的化學結構

Figure 29.熒光探針93-96的結構

Figure 30.熒光探針97-103的結構

Figure 31.熒光探針104-107的結構

Figure 32.熒光探針108-111的結構

7.對氧化還原酶響應的小分子熒光探針

Figure 33.熒光探針112-116的結構

Figure 34.熒光探針116對絡氨酸酶的細胞成像

(a).熒光探針116在不同時間不同細胞中的熒光成像

(b).細胞中熒光強度隨時間的變化

(c).絡氨酸酶在不同細胞中的活性

Figure 35.熒光探針117-123的結構

Figure 36.熒光探針124-133的結構

Figure 37.熒光探針129的小鼠腫瘤成像

(a,b).熒光探針129在注入小鼠前后的熒光成像

(c).小鼠體內熒光強度隨時間的變化

Figure 38.熒光探針134-136的結構

Figure 39.熒光探針137-142的結構

Figure 40.熒光探針143-146的結構

Figure 41.熒光探針144對COX-2的響應

(a).熒光探針144與COX-2作用前后的熒光光譜

(b).腫瘤熒光照片

Figure 42.熒光探針147-148的結構

Figure 43.熒光探針149-150的結構

Figure 44.熒光探針151-155的結構

7.對轉移酶響應的小分子熒光探針

Figure 45.熒光探針145對GGT的響應

Figure 46.熒光探針157-168的結構

Figure 47.熒光探針169-175的結構

8.小分子熒光探針在臨床上的應用

癌癥手術中的光學成像顯影劑是小分子熒光探針在臨床上最引人注目的應用。對于癌癥治療中的手術介入，最大的挑戰是確定腫瘤和正常組織間的邊界。熒光成像在此領域中已經取得了重大的發展。

Figure 48.應用在醫學領域中的熒光探針結構

Figure 49.雙模態成像探針的結構

【結論與展望】

在過去的幾十年中，小分子酶熒光探針已經在癌癥成像中取得了十分矚目的發展。小分子酶熒光探針可對癌細胞中的酶進行檢測和成像，為癌癥的診斷和治療提供了一個強大的方法。在這篇綜述中，作者總結了這個新興領域的最新發展，包括小分子酶熒光探針的設計策略、癌細胞中酶活性的檢測和成像，以及臨床上的應用。

盡管小分子酶熒光探針已經在癌癥成像中取得了顯著的發展，一些挑戰依然存在，比如如何將科研成果轉化成實際臨床應用。首先，因為酶在癌癥早期診斷中較低的豐度，熒光探針的靈敏度和選擇性需要提高；其次，為了更好地進行體內成像，需要開發紅外探針和雙光子探針，降低熒光背景信號和提高成像穿透深度；最后，需要實現酶活性的定量檢測。

Recent Progresses in Small-Molecule Enzymatic Fluorescent Probes for Cancer Imaging

?(Chem. Soc. Rev., 2018, DOI: 10. 1039/c7cs00862g)

本文由材料人學術組gaxy供稿，材料牛整理編輯。 ?

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu。