Nat. Methods：基于生物发光法实时监测肿瘤细胞中D-葡萄糖的代谢过程

葡萄糖是生物体组织所需能量的重要来源，它的代谢情况是多种疾病的主要标志之一，比如肿瘤、糖尿病和肥胖症等。因此，实现非破坏、非侵入和快速测量组织内葡萄糖的代谢情况是非常重要的。目前，人们主要用¹⁸F-氟代脱氧葡萄糖（¹⁸F-FDG）正电子发射断层扫描（PET）实现葡萄糖的成像检测，但是该方法中使用的仪器价格昂贵，使用的试剂寿命短（110 min），还涉及电离辐射，这可能会对细胞结构和功能造成破坏。另外，人们也提出一些非放射性测定方法进行成像检测，比如受激拉曼散射、质谱和荧光光学成像，其中光学成像试剂是一个重要的因素，比如人们常使用的2-脱氧葡萄糖荧光类似物2-NBDG和6-NBDG，但是这些试剂吸收和发射的是绿光，背景信号高，组织穿透性弱，检测时需要的试剂剂量高。虽然人们也制备了具有近红外荧光（NIR）的2-脱氧葡萄糖复合物，但是它们的分子量与葡萄糖相差很多，不利于在体内模拟葡萄糖的代谢过程。近年来，生物发光成像（bioluminescent imaging, BLI）技术得到人们的关注，它是用荧光素酶（luciferase）基因标记细胞或DNA，利用其产生的荧光素酶与相应底物发生生化反应产生光信号。该技术具有非侵入性、特异性强，无自发荧光，灵敏度高，检测深度可达3~4 cm和可实现精确定量等优点，并且该系统操作简单、费用低廉、不涉及放射性，在实时观察疾病或癌症的发展进程以及药物治疗所产生的反应等方面有不可替代的优势。但是，目前生物发光成像技术在生物代谢过程方面的应用还很有限。

最近，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的Elena Goun教授等人开发了一类新型的“生物发光葡萄糖摄取探针（bioluminescent glucose-uptake probe，BiGluc）”，可用于体外和体内葡萄糖吸收的实时、非侵入性成像。这种方法的灵敏度与常用的¹⁸F-FDG PET示踪剂的灵敏度相当，可作为鉴定新葡萄糖转运抑制剂的工具，在代谢研究和药物开发领域都可以广泛应用。相关工作发表在Nature Methods上。

图1 .基于BiGluc研究D-葡萄糖代谢的机理图。图片来源：Nat. Methods

肿瘤组织的基础代谢水平高，会消耗大量的D-葡萄糖，这对肿瘤组织的生长和转移具有重要作用。BiGluc设计的原理是可激活的笼闭荧光素三芳基膦酯与叠氮基修饰的葡萄糖分子之间的生物正交点击反应，导致游离萤光素的释放，在萤火虫荧光素酶存在下产生可定量检测的生物发光信号。光强越高，则葡萄糖代谢水平越高，更重要的是通过CCD相机传感器即可表征该过程（图1）。具体来说，作者设计了D-葡萄糖叠氮化物（GAz4）和笼闭荧光素三苯基膦（CLP），两者分别注射入实验动物体内，通过生物正交点击反应生成荧光素，然后在荧光素酶作用下产生与D-葡萄糖消耗量成比例的生物荧光。

为了证明该实验的特异性，作者分别在三种细胞（4T1-luc、HT1080-luc和C2C12-luc）内监测了D-葡萄糖的代谢过程（图2）。结果证明检测结果不会受细胞种类影响，并且所用的试剂对细胞没有毒性，不会影响细胞增殖，说明该方法可用于了解不同肿瘤的D-葡萄糖代谢过程，为开发有效治疗癌症的途径提供指导。另外，该监测过程也不会受半胱氨酸、谷胱甘肽的影响，即使加入自然界中不存在的L-葡萄糖光强信号也不会改变。作者还发现利用BiGluc可以筛选葡萄糖转运蛋白的抑制剂，这在研发癌症药物方面具有重要的意义。

图2. 基于BiGluc实现活细胞内D-葡萄糖代谢情况的定量监测和成像。图片来源：Nat. Methods

最后，作者还对比了BiGluc和¹⁸F-FDG-PET在肿瘤异种移植过程D-葡萄糖代谢情况的定量监测和成像，发现两者检测结果灵敏度相当（图3）。

图3. 对比BiGluc和¹⁸F-FDG-PET在肿瘤异种移植过程D-葡萄糖代谢情况的定量监测和成像。图片来源：Nat. Methods

总结

Elena Goun教授等研究者开发了一种新的生物发光法首次实现了在生物体内实时监测肿瘤细胞D-葡萄糖的代谢过程，检测灵敏度与¹⁸F-FDG PET相当。该方法还可以从肿瘤扩展到许多其他因细胞功能障碍导致的人类疾病，比如糖尿病、神经退行性疾病、肥胖病等。更重要的是该方法操作简单，价格便宜，在临床应用中具有重要的意义。就如Goun教授本人所说：“这些结果是令人兴奋的，我们为开发超敏感成像平台打下了基础，该平台可以量化许多重要物质的代谢过程，这些物质在很多种人类疾病中发挥着重要作用，为提供更有效的治疗方法奠定基础”^[1]。

Elena Goun教授。图片来源：EPFL / EurekAlert ^[1]

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Bioluminescent-based imaging and quantification of glucose uptake in vivo

Nat. Methods, 2019, DOI: 10.1038/s41592-019-0421-z

参考内容：

1．Shedding light on cancer metabolism in real-time with bioluminescence

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-05/epfd-slo052019.php

（本文由Sunshine供稿）