用于NIR-II成像和术中肿瘤切除的高灵敏度PSMA荧光探针

前列腺根治切除术是治愈局限性前列腺癌最有效的方法之一，也是早期患者的首选治疗方案。但是由于肿瘤呈浸润性生长，边界不规则，与周围组织之间没有明显界限，而且前列腺周围的血管神经丰富且复杂，因此在手术过程中仅通过目视检查很难对肿瘤进行精准地切除，容易导致切缘阳性、尿失禁等后遗症，严重影响患者的预后以及后续的生活质量。与传统的成像手段相比，近红外二区（NIR-II，1000 nm - 1700 nm）荧光成像技术具有成像所需时间短、可实时反馈成像信号、成像分辨率高、无放射性等优点，十分适合术中导航。前列腺特异性膜抗原（PSMA）是一种在前列腺癌的细胞膜上过度表达的跨膜蛋白，其过表达水平与病情的分期成正相关。综上所述，开发一种能够准确靶向于PSMA的NIR-II荧光探针将会对前列腺癌的治疗具有重要的现实意义。

近日，北京师范大学的崔孟超（点击查看介绍）团队报道了基于谷氨酸-脲基-赖氨酸（Glu-urea-Lys）药效团的NIR-II荧光探针PSMA-1092（图1a），用于前列腺根治切除术中的术中导航。该化合物基于D-A-D结构骨架，分别选取具有强拉电子能力的双苯并噻二唑基团和强推电子的N,N-二甲氨基基团作为电子受体与供体，形成较强的ICT效应。得益于其具有的共轭结构，探针PSMA-1092在DMSO溶液中的发射波长为1095 nm (图1b)，处于NIR-II窗口，且水溶性强，符合活体成像的要求。经过连续30分钟的激发光照射，PSMA-1092溶液的荧光强度未出现明显变化 (图1c)，表现出了优良的稳定性。体外竞争结合实验表明，PSMA-1092对PSMA亲和性很高 (K_i = 80 pM) 且生物相容性优良 (完全水溶)，适用于活体成像。经尾静脉注射 (2.5 mg/kg) 4小时后可对肿瘤与周围组织进行有效区分 (图1d)。注射12小时后，瘤肉比可达峰值 (7.62 ± 1.05)，并可持续保持较高水平。注射24小时后，在实时成像的引导下，作者对小鼠身上的肿瘤进行了精准切除 (图1e)。在手术过程中，肿瘤的荧光信号强度与正常组织的对比度高，肿瘤边界清晰。此外NIR-II成像还成功地检测到手术中被目视检查漏掉的微小肿瘤，证明了其实时反馈肿瘤残余情况与具体位置的能力。PSMA-1092光学性质优良，对PSMA具有极高的亲和性，在动物层面的实验中可对肿瘤进行高分辨率成像并精准定位，具有较好的临床转化前景。

图1. a, NIR-II荧光探针PSMA-1092结构；b, PSMA-1092在DMSO溶液中的激发与发射光谱；c, PSMA-1092在DMSO溶液中的稳定性实验；d, PSMA-1092在荷瘤鼠 (babl/c, LNCaP)中的NIR-II成像图；e, 在PSMA-1092实时成像的引导下进行的肿瘤精确切除。

此外，作者观察到PSMA-1092对溶液环境的pH有灵敏的响应。当溶液环境从中性转变为酸性时，其光学性质出现明显的变化，溶液颜色由原本的蓝绿色转变为粉红色 (图2a)，荧光波长从原本的1092 nm跨越到620 nm处 (图2b)，且620 nm处的荧光强度随酸性的增强而增强 (图2c)。核磁滴定实验 (图2e) 发现，随着氘代三氟乙酸含量的增加，苯环与N-烷基链上氢的化学位移向低场出现明显的移动，表明其周围电子云密度出现下降。由此，作者推断N-烷基链中的氮原子在酸性环境中出现质子化是导致化合物光学性质出现剧烈变化的原因。关于其pH响应的研究目前仍在进行中。

图2. a-c, 自然光(a)，365 nm紫外灯(b)与NIR-I成像(c)中不同pH溶液中的PSMA-1092；d, PSMA-1092在酸性环境下的质子化；e, 核磁滴定谱图。

这一成果近期发表在Journal of Medicinal Chemistry 上，北京师范大学博士研究生张龙飞与中国科学院自动化研究所史小静为共同一作。

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Visualizing Tumors in Real Time: A Highly Sensitive PSMA Probe for NIR-II Imaging and Intraoperative Tumor Resection

Longfei Zhang, Xiaojing Shi, Yuying Li, Xiaojiang Duan, Zeyu Zhang, Hualong Fu, Xing Yang, Jie Tian, Zhenhua Hu*, and Mengchao Cui*

J. Med. Chem., 2021, DOI: 10.1021/acs.jmedchem.1c00444

导师介绍

崔孟超

https://www.x-mol.com/groups/Cui_Mengchao