荧光探针点亮的生命科学世界 湖南大学张晓兵教授和谭蔚泓院士课题组Chem. Soc. Rev.: 小分子荧光探针在癌症成像中的应用

【引言】

根据WHO公布的数据，到2035年，全球将会产生2400万个癌症新病例以及1450万个癌症相关死亡。在这些癌症相关的死亡中，有大约30%的患者是可以通过早期诊断挽救的，因此也说明了癌症早期诊断和靶向治疗在提高患者存活率中的重要性。

癌症相关生物标记物的检测在临床诊断上有广泛的应用。在这些癌症相关的生物标记物中，酶因为在许多生理、病理和药理过程中的重要作用而受到了广泛的关注。前期的研究也已经证明酶活性的异常与多种癌症息息相关：谷氨酰转肽酶在肝癌等多种癌症中有很高表达；碱性磷酸酶在骨癌中活性显著增加。因此，这些酶在肿瘤细胞中的定位以及表达水平对癌症的早期诊断和治疗疗效有很大的影响。很多成像技术已经被开发且被应用到这类酶的检测和成像中，比如磁共振成像(MRI)、核成像、正电子发射断层成像(PET)和荧光成像。每一种成像技术都不可替代，并在灵敏度、成像深度和分辨率上都有自己的特点。MRI在活细胞中对低含量的酶缺乏足够的特异性和灵敏度；SPECT和PET具有较高的灵敏度，但分辨率却不尽如人意。

基于小分子荧光探针的荧光成像技术已被广泛用于活细胞多个动态过程的可视化和量化中，可实现高灵敏度和快速无损的实时检测。小分子荧光探针因为结构的可修饰性，因此可以订制各种各样的探针来实现细胞和活体内原生环境中酶的实时检测和成像。

【成果简介】

近日，湖南大学张晓兵教授（通讯作者）和谭蔚泓院士课题组在Chem. Soc. Rev.上，发表了题为"Recent Progress in Small-Molecule Enzymatic Fluorescent Probes for Cancer Imaging"的综述。

在这篇综述中，作者总结了针对酶的小分子荧光探针在癌症成像中的发展。文章首先阐述了小分子荧光探针在癌细胞中传感和成像的优势，以及强调了小分子荧光探针在癌细胞酶活性检测和成像中的应用和设计策略。随后，作者讨论了小分子酶荧光探针在临床上的应用和性能，并进一步重点介绍了这个新兴领域的挑战和机会。

【图文导读】

1.小分子酶荧光探针的设计思路

大多数小分子酶荧光探针的设计是基于与酶活性部位的特异性作用，活性部位包括催化位点和结合位点。根据探针与酶作用的机理，小分子酶荧光探针可分为基于底物的小分子酶荧光探针和非基于底物的小分子酶荧光探针。基于底物的小分子酶荧光探针是将底物与荧光团相连，与酶作用后光谱性质发生变化；非基于底物的小分子酶荧光探针由三部分组成：以共价方式和非共价方式可与酶活性位点结合的基团，荧光团和两者之间的连接物。

Figure1.基于底物的小分子酶荧光探针的结构与机理

Figure2.非基于底物的小分子酶荧光探针的结构与机理

Figure3.共价结合和非共价结合的非基于底物的小分子酶荧光探针

为了使荧光信号（波长或者强度）在目标酶的作用下发生变化，多种信号转化机理被应用在酶探针作用当中，比如分子内电荷转移(ICT)、荧光共振能量转移(FRET)、激发态分子内质子转移(ESIPT)、光致电子转移(PET)、结构变化和分子内运动受限等。

Figure4.小分子酶荧光探针的响应机理

2.对磷酸酶响应的小分子荧光探针

磷酸酶是一类可以去除核酸、蛋白质和碳水化合物等不同基质中磷酸基团的信号酶。磷酸酶作为重要的分子开关可调节多种细胞信号通路。磷酸酶的活性异常与癌细胞的增值、分化和转移有很大的联系，因而对磷酸酶的实时监测在癌症诊疗方面有很重要的意义。

Figure5.碱性磷酸酶荧光探针1-7结构

Figure6. 碱性磷酸酶荧光探针8-10结构

Figure7. 荧光探针11的结构，以及对碱性磷酸酶的检测原理与成像

(a).荧光探针11的结构，以及对碱性磷酸酶的检测原理

(b,c).荧光探针的溶液态检测图

(d).细胞成像

Figure8.荧光探针12的结构

3.对羧酸酯水解酶响应的小分子荧光探针

Figure9.荧光探针13-23的结构

4.对酰蛋白硫酯酶响应的小分子荧光探针

Figure10.荧光探针24-25的结构

5.对糖苷酶响应的小分子荧光探针

糖基化修饰可以发生在细胞的蛋白表达、新陈代谢、功能等方方面面，而糖基化的异常也可认为是癌细胞的特点，因此糖苷酶是十分重要的癌细胞标记物。

Figure11.荧光探针26-36的结构

Figure12.对糖苷酶响应的荧光探针37和38的结构和荧光成像

(a).荧光探针37和38的结构

(b).荧光成像

Figure13.荧光探针39-42的结构

6.对蛋白酶响应的小分子荧光探针

Figure14.对亮氨酸氨肽酶响应的荧光探针

(a).荧光探针43和44的化学结构

(b).亮氨酸氨肽酶的酶谱分析

(c).细胞提取物中存在活跃的亮氨酸氨肽酶

Figure15.荧光探针45-51的结构

Figure16.对氨肽酶N响应的荧光探针52-55的结构

Figure17.对DPPIV和FAP响应的荧光探针56-62的结构

Figure18.荧光探针63-65的结构

Figure19.荧光探针65在肿瘤组织中的双光子成像

Figure20.荧光探针66-71的结构

Figure21.荧光探针72-75的结构

Figure22.荧光探针72-75在MCF-7细胞中对caspase-3的成像

(a-c).荧光探针72在正常的MCF-7细胞中

(d-f).荧光探针72在凋亡的MCF-7细胞中

(g-i).荧光探针72在凋亡的MCF-7细胞中，用抑制剂和caspase抗体处理后的成像

Figure23.荧光探针76-78的结构

Figure24.荧光探针79-82的结构

Figure25.荧光探针83-86的结构

Figure26.荧光探针87-89的结构

Figure27.荧光探针90对CatB的荧光响应和细胞成像

(a).荧光探针90对CatB的响应机理

(b).荧光探针90在MDA-MB-231细胞中的成像

Figure28.CatB可激活的诊疗探针91和92的化学结构

Figure29.荧光探针93-96的结构

Figure30.荧光探针97-103的结构

Figure31.荧光探针104-107的结构

Figure32.荧光探针108-111的结构

7.对氧化还原酶响应的小分子荧光探针

Figure33.荧光探针112-116的结构

Figure34.荧光探针116对络氨酸酶的细胞成像

(a).荧光探针116在不同时间不同细胞中的荧光成像

(b).细胞中荧光强度随时间的变化

(c).络氨酸酶在不同细胞中的活性

Figure35.荧光探针117-123的结构

Figure36.荧光探针124-133的结构

Figure37.荧光探针129的小鼠肿瘤成像

(a,b).荧光探针129在注入小鼠前后的荧光成像

(c).小鼠体内荧光强度随时间的变化

Figure38.荧光探针134-136的结构

Figure39.荧光探针137-142的结构

Figure40.荧光探针143-146的结构

Figure41.荧光探针144对COX-2的响应

(a).荧光探针144与COX-2作用前后的荧光光谱

(b).肿瘤荧光照片

Figure42.荧光探针147-148的结构

Figure43.荧光探针149-150的结构

Figure44.荧光探针151-155的结构

7.对转移酶响应的小分子荧光探针

Figure45.荧光探针145对GGT的响应

Figure46.荧光探针157-168的结构

Figure47.荧光探针169-175的结构

8.小分子荧光探针在临床上的应用

癌症手术中的光学成像显影剂是小分子荧光探针在临床上最引人注目的应用。对于癌症治疗中的手术介入，最大的挑战是确定肿瘤和正常组织间的边界。荧光成像在此领域中已经取得了重大的发展。

Figure48.应用在医学领域中的荧光探针结构

Figure49.双模态成像探针的结构

【结论与展望】

在过去的几十年中，小分子酶荧光探针已经在癌症成像中取得了十分瞩目的发展。小分子酶荧光探针可对癌细胞中的酶进行检测和成像，为癌症的诊断和治疗提供了一个强大的方法。在这篇综述中，作者总结了这个新兴领域的最新发展，包括小分子酶荧光探针的设计策略、癌细胞中酶活性的检测和成像，以及临床上的应用。

尽管小分子酶荧光探针已经在癌症成像中取得了显著的发展，一些挑战依然存在，比如如何将科研成果转化成实际临床应用。首先，因为酶在癌症早期诊断中较低的丰度，荧光探针的灵敏度和选择性需要提高；其次，为了更好地进行体内成像，需要开发红外探针和双光子探针，降低荧光背景信号和提高成像穿透深度；最后，需要实现酶活性的定量检测。

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

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

本文由材料人学术组gaxy供稿，欧洲足球赛事 整理编辑。

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