受萤火虫的启发!科学家通过生物发光实时监测癌症代谢
2019/06/10
受萤火虫的启发。科学家们通过肿瘤发出生物荧光来实时定量糖代谢。


当遇到困难时,去亲近大自然吧! 神奇的自然界总会给你新的启发。联邦洛桑理工学院(Ecole Polytechnique Federale de Lausanne,EPFL)生物有机化学和分子成像实验室的化学家Elena Goun受萤火虫发光的启发,发明了一种新的成像技术能够实时监测量化糖代谢,能够帮助了解肿瘤代谢的最新情况和开发有效的癌症治疗方法。该研究结果发表在《Nature Methods》杂志上。


DOI:10.1038 / s41592-019-0421-z

Goun 表示:“我们想开发一种工具来实现更有效的癌症治疗。新的成像技术让我们能够实时量化糖的代谢量,提供肿瘤代谢相关的有价值信息,以及分析可能剥夺肿瘤主要能量来源的药物类型。”

萤火虫的启发

Goun和她的团队从萤火虫发光的方式中找到了灵感,将其与“点击化学”结合起来。“点击化学”是化学生物学的一个分支。在“点击化学”中,生物相容的分子被设计“点击”在一起,在复杂的生物体环境中可以直接发生特定的反应。


Elena Goun图片来源:EPFL

由于癌症代谢率较高,因此需要消耗大量的糖。糖的代谢是癌症生长和转移很重要的燃料,但由于缺乏具体可操作的工具,人们对这一过程知之甚少。

Goun计划设计两种点击分子,一种是糖分子,另一种是“笼状”荧光素分子。这种发光化合物在萤火虫体内很常见。一旦被标记的糖分子被肿瘤吃掉,它就会通过“点击”反应与这种“笼状”荧光素发生相互作用,产生与进入细胞的糖量成比例的生物荧光。

她将萤火虫成像技术命名为BiGluc,即“生物发光葡萄糖”的缩写。

“吃”多少糖,发多少光

以一只带有荧光素酶标记肿瘤的老鼠为例。表达荧光素酶的肿瘤是通过从患者体内取出癌性肿瘤样品制成的。研究人员用荧光素酶(一种产生生物发光的氧化酶)对肿瘤细胞进行化学标记。让这些标记过的细胞在小鼠中生长,以了解癌症的基本情况,从而进行有效的癌症治疗。

接下来,在小鼠中注射第一种化合物,这种化合物在血液中不易分解。二十四小时后,注入第二种化合物,该化合物仅在特定的条件下才能与第一种化合物反应。


两种化合物之间的反应产生生物发光, 但只发生在表达荧光素酶的肿瘤代谢糖的地方。将CCD相机传感器指向身体,就可以获得肿瘤代谢水平的快照。产生的生物发光与代谢糖的量成正比。

BiGluc成像助力癌症治疗

BiGluc可用于了解不同肿瘤的代谢需求,为产生新的、有效的治疗开辟道路。这种新的光探针不具有放射性, 可以在活体上工作,只需两针注射和一个摄像头就能够获知肿瘤的最新糖代谢情况。

Goun说:“我们的新型光学成像技术具有很高的临床适用性。它是非放射性的,高度敏感并且可量化。值得注意的是,这些试剂多年来都是稳定的,发光可以被观察好几个小时。”

由于BiGluc的广泛性, 它还可以从癌症扩展到许多其它病理学上具有功能障碍的重要细胞。 因此, BiGluc 能在检测一些疾病中的代谢变化起着关键作用,如糖尿病、神经退行性疾病、非酒精性脂肪性肝炎等。

令人兴奋的是,Goun团队已经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代谢物的摄取,这些代谢物在多种人类疾病中发挥着核心作用。或许在不久的将来,很多癌症将会得到更加有效的治疗。

参考资料:

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

[2] Bioluminescent-based imaging and quantification of glucose uptake in vivo

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