医学“黑科技”来袭:靶向荧光探针
精观医疗 · 2019/06/18
靶向荧光探针能够在术中实时点亮癌细胞,帮助医生判断肿瘤边界和发现转移灶,这一概念也被称为荧光引导手术(fluorescence-guided surgery,FGS)。

在过去几十年中,分子影像技术的发展大大提高了肿瘤诊治的能力,传统医学影像技术一般基于生物体本身的物理特性或解剖学特征,缺乏特异性。而分子影像技术则借助分子水平的改变进行成像,能够特异性反映肿瘤细胞的功能属性。目前,分子成像技术主要包括核素成像(如PET和SPECT)、核磁共振和光学成像等。我们主要关注光学成像,即荧光分子探针。

术中导航

手术是实体瘤治疗的基础,但在过去的几十年中,手术技术并未发生根本改变,外科医生主要依赖术中的主观评估(如组织结构、颜色和触感等)来区分肿瘤组织和周围正常组织,不可避免地会导致肿瘤残留或对正常组织的过度切除。

手术残留和预后不良以及癌症复发息息相关,而过度切除则可能伤害周围正常组织。因此判断肿瘤边界十分重要。靶向荧光探针能够在术中实时点亮癌细胞,帮助医生判断肿瘤边界和发现转移灶,这一概念也被称为荧光引导手术(fluorescence-guided surgery,FGS)。


图1:世界首例荧光导航卵巢癌切除术(ref.1)

小编觉得这个技术真的非常酷!

早癌诊断

在我国,消化道恶性肿瘤的发病率和死亡率远高于世界平均水平。早期消化道癌症其实并不可怕,预后良好,治疗后 5 年的生存率高达 90%。内镜是消化道早癌诊断的主要工具,但现有的内镜检查技术并不能满足胃肠癌诊断的临床需要,早癌诊断率不足 20%。

图2:EMI-137探针可提高结直肠病变的检出率(ref.2)

现有内镜检查的主要问题包括:内镜活检依赖医生的经验,容易漏检早期微小病变;白光检查深度有限,仅能探测表面病变。

靶向荧光探针可特异性点亮病变细胞,帮助医生发现容易疏漏的病变,提高早癌的检出率。

探针设计

靶向荧光探针通常由三部分组成:识别基团(recognition element)、报告基团(fluorophore)和连接体(linker)。识别基团决定了探针的选择性和特异性,报告基团决定了其灵敏度,而连接体则可以调节探针的大小、药代动力学、生物分布和带电情况等特性。

识别基团是探针最核心的部分,主要有两种识别策略:一是利用癌细胞表面过表达的受体,如叶酸受体和 EGFR 等;二是利用肿瘤组织中过表达的酶,如组织蛋白酶(cathepesins)和基质金属蛋白酶(MMPs)等,这些酶往往和肿瘤的扩散和转移有关。


图3:靶向荧光探针设计策略。A:探针结构 B:基于配受体结合的探针 C:基于酶激活的探针(ref.3)

近红外荧光

靶向荧光探针多采用近红外荧光(NIR,700-900nm),如 ICG、Cy5 和 IRDye800CW 等。与可见光相比,NIR 荧光组织穿透性好(5-10mm)、散射小、背景荧光低,更适合临床在体成像。

另外,人们也致力于开发波长更长的荧光,从 NIR I 区(700-900nm)到 NIR II 区(1000-1700nm)。

临床研究现状

吲哚菁绿(ICG)是目前唯一一个被批准用于临床的 NIR 荧光,主要应用于血管和淋巴造影、前哨淋巴结鉴定和肝脏外科手术等。但 ICG 本身并不具有肿瘤靶向性。

目前,BLZ-100、OTL38、EMI-137 和贝伐单抗-IRDye800CW 等靶向荧光探针已进入临床研究,其中 OTL38 针对卵巢癌的临床试验已进入III期,此外还有一系列探针正在临床前开发中。虽然分子荧光探针还面临着仪器适配、临床监管审批和临床试验设计等种种挑战,但未来这一技术将彻底改变癌症外科手术和早癌诊断的现状。

接下来,我们将向大家介绍首个进入临床试验的荧光探针。

“黑科技”解读 | 首个进入临床试验的靶向荧光探针

叶酸(folicacid)也称维生素 B9,女性在备孕和怀孕期间需要补充叶酸,以预防胎儿畸形。叶酸是 DNA 合成与复制、细胞分裂等重要途径所必需的物质。因此,叶酸对快速分裂的细胞尤为重要,如肿瘤细胞。

今天小编要向大家隆重介绍它的受体,也就是叶酸受体(folate receptor,FR),细胞主要依赖叶酸受体摄入叶酸。

叶酸受体

叶酸受体有 α、β 和 γ 三个亚型,其中 FR-α 在多种人类肿瘤中过表达,如卵巢癌(90% 的卵巢癌过表达 FR-α)、乳腺癌、宫颈癌、肺癌和肾细胞癌等;而在正常细胞中表达量低,主要表达于输卵管和子宫内膜等组织。

因此人们可以利用 FR-α 在肿瘤细胞和正常细胞上表达的差异,将叶酸或叶酸类似物与标记物(如放射性核素、荧光染料等)偶联形成示踪剂,将其注入体内,就能与 FR-α 特异性结合,选择性地标记肿瘤细胞。

叶酸本身就是人体必需的物质,利用叶酸制成的靶向荧光探针在安全性和生化特性上有着天然的优势,从这个角度看小编觉得叶酸受体这个靶点真的非常优秀,忍不住要点个赞!

EC17

EC17 是第一代基于叶酸受体的靶向荧光探针,也是首个进行人类试验的靶向荧光探针,由叶酸偶联异硫氰酸荧光素(FITC)构成。

在一项卵巢癌临床试验中【ref.1】,研究者将该探针用于术中实时探测肿瘤,结果表明,EC17 的特异性高达 100%,也就是说所有过表达 FR-α 的恶性肿瘤均有荧光;而不表达 FR-α 的肿瘤或良性肿瘤则没有荧光。另外荧光图像能帮助医生发现更多肿瘤病灶,数量约为可见光的 5 倍。


图 4:EC17 引导的卵巢癌切除术 b/c 术中设备;d/f 可见光;e/g 荧光 【ref.1】

但由于 FITC 不是近红外荧光,组织穿透性较差,难以探测到较深的病灶,另外也容易受到健康组织自发荧光的影响。为了克服这些问题,研究者开发了第二代荧光探针——OTL38。

OTL38

OTL38 由叶酸和 S0456 近红外荧光染料组成,荧光可探测的深度达 1-2 厘米。目前已经开展了多项临床试验,来验证 OTL38 在多种癌症中的应用。

OTL38 临床试验一览:

其中,针对卵巢癌的研究已进入临床 III 期。在一项 II 期研究中【ref.4】,研究人员在 OTL38 的引导下共切除了 83 处病变,其中 62 处为恶性病变,阳性率为 75%,值得注意的是,这其中又有 29% 的恶性病变无法通过普通可见光观察到,表明 OTL38 可以提高肿瘤病灶的检出率。


图 5:OTL38 可在术中实时点亮卵巢癌转移瘤【ref.4】

读到这里,小编相信聪明的你肯定已经注意到,在这项研究中 OTL38 有 25% 的假阳性率,也就是说有些带有荧光的组织并不包含肿瘤细胞。研究人员在子宫和输卵管这些健康组织中观察到了微弱的荧光。另外,大部分患者的淋巴结也有强烈的荧光,其中大多数淋巴结不包含转移瘤,可能是由于 OTL38 与表达 FR-β 的巨噬细胞结合导致的。

OTL38 针对肺癌的研究也已进入临床 II 期,FR-α 在 85% 的肺腺癌中高表达。除了靶向荧光探针外,叶酸还可以作为载体,将抗肿瘤药物特异性递送至叶酸受体呈阳性的肿瘤细胞中。生活中常见的叶酸补充剂竟然在肿瘤诊治中有这么多妙用,肯定让你刮目相看!

接下来我们将推出系列文章,详细介绍各种靶向荧光探针,深入解读临床试验结果,敬请关注。

参考文献:

[1] Dam, G. M. van et al. Nature Medicine 17, 1315–1319 (2011).

[2]Burggraaf, J. et al. Nature Medicine 21, 955–961 (2015).

[3]Garland, M., Yim, J. J. & Bogyo, M. Cell Chemical Biology 23, 122–136 (2016).

[4] Hoogstins, C. E. S. et al. Clin Cancer Res 22, 2929–2938 (2016).

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