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恒光讲堂|肾排泄型荧光多肽探针用于红外二区活体肿瘤成像

来源:上海恒光智影医疗科技有限公司   2021年02月23日 11:59  

 本文要点:作者开发了一款新型多肽CP,可靶向肿瘤干细胞标志物CD133,将其与近红外荧光探针偶联后(CP-IRT),该探针在小鼠体内实现了有效地肿瘤靶向,其肿瘤与正常组织的信噪比大于8,此外,得益于多肽的修饰,该探针可以在6小时内被肾脏代谢87%。


基于配体-受体介导的分子识别肿瘤生物标志物靶向探针在体内成像、癌症早期诊断和靶向治疗方面越来越受到人们的关注,作为小分子界面配体,多肽具有细胞穿透性,低免疫原性,高生物相容性和易于合成的特点。如今,可以生产具有特定结合特性的肽,使其具有与多种靶标(包括癌症生物标志物蛋白)的结合特性。与抗体相比,多肽可以提供相似的高亲和力和选择性,而无需复杂的结构,并且在较小的尺寸和更快地从体内清除方面具有优势,多肽也可用于与抗体不兼容的有机溶剂中的化学反应。研究表明,在NIR-II窗口(1000-1700 nm)中发射更长波长的荧光探针可以从减少的光散射中受益,从而可以使生物组织的成像深度更深。NIR-II荧光成像还受益于组织自发荧光的减少,在亚厘米成像深度具有高信噪比的情况下还可以提高空间分辨率。到目前为止,NIR-II荧光团已包括无机纳米材料(碳纳米管,量子点和稀土纳米颗粒)以及聚合物或脂质体包裹的疏水有机染料,这些纳米探针缺乏快速排泄的能力。基于纳米粒子的NIR-II显像剂大部分保留在肝脏和脾脏中,并通过粪便途径缓慢排出,较长的保留时间导致了长期的安全隐患。基于以上,作者开发了一款新型肽CP(图1a)用于靶向肿瘤标志物CD133受体,与D-A-D型染料通过点击化学偶联后,可以快速通过肾脏排泄。

 

图1:a)CP的化学结构:b)对CD133进行CP的SPRi检测;c)CP配体和CD133受体的分子对接模拟示意图;d)FITC标记的CP(绿色通道)和PE标记的CD133抗体(红色通道)与HT-29细胞核指示剂Hoechst33342(蓝色通道)共定位。

 

作者首先研究了探针的细胞成像性能。利用等离子体金芯片,作者验证CP-IRT探针的CD133的靶向性,如图2a所示,CD133阳性细胞系HT-29和U87MG细胞荧光均强于CD133阴性细胞系HEK293T,这表明CP-IRT探针对CD133的亲和力较高,体外细胞成像进一步证实了这个结论(如图2b所示)。

 

图2:a)等离子体金芯片法用于检测CP-IRT的靶向性能;b)CP-IRT对CD133阳性细胞系HT-29和U87MG以及CD133阴性细胞系HEK293T细胞成像实验。

 

作者随后进行了动物体内成像实验。利用HT-29移植瘤小鼠模型,尾静脉注射探针后,在初始阶段便可以观察到小鼠的血管(图3a),在两小时后,肿瘤/正常组织信噪比达到大(T/NT≈8.3),而不修饰靶向肽的Free-IRT探针则不能有效富集于肿瘤组织(图3d),预先注射阻断剂量的CP肽使得CD1333受体被饱和,随后注射探针,同样在两小时成像时发现肿瘤的荧光信号降低,这说明CD133受体被饱和。

 

图3:a)静脉注射CP-IRT并在808 nm激光激发下,利用1200 nm长通滤光片对CD133+肿瘤小鼠在不同时间点进行成像;b)荷瘤的C57BL/6小鼠的光学数码照片,蓝色边框是NIRⅡ成像视图;c)注射CP-IRT后2h整个小鼠体内的荧光强度分布图,包括肝脏和肿瘤;d)CP-IRT与Free IRT的T/NT信噪比随时间变化的曲线;e)仅由CP肽阻断后,对CP-IRT注射后第2h进行NIR-II成像。

 

作者对探针的排泄行为进行研究。在注射探针后,NIRⅡ成像显示大多数探针由膀胱排泄,如图4a所示,在第370s时膀胱显示出荧光信号,在150s时可以观察到小鼠两个尿道的荧光信号(图4b),从而实现了尿道无创成像,为未来研究动物尿道疾病提供了工具。作者对比了多肽偶联探针与抗体偶联探针的肾脏排泄性能。作者将CP-IRT的排泄行为与蛋白质和抗体偶联的IRT的排泄行为进行了比较,相对于分子量约100 kDa的肽,抗体是大型的功能蛋白。作者发现IRT染料与抗体和较小的蛋白质(如牛血清白蛋白(BSA))结合可导致肝脏高摄取而无肾脏排泄(图4c)。动态光散射测量(图4d)显示CP-IRT尺寸约为5 nm(在肾脏排泄范围内),而BSA-IRT尺寸约为25 nm,远高于肾脏滤过界限。因此,具有小的有机NIR-II染料的多肽偶联探针显示出从主要器官中快速清除的优势,而没有在RES系统中长期保留的问题,而这通常是用抗体染料探针或基于纳米颗粒的荧光团所常见的。

 

图4:a)静脉注射CP-IRT后仰卧位小鼠的视频速率NIR-II成像(1200 nm LP,200 ms);b)注射CP-IRT后进行高分辨尿道成像;c)静脉内注射蛋白结合型IRT后对仰卧位的小鼠的视频速率NIR-II成像(1200 nm LP,200 ms);d)IRT,CP-IRT和蛋白质-IRT的动态光散射测量

参考文献

Wang W , Ma Z , Zhu S , et al. Molecular Cancer Imaging in the Second Near-Infrared Window Using a Renal-Excreted NIR-II Fluorophore-Peptide Probe.[J]. Advanced Materials, 2018:e1800106.

 

 

NIR-II in vivo imaging system 

高灵敏度 - 采用Princeton Instruments深制冷相机,活体穿透深度高于15mm

荧光寿命 - 分辨率优于 5us
多模态系统 - 可扩展X射线辐照、荧光寿命、一区荧光成像、原位成像光谱,CT等
 

 

上海恒光智影医疗科技有限公司,专注于红外二区成像技术。致力于为生物医学、临床前和临床应用等相关领域的研究提供*的、一体化的成像解决方案。自主研发的红外二区小动物活体荧光成像系统-MARS。

同时,恒光智影还具备探针研发能力,我们已经成功研发了超过15种探针,这些探针将广泛地应用于众多生物科技前沿领域的相关研究中。

 

 

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