譚蔚泓院士課題組發文：小分子熒光探針應用于癌癥成像

據世衛組織估計，到2035年全世界每年將有2400萬新癌癥病例和1450萬癌癥相關死亡案例。在與癌癥相關的死亡中，如果可以早期診斷出癌癥，約30%的人會有獲救的希望。因此對癌癥早期準確的診斷對于增加治愈癌癥和提高癌癥存活率的幾率是非常重要的。癌癥相關生物標志物的臨床檢測在癌癥診斷和治療方面具有重要意義。

異常的酶活性與癌癥的發展有直接的關系，因此在活的癌細胞中識別這些酶的位置和表達水平對于早期癌癥診斷監測和治療具有相當重要的意義。目前，小分子熒光酶探針已成為生物系統中酶活性檢測和成像的有力工具，其具有較高的靈敏度、無損快速分析和實時檢測的能力。由于其結構上的精確性，許多小分子酶熒光探針可以根據不同的需求而被設計開發出來，例如用于實時跟蹤和觀察活的癌細胞和活體中的不同種類的酶。

  近日，湖南大學張曉兵教授（通訊作者）和譚蔚泓院士課題組在Chem. Soc. Rev.上，發表了題為"Recent Progress in Small-Molecule Enzymatic Fluorescent Probes for Cancer Imaging"的綜述。 在這篇綜述中，作者總結了針對酶的小分子熒光探針在癌癥成像中的發展。文章首先闡述了小分子熒光探針在癌細胞中傳感和成像的優勢，以及強調了小分子熒光探針在癌細胞酶活性檢測和成像中的應用和設計策略。隨后，作者討論了小分子酶熒光探針在臨床上的應用和性能，并進一步重點介紹了這個新興領域的挑戰和機會。

圖1 基于底物的策略的一般結構機理示意圖

1.    小分子熒光酶探針的設計策略

大多數小分子酶促熒光探針都是基于與酶的活性位點包括催化位點和結合位點)的特異性相互作用而設計的。酶具有區分不同底物之間微小差異和催化底物特異性反應的能力。酶抑制劑則是另一種能與高親和力的酶特異性結合，降低酶活性的分子。根據探針與酶相互作用的機理，將小分子熒光酶探針的設計策略分為底基策略和非底基策略。

通過將底物基團附著到熒光團上產生基于底物的探針，熒光團的光譜特性在酶活性變化后發生改變。在過去的幾年里，對底物酶探針進行了有效的研究。大多數的酶探針都是基于這種策略來檢測和成像酶的活性。常規的基于底物的熒光探針特征是由兩個部分組成:熒光團及其相應的識別組。由于連接物與熒光團之間的化學鍵不再局限于酰胺鍵，因此對于熒光團的選擇也得到了改善。此后，許多研究報道了自毀型連接子在熒光酶探針設計中的重要性。

非基于底物的酶探針主要依賴于酶及其抑制劑或天然配體的高親和力。典型的非基于底物的酶探針一般有三種組分：結合基團以共價或非共價方式與酶的活性位點相互作用；防止活性位點周圍熒光團的立體位阻的柔性連接器；以及可視化熒光團。

天然配體探針已經充分證明了其顯著的優勢，然而只有一小部分酶具有特定的天然肽配體，這也限制了天然配體探針的開發。另外，一個有效的抑制劑通常對其目標酶具有很高的親和力和特異性。因此，當適當的抑制劑與不和靶標相互作用的適當熒光團連接時，就可以開發出高效的、特異的抑制探針用于檢測和成像活癌細胞中各種酶活性。

圖2 非基于底物的酶探針的策略的一般結構機理示意圖

圖3 小分子熒光酶探針設計的響應機制

2.    小分子熒光酶探針在癌癥成像中的應用

基于上述設計策略，大量的小分子熒光酶探針被有效地設計和構建。此外它們還被廣泛應用于生物傳感、生物成像以及生物醫學診療，包括用于水解酶的小分子熒光探針，其中包括磷酸酶、羧酸酯水解酶、糖苷水解酶、蛋白酶以及一些雙水解酶特異性小分子熒光酶探針。

這些酶大多與癌癥的產生和發展相關。例如磷酸酶是一種結構多樣的信號酶，可以從核酸、蛋白質和碳水化合物等不同的基質中除去磷酸基。磷酸酶作為調節多種細胞信號通路的重要分子開關，其異常活動會導致不受控制的增殖、分化、和轉移，這些都與許多癌癥有關；亦或糖基化修飾常常導致癌細胞中糖蛋白的表達、代謝、功能、特性、穩定性和細胞定位發生改變。

因此，異常的糖基化被認為是癌癥的一個標志。在原發性卵巢癌和衰老細胞中都有報道發現β-gal異常聚集，可作為原發性卵巢癌和衰老的重要生物標志物。

圖4 堿性磷酸酶（ALP）小分子探針

圖5 β-gal探針結構

圖6 亮氨酸氨基肽酶探針

另一種是用于氧化還原酶的小分子熒光探針，包括酪氨酸酶、單胺氧化酶、硝基還原酶（NTR）及硫氧還蛋白還原酶等等。酪氨酸酶是一種氧化酶可以控制黑色素生成。該酶主要參與黑素合成的兩種不同反應，被認為是黑色素瘤癌細胞的生物標志物。此外，酪氨酸酶的異常水平也可能導致白癜風和帕金森病；NTR是可以將NADPH為電子源，將硝基芳香族化合物還原為相應的胺的一種酶。

在實體瘤中，NTR水平與缺氧程度直接相關。因此，NTR水平的檢測可用于評估腫瘤的低氧程度。這種酶的還原被廣泛應用于設計低氧靶向和成像熒光探針。

圖7 用于酪氨酸酶的小分子熒光探針

圖8 NTR探針用于A549腫瘤模型小鼠體內熒光成像

最后一種是用于轉移酶例如γ-谷氨酰轉移酶（GGT）的小分子熒光酶探針。GGT是一種細胞-膜結合轉移酶，能催化γ-谷氨酰基官能團從谷胱甘肽（GSH）等分子轉移到氨基酸、肽或水等合適的受體，其在谷胱甘肽的合成降解循環中起著關鍵作用。由于癌細胞高度依賴半胱氨酸，而GGT介導的細胞外GSH代謝產生半胱氨酸使腫瘤細胞具有生長和生存的優勢。

目前已經發現過表達的GGT水平與一些種類的人類癌細胞有關。有研究表明，GGT可能通過調節細胞內氧化還原代謝促進腫瘤進展、侵襲和耐藥。因此，GGT可被視為癌癥的診斷標志物和治療靶點。由于GGT在生理和病理過程中的重要作用，因此對生物樣品中GGT活性的檢測和成像具有重要意義。