IVIS 視角 | 使用生物發(fā)光成像實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)體內(nèi)葡萄糖攝取
在活體成像技術(shù)中，一些新的光學(xué)探針及光調(diào)控技術(shù)的出現(xiàn)，拓展了該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。上期給大家分享了檢測(cè)活性氧的探針，能夠在活體水平監(jiān)測(cè)局部炎癥中活性氧自由基(ROS)的釋放，以及基于腫瘤微環(huán)境中高ROS水平介導(dǎo)的自發(fā)光動(dòng)力效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)腫瘤診療一體化。
今天給大家分享一篇2019年發(fā)表在《Nature Methods》雜志上的文章。作者設(shè)計(jì)了一種生物發(fā)光的探針BiGluc，利用該探針即可在體內(nèi)、體外實(shí)時(shí)、無創(chuàng)的長期監(jiān)測(cè)葡萄糖的攝取。
葡萄糖是大多數(shù)生物體能量的主要來源，其異常攝取與許多病理?xiàng)l件有關(guān)，如腫瘤、糖尿病、神經(jīng)退行性疾病、非酒精性脂肪性肝炎等。到目前為止，基于18FDG的正電子發(fā)射斷層成像（PET）仍然是測(cè)量葡萄糖攝取的金標(biāo)準(zhǔn)。還沒有光學(xué)成像技術(shù)能夠很好的檢測(cè)該指標(biāo)。
文章中作者設(shè)計(jì)了一種可以可視化和定量葡萄糖吸收的光學(xué)探針。該探針是基于結(jié)合籠狀螢光素技術(shù)與生物正交‘點(diǎn)擊’反應(yīng)，即可激活的籠狀螢光素三芳基膦酯（CLP）與全氟苯基疊氮基修飾的葡萄糖（GAz4）分子之間產(chǎn)生的生物正交點(diǎn)擊反應(yīng)，該反應(yīng)導(dǎo)致游離螢光素的釋放，此時(shí)在螢光素酶的存在下，即可產(chǎn)生可量化的生物發(fā)光信號(hào)，其信號(hào)強(qiáng)度與葡萄糖的代謝水平相關(guān)。在活體成像中，首先是表達(dá)螢光素酶的動(dòng)物注射CLP, 24小時(shí)后注射GAz4，注射后即可使用IVIS 小動(dòng)物活體成像系統(tǒng)進(jìn)行成像，如下圖所示。
圖1. BiGluc.探針的設(shè)計(jì)策略
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為了研究BiGluc探針在活體水平的應(yīng)用，文中使用基因工程鼠FVB-luc+/+【該小鼠通過β-actin啟動(dòng)子廣泛的表達(dá)螢光素酶】來進(jìn)行評(píng)價(jià)。在三組FVB-luc+/+小鼠中，首先尾靜脈注射CLP溶液，24h后分別灌胃GAz4（BiGluc組)、GAz4+d-葡萄糖(BiGluc+d-葡萄糖組)或PBS(背景組)。
結(jié)果顯示，d-葡萄糖（1:300 ratio with the GAz4 probe）的競爭能夠?qū)iGluc信號(hào)進(jìn)行抑制，使得信號(hào)值下降至背景值。從而成功證明BiGluc探針與天然底物存在競爭（下圖a-c）。
為了進(jìn)一步研究BiGluc和d-葡萄糖的在體內(nèi)的選擇性，作者進(jìn)行了胰島素耐受性試驗(yàn)。高水平的胰島素會(huì)導(dǎo)致GLUT4易位到細(xì)胞膜，隨后組織對(duì)d-葡萄糖攝取的增加。因此實(shí)驗(yàn)中FVB-luc+/+小鼠靜脈注射CLP，24h后注射GAz4 結(jié)合 PBS溶液(對(duì)照組)或者胰島素，隨后進(jìn)行生物發(fā)光成像，結(jié)果顯示胰島素處理組小鼠的信號(hào)增加了三倍（下圖d）。
圖2. 轉(zhuǎn)基因小鼠(FVB-luc+/+)中d-葡萄糖攝取的成像和定量
這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，BiGluc探針可以可靠地用于可視化研究活體水平d-葡萄糖的攝取，并且可以進(jìn)行定量，從而也提示該探針可用于糖尿病等代謝疾病的研究。
同樣，該探針可用于腫瘤葡糖糖攝取的研究。葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，特別是GLUT1，在多種類型腫瘤發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用。實(shí)驗(yàn)中使用裸鼠接種4T1-luc或4 T1-luc-GLUT1−/−細(xì)胞，腫瘤生長至體積65mm3，所有的動(dòng)物注射等量的螢光素，以確保腫瘤的大小和螢光素酶的表達(dá)量相同。
如前所示，進(jìn)行BiGluc探針成像實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與對(duì)照組相比，4T1-luc-GLUT1−/−發(fā)光強(qiáng)度降低38%。同樣文中還研究了BiGluc信號(hào)是否可以通過化學(xué)抑制GLUT1轉(zhuǎn)運(yùn)體來調(diào)節(jié)。眾所周知，WZB-117是一種小分子的GLUT1可逆抑制劑，能夠在不同的癌癥中有效地阻止葡萄糖的攝取。結(jié)果顯示W(wǎng)ZB-117處理組，葡萄糖攝取信號(hào)減少50%（下圖c,d）。同樣文中比較了BiGluc 探針和18F-FDG-PET在腫瘤移植體中的應(yīng)用效果。結(jié)果顯示 4T1-luc-GLUT1−/-細(xì)胞對(duì)葡萄糖的攝取量降低，與BiGluc探針成像結(jié)果一致（下圖e,f）。
圖3. 使用BiGluc和18F-FDG探針對(duì)腫瘤異種移植模型中d-葡萄糖的攝取進(jìn)行成像和定量
這些結(jié)果都證明了BiGluc探針在研究機(jī)體葡萄糖攝取中強(qiáng)大的功能。相信這項(xiàng)技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于藥物研發(fā)以及監(jiān)測(cè)與葡萄糖攝取異常相關(guān)疾病的發(fā)生和進(jìn)展，如癌癥、糖尿病和肥胖等。此外，BiGluc技術(shù)擴(kuò)大了生物發(fā)光成像技術(shù)可檢測(cè)的生物分子的范圍。在未來，利用新的紅移螢光素-螢光素酶組合技術(shù)可以進(jìn)一步提高BiGluc探針靈敏度，將進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。
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生物發(fā)光成像
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