英文原题:Visualizing Efficacy of Antineoplastic Drug via Ratiometric Near-Infrared Fluorescence Imaging of Tumor-Associated Macrophage-Specific Nitric Oxide
通讯作者:李平、唐波,山东师范大学
作者:Chuanchen Wu (武传琛), Fanghui Zhang (张芳慧), Yuantao Mao (毛元涛), Xinru Qi (齐心汝), Xin Wang (王昕), Wen Zhang (张雯)
背景介绍
肿瘤相关巨噬细胞(Tumor-associated macrophages, TAM)是组成肿瘤微环境的重要成员,具有抑制抗肿瘤免疫、加深肿瘤细胞耐药性和促进肿瘤细胞增殖、转移的作用。尽管目前开发了多种靶向抑制TAM的抗肿瘤药物,但疗效大多不尽如人意。开发更多有效的靶向TAM的抗肿瘤药物对于癌症的治疗具有重要意义。然而,复杂且耗时的药物疗效评价方法阻碍了它们的发展。因此,开发简单、快速的药物疗效评估工具对于抗肿瘤药物的开发和筛选是至关重要的。一氧化氮(Nitric oxide, NO)在低浓度(pM-nM)下具有抗炎作用,但在高浓度(μM)下会引起亚硝化应激并抑制炎症过程。研究表明,TAM可通过改变细胞内NO的浓度来调控肿瘤内部的免疫系统,从而刺激或抑制抗肿瘤免疫应答。因此,TAM内的NO水平变化可以作为抗肿瘤药物疗效评估的可靠指标,然而目前尚未报导相应的研究工具。
荧光成像技术能够对生物活性分子进行无创、实时、动态、精确和灵敏的检测。其中,近红外(Near-infrared, NIR)荧光成像技术是应用于深层组织药物疗效评价的有力手段。尽管基于NO特异性探针的荧光成像方法已经被广泛应用于细胞及活体内NO的成像研究中,但是目前检测NO的NIR成像材料无法实现TAM的精准靶向,不能分辨TAM和其它细胞中的NO浓度变化。为了解决上述问题,亟需开发TAM特异性的NO NIR荧光成像新方法,但仍然具有挑战性。
文章亮点
近日,山东师范大学唐波教授课题组在Chem. Biomed. Imaging上发表了关于肿瘤相关巨噬细胞内NO比率近红外荧光成像方法用于抗癌药物疗效评价的研究工作。在该工作中,作者将能够特异性识别NO的比率型NIR荧光探针Cy-NO封装于修饰有TAM靶向肽的脂质体中,构建了能够靶向成像TAM内NO的材料TAM-Cy-NO。TAM-Cy-NO可以通过脂质体表面的TAM靶向肽(M2pep, YEQDPWGVKWWY)靶向TAM,随后Cy-NO与细胞中的NO发生特异性反应,导致比例荧光信号(I610/I815)发生变化,从而实现了TAM内NO的定量检测(图1)。
图1. TAM-Cy-NO的成分组成以及NO识别原理示意图
Cy-NO在与NO反应后,最大吸收峰由525 nm红移至650 nm。在550 nm激光激发下,Cy-NO与NO反应后815 nm处的荧光发射强度降低,而610nm处的荧光发射强度升高。荧光强度比率(I610/I815)与NO浓度变化呈现较好的线性关系。同时,Cy-NO响应NO的选择性极好,并且在多种常见活性氧存在下,Cy-NO依然可以不受影响地对NO产生特异性响应。TAM-Cy-NO的粒径约为100 nM,光谱性质与Cy-NO一致,未发生明显变化(图2)。
图2. TAM-Cy-NO 的荧光光谱性质
TAM-Cy-NO用于TAM内的NO水平监测的性能考察。当TAM中NO水平升高,610nm处(绿色通道)的荧光发射强度升高,而815 nm处(红色通道)的荧光发射强度降低,I610/I815值升高;当TAM中的NO被清除,I610/I815值升降低(图3)。TAM-Cy-NO可以成功用于TAM内的NO浓度变化检测。
图3. TAM-Cy-NO用于TAM内的NO水平监测的性能考察
细胞水平上,将TAM-Cy-NO用于抗癌药物疗效评价。分别使用索拉菲尼、伊布替尼和二甲双胍处理TAM后,TAM-Cy-NO观察各组细胞中的NO浓度变化。结果表明伊布替尼和二甲双胍的疗效较好,与疗效相关的活性分子PD-L1和TNF-α的表达量呈现相同的变化趋势(图4)。该实验结果证明基于TAM-Cy-NO的疗效评价方法能够应用于抗癌药物疗效评价中,为药物的筛选和开发提供有效信息。
图4. TAM-Cy-NO用于细胞中的抗癌药物疗效评价
最后,在小鼠肝癌模型中使用基于TAM-Cy-NO的药物疗效评价方法评估了索拉菲尼、伊布替尼和二甲双胍的药物疗效。其中,伊布替尼和二甲双胍组的小鼠I610/I815值相比对照组和索拉菲尼组的升高,提示具有更好的治疗效果。小鼠肿瘤尺寸变化显示经过伊布替尼和二甲双胍处理的小鼠肿瘤体积明显变小(图5)。上述结果表明伊布替尼和二甲双胍是具有较强应用潜力的靶向抑制TAM的抗肿瘤药物。
图 5. 在小鼠肿瘤模型中应用基于TAM-Cy-NO的抗癌药物疗效评价方法
总结/展望
综上所述,该工作设计并合成了一种比率型TAM特异性的NO近红外成像探针TAM-Cy-NO。它可以特异性靶向TAM,并显示出对NO的优异的选择性。基于TAM中NO浓度的变化,成功开发了抗肿瘤药物的疗效评价方法。随后,作者在体外和体内评估几种抗肿瘤药物(伊布替尼、二甲双胍、索拉非尼和PLX-3397)的抗肿瘤作用。实验结果证明,伊布替尼和二甲双胍可以增加TAM内部的NO产生,导致TAM介导的肿瘤免疫耐受性降低,抑制肝癌细胞的增殖。该工作创建的基于TAM-CyNO的成像策略可以揭示TAM的关键信息,为TAM的研究提供了有力工具。
相关论文发表在高质量期刊Chemical & Biomedical Imaging上,山东师范大学博士研究生武传琛和硕士研究生张芳慧为文章的共同第一作者,李平教授和唐波教授为通讯作者。
通讯作者信息
李平 教授
李平,山东师范大学教授,博士生导师,享受国务院政府特殊津贴,国家百千万人才工程入选者,国家有突出贡献中青年专家,泰山学者,教育部“长江学者和创新团队发展计划”创新团队带头人,山东省有突出贡献的中青年专家等。李平教授多年来致力于疾病相关生物标志物的光学成像分析,探究抑郁症、癌症等重大疾病分子机制及诊疗一体化试剂的开发。研究结果为与疾病相关生物标志物的成像分析提供了新材料与新方法,有助于推动抑郁症、癌症等重大疾病发生发展的分子机制及早期诊疗研究。相关研究成果已在Chem. Soc. Rev.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Sci.、Anal. Chem.、Chem. Commun. 等国际重要的学术刊物上面发表论文80余篇,其中影响因子5.0以上80余篇,10.0以上20余篇,论文总引用达3000余次。
李平教授主页连接:
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唐波 教授
唐波,山东师范大学教授、博士生导师,南开大学兼职教授,山东大学兼职博士生导师,教育部科技委学部委员,首届十佳全国优秀科技工作者提名奖获得者(山东省唯一),973计划首席科学家,国家杰出青年科学基金获得者,“新世纪百千万人才工程”国家级人选,入选“泰山学者攀登计划”,是国家自然科学基金委员会第12、13届专家组成员,农药、医药中间体清洁生产教育部工程研究中心主任,“分子与纳米探针”教育部重点实验室主任,山东省“十二五”分析化学特色强化重点学科负责人,山东省“十二五”高等学校强化建设太阳能化学转化与储存重点实验室学术带头人,山东省精细化学品清洁合成重点实验室学术带头人;山东师范大学省级化学学科带头人、分析化学学科带头人,化学博士学位授权一级学科负责人,化学博士后科研流动站负责人,他所领导的团队是教育部“长江学者和创新团队发展计划”创新团队和山东省优秀创新团队。现主要从事分子及纳米荧光探针的合成及其在生物成像中的应用、绿色化工、荧光材料合成及太阳能化学转化与储存等方面研究工作。在理论研究领域,在Nat.Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Nano Lett., ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Anal. Chem., Biomaterials, Lab Chip, Chem.Commun.等杂志发表SCI论文500余篇,影响因子大于5.0的300余篇,引用达20000余次,荣获国家自然科学二等奖1项,山东省自然科学奖一等奖1项。在应用研究方面,申请国家发明专利44项,已授权31项;荣获国家科技进步奖二等奖2项,山东省科技进步奖一等奖2项、技术发明奖一等奖1项。在国内建立高新技术产业化基地与合作基地6个,研制与开发产品40余种。主持国家重点基础研究发展计划(973)、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金科学仪器基础研究专项等多项国家级项目。
唐波教授主页链接:
http://www.tangb.sdnu.edu.cn/
转自:“ACS美国化学会”微信公众号
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