一种葡萄糖化的BODIPY通过GLUT通道在体外和体内模型中靶向癌细胞

《ACS Omega》：A Glucosylated BODIPY Uses the GLUT Channel to Target Cancer Cells in In Vitro and In Vivo Models

荧光探针Glc-BODIPY通过靶向肿瘤细胞高表达的GLUT转运体，在体外（B16-F10和MDA-MB-231细胞系）及体内（斑马鱼胚胎和裸鼠移植瘤模型）均展现出显著的肿瘤特异性标记能力，其作用机制经WZB117抑制剂验证。

　　本研究聚焦于一种新型的荧光探针——Glc-BODIPY的开发，旨在通过将荧光基团与肿瘤靶向分子结合，提高其在癌症生物成像和治疗中的应用潜力。肿瘤细胞具有独特的代谢特征，其中最为显著的是对葡萄糖的高度依赖性，这种现象被称为“瓦尔堡效应”。这一效应使得肿瘤细胞在能量需求增加的情况下，表现出比正常细胞更强的葡萄糖摄取能力。基于这一特性，研究人员将葡萄糖残基与BODIPY荧光探针结合，设计出一种具有肿瘤靶向能力的新型探针，以期在癌症的早期检测和治疗中发挥重要作用。

### 肿瘤靶向策略的现状与挑战

在肿瘤成像和治疗领域，传统的靶向策略通常依赖于对特定表面受体的识别，如EGFR、HER2等。然而，这些受体的表达水平在不同类型的肿瘤中存在显著差异，限制了其广泛应用的可行性。相比之下，葡萄糖转运蛋白（GLUTs）在多种肿瘤中均被发现有显著的高表达，且其表达水平与肿瘤的进展密切相关。因此，基于葡萄糖代谢的靶向策略，不仅具有更广泛的适用性，还能够克服肿瘤异质性带来的识别难题。

在临床实践中，FDG-PET（氟-18标记的2-脱氧葡萄糖正电子发射断层扫描）已被广泛用于肿瘤的检测。该技术利用了肿瘤细胞对葡萄糖的高摄取能力，通过放射性标记的葡萄糖类似物在肿瘤组织中的富集来实现成像。尽管FDG-PET在肿瘤诊断中表现出色，但其存在放射性衰变的问题，限制了其在某些应用中的长期使用。因此，开发一种非放射性的、基于葡萄糖代谢的荧光探针，成为提升肿瘤成像准确性和安全性的重要方向。

### Glc-BODIPY的设计与特性

Glc-BODIPY是一种新型的荧光探针，其核心结构基于BODIPY（4,4-二氟-4-硼-3a,4a-二氮杂-1,2,3,4-四氢吲哚嗪）分子。BODIPY因其优异的光学性能，如高荧光效率、良好的光稳定性以及可调的发射波长，已成为生物成像领域的重要工具。为了增强其肿瘤靶向能力，研究人员在BODIPY的C-3和C-5位置引入了两个代谢稳定的葡萄糖残基，从而赋予该探针与肿瘤细胞表面葡萄糖转运蛋白结合的能力。

通过实验评估，研究人员发现Glc-BODIPY在低葡萄糖条件下表现出更强的肿瘤靶向能力。这与GLUTs在低葡萄糖环境中被上调的生物学现象相吻合。在体外实验中，Glc-BODIPY能够显著地在肿瘤细胞膜上产生荧光信号，而对照探针BODIPY则表现出较低的靶向性，且其信号更倾向于分布在细胞内部。此外，当使用GLUT-1抑制剂WZB117阻断葡萄糖转运时，Glc-BODIPY的荧光信号显著减弱，而BODIPY的信号不受影响，进一步验证了Glc-BODIPY的靶向能力依赖于葡萄糖转运蛋白的参与。

### 体外实验结果

为了进一步验证Glc-BODIPY的肿瘤靶向能力，研究人员选择了两种具有代表性的肿瘤细胞系：小鼠黑色素瘤B16-F10细胞和人类三阴性乳腺癌（TNBC）MDA-MB-231细胞。在高葡萄糖条件下，Glc-BODIPY在10 μM浓度时表现出最强的荧光信号，且该信号主要集中在细胞膜上，而BODIPY则显示出较低的靶向性，且其信号分布不具有特异性。此外，在低葡萄糖条件下，Glc-BODIPY的荧光信号进一步增强，表明其对葡萄糖浓度变化具有敏感性。

在另一组实验中，研究人员通过竞争实验进一步探讨了Glc-BODIPY的靶向机制。在B16-F10和MDA-MB-231细胞中，当使用WZB117抑制葡萄糖转运时，Glc-BODIPY的荧光信号显著降低，而BODIPY的信号不受影响。这一结果表明，Glc-BODIPY的肿瘤靶向能力确实依赖于葡萄糖转运蛋白的介导作用，而非单纯的细胞膜通透性或非特异性摄取。

### 体内实验结果

为了评估Glc-BODIPY在更接近人体环境的模型中的表现，研究人员在两种动物模型中进行了体内实验。首先，他们利用了斑马鱼胚胎模型，将B16-F10细胞注入斑马鱼的延髓或躯干区域，并在注射Glc-BODIPY或BODIPY后，通过光片显微镜对荧光信号进行成像分析。结果表明，Glc-BODIPY在肿瘤区域产生了明显的荧光信号，而BODIPY的信号则较弱，且在某些情况下表现出非特异性分布。

其次，研究人员在小鼠模型中测试了Glc-BODIPY的肿瘤靶向能力。将MDA-MB-231细胞植入小鼠乳腺脂肪垫后，当使用Glc-BODIPY进行静脉注射时，24小时后在肿瘤组织中检测到了显著的荧光信号，而在正常组织中信号较弱。相比之下，BODIPY的信号在肿瘤和正常组织中均未显著增强，表明其缺乏肿瘤特异性。此外，体内实验还发现，Glc-BODIPY在肺、肝和脾等器官中显示出一定程度的积累，而BODIPY则表现出快速的清除趋势，这可能与其缺乏靶向机制有关。

### 体内实验的意义与挑战

体内实验的进行不仅验证了Glc-BODIPY在肿瘤细胞中的靶向能力，还揭示了其在活体环境中的分布特性。然而，研究者也注意到，由于动物处理方式的不同，某些探针的体内分布可能受到干扰。例如，在FDG-PET研究中，由于动物的代谢活动和环境因素，探针的靶向能力可能受到一定程度的影响。因此，如何优化实验条件，减少非特异性信号的干扰，成为进一步提升Glc-BODIPY体内成像效果的关键。

### Glc-BODIPY的潜在应用

Glc-BODIPY的成功开发为癌症的生物成像和治疗提供了新的思路。一方面，其良好的肿瘤靶向能力使其在癌症的早期检测和术中定位中具有重要价值。在手术过程中，医生可以借助荧光成像技术，直观地识别肿瘤边界，从而提高切除的精准度，减少对正常组织的损伤。另一方面，Glc-BODIPY还展现出在光动力治疗（PDT）中的应用潜力。作为一种光敏剂，BODIPY衍生物能够吸收特定波长的光，并在光照射下产生活性氧，从而诱导肿瘤细胞死亡。通过将葡萄糖残基引入BODIPY结构中，研究人员不仅增强了其靶向能力，还可能提高其在肿瘤组织中的积累效率，从而提升光动力治疗的效果。

此外，Glc-BODIPY的开发也为研究者提供了探索其他肿瘤靶向策略的思路。例如，研究人员可以进一步研究如何通过调整探针的结构或引入其他代谢相关分子，以提高其在不同肿瘤类型中的适用性。同时，考虑到肿瘤细胞对葡萄糖的高依赖性，Glc-BODIPY可能在多种癌症类型中均具有良好的成像效果，这为实现癌症的广谱检测提供了可能。

### 未来发展方向

尽管Glc-BODIPY在体外和体内实验中均表现出良好的肿瘤靶向能力，但其在实际应用中的表现仍需进一步优化。例如，探针的荧光效率、在体内的稳定性以及对不同肿瘤类型的适应性，都是未来研究的重要方向。同时，研究人员还需要探索如何通过化学修饰或结构调整，提高其在肿瘤组织中的积累效率，以增强成像的清晰度和灵敏度。

此外，Glc-BODIPY的开发还可能为癌症的靶向治疗提供新的工具。例如，研究人员可以将其他治疗性分子（如化疗药物、放射性同位素或纳米颗粒）与Glc-BODIPY结合，从而实现对肿瘤细胞的精准给药。这种“靶向-治疗”一体化的策略，不仅能够提高治疗效果，还能减少对正常细胞的毒副作用，提高治疗的安全性。

在临床转化方面，研究人员还需要解决探针的生物相容性、毒性以及体内代谢等问题。例如，Glc-BODIPY是否会在体内产生不良反应，是否能够被有效清除以避免长期滞留带来的潜在风险，都是需要进一步研究的内容。同时，为了实现更广泛的应用，研究人员还需要开发适用于不同成像设备的探针版本，以确保其在多种临床场景中的可行性。

### 总结

综上所述，Glc-BODIPY的开发代表了一种新的肿瘤靶向策略，其核心在于利用肿瘤细胞对葡萄糖的高依赖性，通过引入葡萄糖残基，增强探针对肿瘤细胞的识别和标记能力。体外和体内实验均表明，该探针在肿瘤细胞中表现出显著的荧光信号，且其信号强度与葡萄糖浓度密切相关。同时，竞争实验进一步验证了Glc-BODIPY的靶向能力依赖于葡萄糖转运蛋白的参与，而非单纯的细胞膜通透性。

这一成果不仅为癌症的生物成像提供了新的工具，也为肿瘤的精准治疗开辟了新的可能性。未来的研究方向可能包括进一步优化探针的结构和性能，探索其在不同肿瘤类型中的适用性，以及开发其在靶向治疗中的应用。通过不断改进和拓展，Glc-BODIPY有望成为癌症诊断和治疗领域的重要创新之一。