基于糖苷的核医学成像剂的研发，用于检测癌细胞中的钠-葡萄糖共转运蛋白

《Nursing Clinics of North America》：Development of glycoside-based nuclear medicine imaging agents for the sodium–glucose co-transporters in cancer cells

本研究旨在开发并评估靶向SGLT1和SGLT2的放射性标记糖苷衍生物作为新型癌症成像剂。通过β-阿克托品和替尔泊肽的[125I]标记，发现β-阿克托品在SGLT1高表达细胞中具有更高亲和力，并在体内表现出快速血清除、高肿瘤滞留及优异肿瘤/血液比值，为新型癌症影像诊断提供潜在工具。

　　

作者名单：佐藤カケル、半田リリカ、姚建伟、東野ジンヤ、渡边タイガ、阿部リョウタロウ、浜田ユナ、山形ジュンダイ、桃瀬ユマ、水谷あすか、小林マサト、西井龍一、川井圭一

日本金泽大学医学科学研究生院健康科学系

摘要

引言

钠-葡萄糖共转运蛋白（SGLTs），尤其是SGLT1和SGLT2，在癌细胞对葡萄糖的摄取过程中起着重要作用，并作为新型治疗靶点受到了关注。然而，针对SGLTs的核医学成像剂的开发尚未得到充分探索。本研究旨在开发并评估用于癌症成像的放射性标记的糖苷衍生物，这些衍生物能够靶向SGLT1和SGLT2。

方法

选择β-阿布丁（β-arbutin）作为糖苷化合物进行放射性碘标记，它是甲基-α-D-葡萄糖苷（MDG）的结构类似物，而氟罗辛（phlorizin）是一种SGLT2抑制剂。分别合成了[¹²⁵I]β-阿布丁和[¹²⁵I]氟罗辛。在过表达GLUT1、GLUT3、SGLT1或SGLT2的HEK293细胞中测量了这些化合物的积累情况。随后在LS180和DLD-1癌细胞系中进行了进一步的积累研究，并通过实时聚合酶链反应（PCR）量化了基因表达水平。在携带肿瘤的小鼠体内检测了这两种放射性示踪剂的生物分布。

结果

[¹²⁵I]β-阿布丁对SGLT1和SGLT2具有亲和力，而[¹²⁵I]氟罗辛对SGLT1和GLUT3具有亲和力。[¹²⁵I]β-阿布丁主要在SGLT1高表达的LS180细胞中积累，而[¹²⁵I]氟罗辛主要在GLUT3高表达的DLD-1细胞中积累。在体内实验中，[¹²⁵I]β-阿布丁表现出良好的生物分布特性：在脑部和甲状腺中的积累较低，血液清除速度快，并且在表达SGLT1的肿瘤中肿瘤与血液的比值较高。尽管[¹²⁵I]氟罗辛在脑部和甲状腺中的积累也较低，但其血液清除速度较慢，肿瘤与血液的比值也较低。

结论

[¹²⁵I]β-阿布丁是一种有前景的放射性药物候选物，适用于高表达SGLT1的癌症成像。

引言

葡萄糖是细胞必需的营养物质和主要能量来源。一旦进入细胞，它会通过糖酵解、三羧酸（TCA）循环和氧化磷酸化作用被代谢，最终每个葡萄糖分子可产生多达36个ATP分子[1,2]。由于TCA循环需要氧气，因此在缺氧条件下其效率会降低。在这种情况下，来自糖酵解的丙酮酸会被转化为乳酸，每个葡萄糖分子仅产生2个ATP[2]。值得注意的是，即使在氧气充足的情况下，许多癌细胞也会优先将葡萄糖转化为乳酸——这种代谢转变被称为瓦尔堡效应[1][2][3]。这种适应性使癌细胞能够维持较高的葡萄糖摄取量和快速的糖酵解速率。在临床实践中，这一现象是使用[¹⁸F]氟-d-葡萄糖（[¹⁸F]FDG）进行肿瘤成像的基础[4]。[¹⁸F]FDG通过葡萄糖转运蛋白（GLUTs）被摄取，并由己糖激酶磷酸化；然而，它不会进一步代谢，从而导致在细胞内的积累[5]。然而，GLUTs在正常组织（如大脑）和炎症病变区域也大量表达，导致生理性的或非特异性的[¹⁸F]FDG摄取[6,7]。

除了GLUTs之外，细胞对葡萄糖的摄取还受到钠-葡萄糖共转运蛋白（SGLTs）的调节[8]。与GLUTs的被动转运不同，SGLTs能够主动将葡萄糖与钠离子一起转运到细胞内[8,9]。最近的研究表明，SGLT1和SGLT2与癌症进展有关[10]。SGLT1主要位于小肠上皮细胞的刷状缘，能够促进葡萄糖从肠腔中的主动吸收[9,11]。多项研究表明，包括三阴性乳腺癌、前列腺癌和结直肠癌在内的多种恶性肿瘤中SGLT1的表达水平升高，这可能与表皮生长因子受体信号传导有关[12][13][14]。SGLT2通常在肾近端小管中表达，负责从滤液中重新吸收葡萄糖[15]。最初作为抗糖尿病药物开发的SGLT2抑制剂（如达格列净和卡格列净）在肝细胞癌和结直肠癌模型中表现出抗肿瘤活性，通过抑制葡萄糖摄取和肿瘤生长发挥作用[16][17][18]。尽管SGLTs作为治疗靶点的认识日益增加，但针对SGLTs的成像剂的开发仍有限，这些成像剂可用于观察其体内表达和功能。因此，本研究旨在开发并评估靶向SGLT1和SGLT2的放射性标记糖苷衍生物，作为新型癌症成像工具。

部分内容说明

[¹²⁵I]标记

选择已知对SGLTs具有亲和力的β-阿布丁和氟罗辛作为前体化合物，使用氯胺-T（chloramine-T）方法进行放射性碘标记。具体步骤如图1所示。简要来说，将1 mM的β-阿布丁或氟罗辛溶解在0.1 M盐酸（HCl）中，与0.1 mM的氯胺-T（溶于1/15磷酸盐缓冲盐水中）和3.7 MBq的[¹²⁵I]NaI混合，然后在室温下孵育20分钟。反应结束后加入相当于体积十分之一的饱和钠溶液以终止反应。

结果

[¹²⁵I]β-阿布丁的标记产率为约75%，[¹²⁵I]氟罗辛的标记产率为约70%。这两种示踪剂在4°C下的放射化学纯度在5天内均保持在95%以上。具体数据如下：[¹²⁵I]β-阿布丁的放射化学纯度分别为第1天97.2%、第2天95.8%、第4天95.3%、第5天95.1%、第6天91.9%；[¹²⁵I]氟罗辛的放射化学纯度分别为第1天95.5%、第2天95.3%、第4天95.3%、第5天95.1%、第6天93.4%。HPLC色谱图见图2。

讨论

本研究旨在开发专门针对癌细胞中SGLT1和SGLT2的放射性药物。选择β-阿布丁（MDG的结构类似物）和氟罗辛（已知的SGLT2抑制剂）作为糖苷化合物[20,21]。根据SPECT成像的需求，我们选择了不同的碘同位素：[¹²⁵I]适用于临床前生物分布研究，[¹²³I]适用于临床SPECT成像，[¹²⁴I]适用于PET成像，[¹³¹I]适用于放射性药物治疗。

结论

[¹²⁵I]β-阿布丁对SGLT1和SGLT2具有高亲和力，而[¹²⁵I]氟罗辛不仅与SGLT1结合，还与GLUT3结合。在体内实验中，[¹²⁵I]β-阿布丁表现出良好的药代动力学特性：血液清除速度快，肿瘤滞留能力强，肿瘤与血液的比值以及肿瘤与大肠的比值均较高。相比之下，[¹²⁵I]氟罗辛的清除速度较慢，肿瘤积累量较低。这些结果表明[¹²⁵I]β-阿布丁是一种有前景的放射性药物。

CRediT作者贡献声明

佐藤カケル：撰写初稿、研究、概念构思。半田リリカ：撰写初稿、研究。姚建伟：研究。東野ジンヤ：研究。渡边タイガ：研究。阿部リョウタロウ：研究。浜田ユナ：研究。山形ジュンダイ：研究。桃瀬ユマ：研究。水谷あすか：方法学研究。小林マサト：撰写、审稿与编辑、监督、资源提供、方法学研究、概念构思。西井龍一：资源提供。

资助

本研究部分由日本学术振兴会（Japan Society for the Promotion of Science）的科学研究资助（项目编号：21H028655、22H03016、22K19504、25K02598、25K02599），以及“辐射灾害医学科学联合使用/研究中心”（Network-type Joint Usage/Research Center for Radiation Disaster Medical Science）资助。

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

致谢

作者感谢金泽大学健康科学系的大竹美纪及其他工作人员。本研究利用了日本文部科学省（MEXT）推动先进研究基础设施公共利用项目（核心设施建设支持计划，项目编号JPMXS0440300024）提供的研究设备。