IVIS 視角 | 使用生物發光成像實時監測體內葡萄糖攝取
在活體成像技術中，一些新的光學探針及光調控技術的出現，拓展了該技術的應用領域。上期給大家分享了檢測活性氧的探針，能夠在活體水平監測局部炎癥中活性氧自由基(ROS)的釋放，以及基于腫瘤微環境中高ROS水平介導的自發光動力效應，實現腫瘤診療一體化。
今天給大家分享一篇2019年發表在《Nature Methods》雜志上的文章。作者設計了一種生物發光的探針BiGluc，利用該探針即可在體內、體外實時、無創的長期監測葡萄糖的攝取。
葡萄糖是大多數生物體能量的主要來源，其異常攝取與許多病理條件有關，如腫瘤、糖尿病、神經退行性疾病、非酒精性脂肪性肝炎等。到目前為止，基于18FDG的正電子發射斷層成像（PET）仍然是測量葡萄糖攝取的金標準。還沒有光學成像技術能夠很好的檢測該指標。
文章中作者設計了一種可以可視化和定量葡萄糖吸收的光學探針。該探針是基于結合籠狀螢光素技術與生物正交‘點擊’反應，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）分子之間產生的生物正交點擊反應，該反應導致游離螢光素的釋放，此時在螢光素酶的存在下，即可產生可量化的生物發光信號，其信號強度與葡萄糖的代謝水平相關。在活體成像中，首先是表達螢光素酶的動物注射CLP, 24小時后注射GAz4，注射后即可使用IVIS 小動物活體成像系統進行成像，如下圖所示。
圖1. BiGluc.探針的設計策略
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為了研究BiGluc探針在活體水平的應用，文中使用基因工程鼠FVB-luc+/+【該小鼠通過β-actin啟動子廣泛的表達螢光素酶】來進行評價。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)。
結果顯示，d-葡萄糖（1:300 ratio with the GAz4 probe）的競爭能夠對BiGluc信號進行抑制，使得信號值下降至背景值。從而成功證明BiGluc探針與天然底物存在競爭（下圖a-c）。
為了進一步研究BiGluc和d-葡萄糖的在體內的選擇性，作者進行了胰島素耐受性試驗。高水平的胰島素會導致GLUT4易位到細胞膜，隨后組織對d-葡萄糖攝取的增加。因此實驗中FVB-luc+/+小鼠靜脈注射CLP，24h后注射GAz4 結合 PBS溶液(對照組)或者胰島素，隨后進行生物發光成像，結果顯示胰島素處理組小鼠的信號增加了三倍（下圖d）。
圖2. 轉基因小鼠(FVB-luc+/+)中d-葡萄糖攝取的成像和定量
這些實驗結果表明，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。葡萄糖轉運蛋白，特別是GLUT1，在多種類型腫瘤發展中起著至關重要的作用。實驗中使用裸鼠接種4T1-luc或4 T1-luc-GLUT1−/−細胞，腫瘤生長至體積65mm3，所有的動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量相同。
如前所示，進行BiGluc探針成像實驗。實驗結果表明，與對照組相比，4T1-luc-GLUT1−/−發光強度降低38%。同樣文中還研究了BiGluc信號是否可以通過化學抑制GLUT1轉運體來調節。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。結果顯示WZB-117處理組，葡萄糖攝取信號減少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用效果。結果顯示 4T1-luc-GLUT1−/-細胞對葡萄糖的攝取量降低，與BiGluc探針成像結果一致（下圖e,f）。
圖3. 使用BiGluc和18F-FDG探針對腫瘤異種移植模型中d-葡萄糖的攝取進行成像和定量
這些結果都證明了BiGluc探針在研究機體葡萄糖攝取中強大的功能。相信這項技術可以廣泛應用于藥物研發以及監測與葡萄糖攝取異常相關疾病的發生和進展，如癌癥、糖尿病和肥胖等。此外，BiGluc技術擴大了生物發光成像技術可檢測的生物分子的范圍。在未來，利用新的紅移螢光素-螢光素酶組合技術可以進一步提高BiGluc探針靈敏度，將進一步擴大其應用范圍。
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生物發光成像
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