本文要点:前列腺特异性膜抗原(prostate -specific membrane antigen, PSMA)是原发性和转移性前列腺肿瘤细胞膜上过表达的一种II型跨膜糖蛋白,PSMA的表达水平与前列腺癌分期和Gleason评分呈正相关,因此,PSMA可作为一种评估PCa(前列腺癌)的有效生物标志物。
现如今尽管已经开发出几种治疗前列腺癌的药物,根治性前列腺切除术仍然是最有效的治疗方法和早期患者的首选,但是前列腺癌(PCa)由于其复杂的解剖结构,在保留癌旁组织的同时对肿瘤进行精确切除是一个挑战。前列腺特异性膜抗原(prostate -specific membrane antigen, PSMA)是原发性和转移性前列腺肿瘤细胞膜上过表达的一种II型跨膜糖蛋白,PSMA的表达水平与前列腺癌分期和Gleason评分呈正相关,因此,PSMA可作为一种评估PCa(前列腺癌)的有效生物标志物。近年来已经开发出了一些针对前列腺特异性膜抗原(PSMA)进行光学成像的探针,如CY7-3、CY7-2和L16(图1a),它们在磷酸盐缓冲液(PBS)中的发射最大波长分别为767、767和800 nm,这些探针存在着近红外一区(NIR-I)探针固有的缺点,例如穿透组织能力差,分辨率有限。近红外二区 (NIR-II,1000-1700 nm)成像自体荧光水平较低,光子散射小,穿透能力强、具有高时空分辨率和高灵敏度的特点,可以显著提高成像质量,可用于肿瘤切除术中导航。
作者在本文中设计、合成了一种带有两个前列腺特异性膜抗原(PSMA)结合基元的探针(PSMA-1092),该探针具有优异的光学性能(λmax= 1092 nm),对PSMA具有超高亲和力(Ki= 80 pM)。采用PSMA-1092探针进行小鼠NIR-II成像,可以高分辨率显现肿瘤(TNR= 7.62±1.05),边缘清晰,然后,作者将PSMA-1092用于小鼠前列腺肿瘤切除术中导航,在肿瘤切除过程中,NIR-II成像可对肉眼检查遗漏的残余肿瘤进行实时成像检测。总的来说,PSMA-1092在描绘肿瘤边缘和检测残余肿瘤方面表现良好,在临床实践中显示了精确切除PCa肿瘤的潜力。
图1:(a)以前报告的PSMA荧光探针的结构。蓝色表示结合基序,紫色表示NIR-I区的荧光团。(b)新设计的NIR-II PSMA探针的结构。
考虑到供体-受体-供体(D−A−D)核心结构以及合适的电子受体和电子供体部分是获得NIR-II近红外二区荧光探针的关键因素,作者选择苯二联体(1,2,5-噻二唑)部分作为优良的电子受体,共轭二甲基苯胺作为电子供体。以两个((S)5-氨基-1-羧基)氨基甲酰)- l -谷氨酸(Glu-urea-Lys)作为与PSMA特异性结合的基团,通过酰胺键与荧光团部分结合,增强了探针与PSMA的亲和力(图1b),此外,Glu-urea-Lys基团上的三个羧基也使探针具有较强的亲水性,显著提高了探针在水溶液中的溶解度,PSMA-1092探针的合成路线如下(方案1)。
方案1:试剂和条件:(a)丙烯酸、乙酸(20% in H2O),100℃,隔夜,94.5%; (b)叔丁醇、DCC、DMAP、CH2Cl2,室温,隔夜,43.2%;(c)六丁基二锡烷, Pd(PPh3)4,甲苯,N2, 120℃, 2 h;(d) 4,7-二溴-5,6-二硝基苯并[c][1,2,5]噻二唑,PdCl2(PPh3)2,甲苯,N2, 120℃,2 h, 7.7%;(e)铁粉,醋酸,100℃,30分钟,36.2%;(f) PhNSO, TMSCl,干吡啶,80°C,过夜,27.2%;(g) TFA, CH2Cl2,室温,4 h, 100%;(h) 2,3,5,6-四氟苯酚,DCC, CH2Cl2,室温,5 h, 67.4%;(i)二叔丁基(((S)-6-氨基-1-(叔丁基)-1-氧己基-2-基)氨基甲酰)- l –谷氨酸,Et3N, CH2Cl2,室温,6 h, 61.3%。
PSMA-1092探针由于D-A-D结构中强烈的分子内电荷转移(ICT)效应,其荧光发射峰在1092 nm处测得(DMSO,图2a,b),该峰位于近红外二区,为了验证PSMA-1092的光稳定性,将其二甲基亚砜溶液暴露于激光(727nm,10W)进行30分钟的连续辐射,没有观察到明显的光降解(图2c),表明其出色的光稳定性。在PBS中测得PSMA-1092的量子产率为6.66%,这对于近红外二区成像来说是足够高的。利用近红外成像系统,在不同的滤光片下进一步比较了PSMA-1092在PBS中的近红外荧光信号。PSMA-1092溶液在1000和1200nm LP滤光片下可见,而在1300或1400纳米滤光片下未检测到信号(图2d)。考虑到在1000nmLP滤光片下的荧光信号比其他滤光片更强,选择1000nmLP滤光片用于进一步的体内近红外二区成像。总的来说,该探针具有良好的荧光发射波长、较大的Stokes位移和优异的光稳定性,在体内NIR-II近红外二区成像方面具有很大的潜力。
图2:(a) PSMA-1092的光学特性。在DMSO中最大吸收(λex1)和发射(λem1)波长。PBS中测量的量子产量。在酸性水溶液(pH = 2.66)中测定吸收光谱(λex2)和发射光谱(λem2)。Ki(受体亲和力指数)通过LNCaP细胞(人前列腺癌细胞)裂解液的抑制实验测定。Pka(结合常数)是根据Boltzmann曲线计算的。(b) PSMA-1092 (10 μM)在DMSO中的紫外-可见-近红外吸收光谱和荧光发射光谱。(c) PSMA-1092 (10 μM)在727 nm连续激光照射DMSO中的光稳定性。(d) PSMA-1092 (0.43 mM)在PBS中与各种LP滤光片的NIR-II成像。白色虚线勾画出了不可见的溶液。
此外,作者观察到PSMA-1092的荧光性质在不同pH值的溶液中发生了显著变化(图3a,b),肉眼可以观察到PSMA-1092溶液暴露在酸性溶液中,在自然光下由青色变为亮粉色(图3c),在365 nm紫外光下(图3d)或在NIR-I成像中(图3e)可以观察到荧光逐渐增加。荧光光谱显示,荧光极大值从1092 nm蓝移至620 nm,且随着溶液酸度的增加,620nm处的荧光强度随着溶液酸度的增加而大大提高(图3a,b),当溶液pH从7变到0.3时,PSMA-1092溶液的荧光强度增加了85倍。此外,PSMA-1092在620 nm处的荧光强度图与pH值的Boltzmann曲线拟合良好(R2= 0.9984),计算得到pKa为1.95(图3b)。PSMA-1092的pH响应突出了其在更广泛领域的应用潜力,比如在非侵入性测量胃液pH值时,从NIR-II区域到NIR-I区域的巨大波长位移可以有效地避免原始波长的影响,从而提高了检测精度,进一步的pH响应应用作者仍在研究当中。
为了进一步测试PSMA-1092的体内性能,我们使用皮下LNCaP(人前列腺癌细胞)荷瘤小鼠(n = 3)进行NIR-II成像。尾静脉注射PSMA-1092(剂量为2.5毫克/千克体重),在不同的时间点(1、2、4、6、8、12、24 h,图4) (792nm激光激发,100 mW / cm2 功率密度 )(1000 nmLP滤光片,50 ms曝光时间)进行NIR-II成像。如图4所示,PSMA -1092在注射后2小时内在肿瘤及周围组织中积累(图4c)。注射后4小时,肿瘤与周围组织区别开来,具有良好的对比度(图4d),并且在随后的时间点保持了高质量图像 (图4e-h),这表明成像性能优异且在小鼠模型中具有高稳定性。为了获得更详细的药代动力学信息,进行了基于近红外图像的肿瘤与正常组织比率(TNR)的半定量分析。由于PSMA-1092在正常组织中的清除速率快于在肿瘤中的清除速率,因此在注射后6小时达到最大肿瘤摄取量,而在注射后12小时获得TNR峰值(7.62±1.05,图4j)。根据劳斯判据,至少需要5的TNR才能100%区分图像特征。在近红外二区成像中,PSMA-1092的TNR值在注射后8小时达到5.99±0.72,并在随后的时间点保持高水平(注射后12小时为7.62±1.05,注射后24小时为6.66±1.48,图4j),TNR值始终高于劳斯判据,可实现高质量的近红外二区成像。为了验证PSMA-1092对PSMA的特异性,我们进一步对荷瘤小鼠进行了阻断实验(每组n=3)。联合注射2-PMPA(一种强效和选择性的谷氨酸羧肽酶II抑制剂,IC50=300 pM,34.3 mg/kg体重)和PSMA-1092 (2.5 mg/kg体重)后于选定时间点获得NIR-II图像(792 nm激光激发,1000 nm LP滤光片,50 ms曝光时间)。只注射PSMA-1092 (2.5 mg/kg体重)的荷瘤小鼠作为对照,如图4k所示,在阻断组中,活体小鼠的大部分肿瘤信号可被2-PMPA抑制,半定量分析表明,注射后6 h,对照组的TNR值远高于阻断组(图4m),进一步的离体成像显示,联合注射2-PMPA和PSMA1092后,来自肿瘤和肾脏的荧光信号被成功降低(图4l)。这些结果很好地证明了PSMA-1092是PSMA的特异性配体,具有超高的亲和力,满足了NIR-II探针的成像需求。
为了验证PSMA-1092在肿瘤切除手术中进行精确荧光图像导航的可行性,作者选择活体LNCaP(人前列腺癌细胞)荷瘤小鼠在麻醉下进行肿瘤切除试验。根据上述影像数据,选择在尾静脉注射PSMA-1092 (2.5 mg/kg体重) 24 h后作为手术的最佳时间窗,以获得最低背景信号。在整个手术过程中,小鼠以0.4 L/ min的速度被异氟醚和氧气联合气体麻醉,在NIR-II近红外二区导航下切除肿瘤,整个过程由显像仪记录。首先,解剖肿瘤区域周围皮肤,暴露肿瘤(图5b,c)。半定量分析显示,切除覆盖皮肤后,TNR值增加(从7.95增加到9.81,图5n)。然后切除肿瘤(图5d,f,g),肉眼检查认为肿瘤已完全切除。但周边仍可见强烈的荧光信号(图5i), TNR值为5.48(图5n),提示手术边缘仍有遗漏的残余肿瘤。在NIR-II荧光成像引导下,进一步切除残余肿瘤(图5j),同时尽可能保持健康组织,切除后TNR值降至3.12(图5n)。但扩大切除后,剩余组织中仍能检测到荧光信号(图5j)。进一步检查发现漏诊的微小肿瘤(图5k,l,红色箭头所示),再进一步切除肿瘤,影像学检查未见残留荧光信号(TNR = 2.97,图5m,n)。苏木精和伊红(H&E)染色的组织学研究表明,切除的肿瘤是低分化癌。总的来说,PSMA-1092探针具有出色的肿瘤描绘能力,在肿瘤切除术中导航方面具有临床转化潜力。
参考文献
Zhang Longfei et al. Visualizing Tumors in Real Time: A Highly Sensitive PSMA Probe for NIR-II Imaging and Intraoperative Tumor Resection.[J]. Journal of medicinal chemistry, 2021
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