IVIS 视角 | 使用生物发光成像实时监测体内葡萄糖摄取
在活体成像技术中，一些新的光学探针及光调控技术的出现，拓展了该技术的应用领域。上期给大家分享了检测活性氧的探针，能够在活体水平监测局部炎症中活性氧自由基(ROS)的释放，以及基于肿瘤微环境中高ROS水平介导的自发光动力效应，实现肿瘤诊疗一体化。
今天给大家分享一篇2019年发表在《Nature Methods》杂志上的文章。作者设计了一种生物发光的探针BiGluc，利用该探针即可在体内、体外实时、无创的长期监测葡萄糖的摄取。
葡萄糖是大多数生物体能量的主要来源，其异常摄取与许多病理条件有关，如肿瘤、糖尿病、神經退行性疾病、非酒精性脂肪性肝炎等。到目前为止，基于18FDG的正电子发射断层成像（PET）仍然是测量葡萄糖摄取的金标准。还没有光学成像技术能够很好的检测该指标。
文章中作者设计了一种可以可视化和定量葡萄糖吸收的光学探针。该探针是基于结合笼状萤光素技术与生物正交‘点击’反应，即可激活的笼状萤光素三芳基膦酯（CLP）与全氟苯基叠氮基修饰的葡萄糖（GAz4）分子之间产生的生物正交点击反应，该反应导致游离萤光素的释放，此时在萤光素酶的存在下，即可产生可量化的生物发光信号，其信号强度与葡萄糖的代谢水平相关。在活体成像中，首先是表达萤光素酶的动物注射CLP, 24小时后注射GAz4，注射后即可使用IVIS 小动物活体成像系统进行成像，如下图所示。
图1. BiGluc.探针的设计策略
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为了研究BiGluc探针在活体水平的应用，文中使用基因工程鼠FVB-luc+/+【该小鼠通过β-actin启动子广泛的表达萤光素酶】来进行评价。在三组FVB-luc+/+小鼠中，首先尾静脉注射CLP溶液，24h后分别灌胃GAz4（BiGluc组)、GAz4+d-葡萄糖(BiGluc+d-葡萄糖组)或PBS(背景组)。
结果显示，d-葡萄糖（1:300 ratio with the GAz4 probe）的竞争能够对BiGluc信号进行抑制，使得信号值下降至背景值。从而成功证明BiGluc探针与天然底物存在竞争（下图a-c）。
为了进一步研究BiGluc和d-葡萄糖的在体内的选择性，作者进行了胰岛素耐受性试验。高水平的胰岛素会导致GLUT4易位到细胞膜，随后组织对d-葡萄糖摄取的增加。因此实验中FVB-luc+/+小鼠静脉注射CLP，24h后注射GAz4 结合 PBS溶液(对照组)或者胰岛素，随后进行生物发光成像，结果显示胰岛素处理组小鼠的信号增加了三倍（下图d）。
图2. 转基因小鼠(FVB-luc+/+)中d-葡萄糖摄取的成像和定量
这些实验结果表明，BiGluc探针可以可靠地用于可视化研究活体水平d-葡萄糖的摄取，并且可以进行定量，从而也提示该探针可用于糖尿病等代谢疾病的研究。
同样，该探针可用于肿瘤葡糖糖摄取的研究。葡萄糖转运蛋白，特别是GLUT1，在多种类型肿瘤发展中起着至关重要的作用。实验中使用裸鼠接种4T1-luc或4 T1-luc-GLUT1−/−细胞，肿瘤生长至体积65mm3，所有的动物注射等量的萤光素，以确保肿瘤的大小和萤光素酶的表达量相同。
如前所示，进行BiGluc探针成像实验。实验结果表明，与对照组相比，4T1-luc-GLUT1−/−发光强度降低38%。同样文中还研究了BiGluc信号是否可以通过化学抑制GLUT1转运体来调节。众所周知，WZB-117是一种小分子的GLUT1可逆抑制剂，能够在不同的癌症中有效地阻止葡萄糖的摄取。结果显示WZB-117处理组，葡萄糖摄取信号减少50%（下图c,d）。同样文中比较了BiGluc 探针和18F-FDG-PET在肿瘤移植体中的应用效果。结果显示 4T1-luc-GLUT1−/-细胞对葡萄糖的摄取量降低，与BiGluc探针成像结果一致（下图e,f）。
图3. 使用BiGluc和18F-FDG探针对肿瘤异种移植模型中d-葡萄糖的摄取进行成像和定量
这些结果都证明了BiGluc探针在研究机体葡萄糖摄取中强大的功能。相信这项技术可以广泛应用于药物研发以及监测与葡萄糖摄取异常相关疾病的发生和进展，如癌症、糖尿病和肥胖等。此外，BiGluc技术扩大了生物发光成像技术可检测的生物分子的范围。在未来，利用新的红移萤光素-萤光素酶组合技术可以进一步提高BiGluc探针灵敏度，将进一步扩大其应用范围。
