靶向成纤维细胞活化蛋白的NIR-I/II荧光成像用于检测肝细胞癌

针对肝细胞癌 (Hepatocellular Carcinoma) 的新型近红外荧光成像研究

肝细胞癌(HCC)是全球范围内发病率第六高、死亡率排名第三的恶性肿瘤。据相关统计,HCC术后复发率高达80%,而肝硬化或纤维化更是超过80%的HCC病例的基础病变背景。因此,HCC的高复发率与术后处理中的潜在肿瘤生病灶密切相关,包括肿瘤间质成分等的残留。然而,目前临床手术中对于肿瘤是否完全切除,多依赖术者经验与术前成像,或者通过冰冻切片检测等方式,这些方法受限于采样不足和肿瘤标记物表达异质性等,难以实现精准、客观的术中评估。

针对这一问题,作者聚焦肝细胞癌肿瘤微环境中的关键成分——癌相关成纤维细胞(Cancer-Associated Fibroblasts,CAFs)。CAFs广泛存在于肿瘤间质中,影响肿瘤的生长、复发、转移以及术后的免疫抑制等。与高度异质性的HCC实体瘤相比,CAFs在遗传学上更稳定且不易发生突变,其主要标志物为成纤维细胞激活蛋白(Fibroblast Activation Protein,FAP),在超过80%的HCC间质样本中高表达,但在正常组织中表达极低。因此,FAP是具有高度专一性和稳定性的肿瘤靶向成像标志物。

为突破现有HCC成像手段的局限性,本文研究提出一种从CAFs视角出发的新型靶向成像策略。通过构建新型基于FAP靶点的近红外(Near-Infrared,NIR)I/II窗口荧光探针(ICG-FAP-TATA),旨在实现对FAP阳性CAFs的精准成像,辅助HCC病灶的检测以及高风险转移区域的可视化,从而为精准治疗提供潜在的技术支持。


研究团队和研究来源

该研究由多家机构的研究人员联合完成,作者团队来自The Fifth Affiliated Hospital of Sun Yat-Sen University、Institute of Automation (Chinese Academy of Sciences)、Shanghai Institute of Materia Medica (Chinese Academy of Sciences)等机构;第一作者包括En Lin、Miaomiao Song等,通讯作者为Jian Li、Zhenhua Hu和Zhen Cheng。论文发表在《European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging》,这一研究的接收日期为2024年9月24日,最终接受日期为2025年1月10日。


研究工作流程详解

1. 探针合成与表征

研究团队设计并合成了一种基于环肽靶标的新型荧光探针ICG-FAP-TATA。合成过程包括:

  • 通过改良传统的FAP靶向肽(FAP-Pep),用1,3,5-Triaacryloyl-Triazinane修饰,实现环化结构。
  • 将环化后的FAP-TATA与近红外荧光分子Indocyanine Green衍生物(ICG-NH2)偶联,得到靶向探针。

成功合成的探针通过激光解吸电离-飞行时间质谱(Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization Time-of-Flight Mass Spectrometry,MALDI-TOF-MS)确认其分子量,纯度通过高效液相色谱(HPLC)测试达到95%以上,探针平均粒径约为11.32纳米,并具有理想的近红外吸收和发射特性。


2. 探针体外验证

在体外试验中,研究团队使用不同FAP表达水平的细胞系进行验证,包括:

  • FAP阴性细胞(HCC细胞系LM3-Luc和LX2细胞)。
  • 转染FAP基因后的FAP高表达细胞(LX2-hFAP)。

探针在FAP高表达的LX2-hFAP细胞中表现出显著的荧光信号,而在阴性对照组中信号显著较弱。这明确了该探针对FAP的高特异性靶向能力。


3. 活体成像实验

进一步的活体实验利用HCC异种移植模型,研究了ICG-FAP-TATA探针的靶向成像能力:

  • 构建含不同FAP表达水平的肿瘤模型,包括高表达组(LM3-Luc + LX2 1:1混合)、中等表达组、低表达组等。
  • 靶向探针通过尾静脉注射,荧光信号在肿瘤区域迅速增强,4天达到峰值,信号持续10天以上。
  • 探针主要积聚在肿瘤、肝脏及肾脏区域,其中高FAP表达组表现显著更高的肿瘤与背景比值(TBR),并与荧光强度呈高度相关性(R2 > 0.8, p < 0.05)。

4. 离体组织成像

研究团队对小鼠和人类HCC新鲜组织进行了离体成像实验:

  • 小鼠模型:通过三种细胞系构建HCC移植肿瘤,与肝脏一同切取,分别孵育ICG-FAP-TATA探针和对照组探针。近红外成像显示,肿瘤区域特异性荧光信号显著增强,对比普通荧光染料,其TBR更高(p < 0.0001)。
  • 人类肿瘤样本:取7例HCC手术患者的肿瘤及邻近组织作为样本,分析血流方向与肿瘤侵袭风险区域的关系。实验发现,该探针在肿瘤血流方向及边缘区域信号显著增强,与已知肿瘤转移机制高度一致。

研究主要发现与结论

  1. 高度靶向性和稳定性
    ICG-FAP-TATA探针对FAP阳性CAFs具有极高的靶向性,并通过体内外实验验证其稳定的成像性能。探针在近红外II窗口(NIR-II,1000–1700 nm)下显示出更优异的TBR表现,相比近红外I窗口(NIR-I,700–900 nm)具有更高的分辨率。

  2. 功能性成像反映生物学行为
    探针能准确体现肿瘤微环境中FAP的表达水平和分布,与肿瘤侵袭、转移风险区域存在高度关联,尤其是在血流方向和肿瘤边缘,这为肿瘤生物行为研究和术中导航提供了新的视角。

  3. 肝硬化背景下的可行性
    实验表明,探针在健康与纤维化肝脏背景下均能实现高效成像,信号稳定,不受肝纤维化的显著影响。


研究价值与意义

本研究构建了一种快速、直观且精准的肝细胞癌成像策略,突破了传统HCC成像以肿瘤实质细胞为主的限制。通过转向肿瘤间质及CAFs这一稳定靶点,不仅实现了更广泛意义上的病灶成像,还为术中高危区域的识别提供了重要工具。此外,本研究的离体组织孵育成像策略在未来可进一步拓展至多种固体肿瘤类型的应用。

ICG-FAP-TATA的设计展示了其在基础研究与临床实践转换中的潜力,尤其是在指导术中决策、评估转移风险以及分析肿瘤生物学行为等方面的应用前景。