针对乳腺癌术中精准检测的GLUT1靶向近红外荧光分子成像研究

基于GLUT1靶向的荧光成像新型示踪剂:改善乳腺癌术中检测的研究进展

科研背景与问题陈述

乳腺癌是全球女性中最常见的恶性肿瘤之一,2022年全球新增病例高达230万,死亡病例约66.6万。乳腺癌的外科治疗通常分为乳腺保留手术(breast-conserving surgery, BCS)以及乳腺全切术。相比于乳腺全切术,BCS结合术后放疗可以实现相似的局部控制效果,同时最大程度保留正常乳腺组织。然而,实现无肿瘤螺旋边缘(术后切缘不含肿瘤细胞)是BCS成功的关键。研究指出,肿瘤阳性切缘将导致局部复发风险显著增高,阳性切缘的发生率在20-40%之间。为了避免阳性切缘患者的复发及潜在治疗失败,通常需要进行重复手术,这不仅增加了手术风险、成本及心理负担,也可能影响患者的美容结果。

当前,术中评估切缘的主要方法之一是冰冻切片分析。然而,这种方法耗时且存在采样误差。常规放射学手段(如超声检测、X射线标本乳房造影、磁共振成像和CT等)尽管已被应用于术中切缘评估,但这些技术并不特异于癌症细胞,无法实现实时成像。因此,发展一种针对癌症细胞特异性、实时的术中成像技术显得尤为迫切。近年来,基于荧光分子显像(fluorescence molecular imaging, FMI)和癌症特异性示踪剂的光学成像技术为术中切缘评估及精准肿瘤切除带来了新的可能。然而,目前多数光学示踪剂缺乏广泛的肿瘤适用性。

针对这一问题,高葡萄糖摄取和糖酵解代谢已被认为是癌症的特性之一,其转运依赖于细胞膜葡萄糖转运蛋白(glucose transporter, GLUT)。特别是,GLUT1在多种癌症中高表达,因此被认为是乳腺癌手术中荧光成像的潜在新靶标。本研究即旨在开发一种新型GLUT1靶向的近红外荧光(near-infrared, NIR)示踪剂WZB117-Cy7.5,并评估其在乳腺癌术中实时检测及诊断中的潜力。


研究来源与作者信息

该研究由Shantou Central Hospital、Peking University Third Hospital及Chinese Academy of Sciences等机构的研究团队合作完成,主要作者包括Si-Qi Qiu, Xiao-Feng He和Xiao-Long Liang等。文章于2025年发表于《European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging》。


研究流程与方法详解

1. GLUT1表达评估

研究团队通过基因表达分析平台GEPIA(Gene Expression Profiling Interactive Analysis)比较了乳腺癌与正常乳腺组织中的GLUT1 mRNA表达水平。此外,利用Cancer Cell Line Encyclopedia(CCLE)数据,分析了GLUT1在不同乳腺癌细胞系中的表达分布,发现其在各种亚型中均为高表达。

随后,研究对47例人类乳腺癌患者的生物样本进行了免疫组化检测,进一步验证了GLUT1在乳腺癌组织中的高表达水平,并证实无论分子亚型如何,GLUT1的表达保持一致。

2. WZB117-Cy7.5的合成与表征

研究团队通过化学反应将GLUT1的竞争性抑制剂WZB117与近红外染料Cy7.5结合,成功制备出WZB117-Cy7.5示踪剂。
- 仪器与方法:该物质通过高效液相色谱(HPLC)纯化,并利用质谱验证其化学结构,纯度达到98.68%。 - 光谱特性:示踪剂展现出理想的吸收光谱(600–800nm范围内吸收峰为773nm),具备深度组织穿透及低背景信号的优点。

随后,通过表面等离子共振(surface plasmon resonance, SPR)实验,研究测得WZB117与GLUT1的结合亲和力为1.51e^-04。

3. 示踪剂的体外结合能力测试

通过细胞流式细胞术(flow cytometry)和共聚焦显微镜实验,验证了WZB117-Cy7.5在小鼠乳腺癌细胞4T1和人乳腺癌细胞系(如MDA-MB-231)中的特异性结合能力。实验显示,与自由Cy7.5相比,WZB117-Cy7.5在乳腺癌细胞系中的荧光信号更强,且该结合可被WZB117竞争性抑制,进一步证实其靶向性。

4. 动物模型中的体内和离体荧光成像

通过小鼠4T1肿瘤模型,研究对WZB117-Cy7.5的体内分布及成像性能进行评估。注射2小时后,该示踪剂即可显现肿瘤荧光信号,6小时达峰值。同时,离体荧光成像确认WZB117-Cy7.5主要在肿瘤区域富集,而肝脏和肾脏呈现相对较低的背景信号。


研究结果与发现

1. 离体研究中的诊断性能

研究团队对60例新鲜乳腺癌手术切除标本的离体组织进行WZB117-Cy7.5示踪剂喷雾处理。
- 数据分析:通过荧光定量分析及ROC曲线(受试者操作特征曲线)评估示踪剂的诊断性能。结果表明,肿瘤组织的荧光信号强于对应正常组织,诊断乳腺癌的AUC(曲线下面积)为0.963。
- 亚型分析:研究进一步分析不同分子亚型(如HR+/HER2-、HER2+及三阴性乳腺癌)中的表达情况,结果显示,WZB117-Cy7.5适用于所有亚型。

2. GLUT1与荧光信号的验证

免疫组化结果显示,高荧光信号区与GLUT1高表达区域一致,证实该示踪剂荧光信号确实来源于GLUT1表达的肿瘤细胞。

3. 生物安全评估

在动物实验中,小鼠静脉注射WZB117-Cy7.5后,其主要脏器(心、肝、脾、肺、肾、脑)未见组织学异常,也未观测到与肝肾功能(ALT、AST及BUN)相关的显著变化,表明该示踪剂具有良好的生物安全性。


总结与研究意义

本研究是首次在离体新鲜乳腺癌手术标本中系统验证GLUT1靶向示踪剂的高诊断准确性的重要成果。WZB117-Cy7.5在术中快速荧光显像的应用潜力,为乳腺保留手术中的切缘评估及肿瘤切除提供了新思路。此外,该示踪剂还可能有效协助病理学家的组织采样,减少因冰冻切片分析带来的采样误差。

研究亮点
1. 泛亚型适用性:示踪剂对所有乳腺癌分子亚型均具高敏感性,具有通用性。
2. 时间窗灵活:在注射后2小时内即可检测,具有较短的成像时间窗,适用于快速临床应用。
3. 高生态安全性:在动物试验中表现出良好的耐受性和安全性,为临床转化奠定基础。


未来展望

该研究计划开展更多的临床试验以进一步验证WZB117-Cy7.5在BCS术中实时决策中的实际应用效果,并探讨其在降低阳性切缘与二次手术率中的作用。此外,结合人工智能技术,进一步提高荧光信号检测与残留肿瘤组织鉴别的精确度,也将在下一阶段成为研究的新焦点。