受螢火蟲的啟發！科學家通過生物發光實時監測癌症代謝

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聯邦洛桑理工學院（Ecole Polytechnique Federale de Lausanne，EPFL）生物有機化學和分子成像實驗室的化學家Elena Goun受螢火蟲發光的啟發，發明了一種新的成像技術能夠實時監測量化糖代謝，能夠幫助了解腫瘤代謝的最新情況和開發有效的癌症治療方法。該研究結果發表在《Nature Methods》雜誌上。

DOI：10.1038 / s41592-019-0421-z

Goun 表示：「我們想開發一種工具來實現更有效的癌症治療。新的成像技術讓我們能夠實時量化糖的代謝量，提供腫瘤代謝相關的有價值信息，以及分析可能剝奪腫瘤主要能量來源的藥物類型。」

螢火蟲的啟發

Goun和她的團隊從螢火蟲發光的方式中找到了靈感，將其與「點擊化學」結合起來。「點擊化學」是化學生物學的一個分支。在「點擊化學」中，生物相容的分子被設計「點擊」在一起，在複雜的生物體環境中可以直接發生特定的反應。

Elena Goun圖片來源：EPFL

由於癌症代謝率較高，因此需要消耗大量的糖。糖的代謝是癌症生長和轉移很重要的燃料，但由於缺乏具體可操作的工具，人們對這一過程知之甚少。

Goun設計兩種點擊分子，一種是糖分子，另一種是「籠狀」熒光素分子。這種發光化合物在螢火蟲體內很常見。一旦被標記的糖分子被腫瘤「吃掉」，它就會通過「點擊」反應與這種「籠狀」熒光素髮生相互作用，產生與進入細胞的糖量成比例的生物熒光。

她將螢火蟲成像技術命名為BiGluc，即「生物發光葡萄糖」的縮寫。

「吃」多少糖，發多少光

以一隻帶有熒光素酶標記腫瘤的老鼠為例。表達熒光素酶的腫瘤是通過從患者體內取出癌性腫瘤樣品製成的。研究人員用熒光素酶（一種產生生物發光的氧化酶）對腫瘤細胞進行化學標記。讓這些標記過的細胞在小鼠中生長，以了解癌症的基本情況，從而進行有效的癌症治療。

接下來，在小鼠中注射第一種化合物，這種化合物在血液中不易分解。二十四小時後，注入第二種化合物，該化合物僅在特定的條件下才能與第一種化合物反應。

兩種化合物之間的反應產生生物發光， 但只發生在表達熒光素酶的腫瘤代謝糖的地方。將CCD相機感測器指向身體，就可以獲得腫瘤代謝水平的快照。產生的生物發光與代謝糖的量成正比。

BiGluc成像助力癌症治療

BiGluc可用於了解不同腫瘤的代謝需求，為產生新的、有效的治療開闢道路。這種新的光探針不具有放射性，可以在活體上工作，只需兩針注射和一個攝像頭就能夠獲知腫瘤的最新糖代謝情況。

Goun說：「我們的新型光學成像技術具有很高的臨床適用性。它是非放射性的，高度敏感並且可量化。值得注意的是，這些試劑多年來都是穩定的，發光可以被觀察好幾個小時。」

由於BiGluc的廣泛性，它還可以從癌症擴展到許多其它病理學上具有功能障礙的重要細胞。因此，BiGluc 能在檢測一些疾病中的代謝變化起著關鍵作用，如糖尿病、神經退行性疾病、非酒精性脂肪性肝炎等。

令人興奮的是，Goun團隊已經為開發超敏感成像平台打下了基礎。該平台可以量化許多重要代謝物的攝取，這些代謝物在多種人類疾病中發揮著核心作用。或許在不久的將來，很多癌症將會得到更加有效的治療。

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參考資料：

[1] Shedding light on cancer metabolism in real-time with bioluminescence

[2] Bioluminescent-based imaging and quantification of glucose uptake in vivo

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