肖晴 潘芯 李崇佼 蔣 亞群 王怡春 文兵 雷 萍 何勇
1 武漢大學(xué)中南醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科,武漢 430071;2 華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院免疫學(xué)系,武漢 430030
轉(zhuǎn)鐵蛋白受體(transferrin receptor,TfR)是一類Ⅱ型跨膜糖蛋白,主要參與調(diào)控細(xì)胞的鐵代謝及生長、增殖進(jìn)程[1]。相關(guān)研究結(jié)果證實(shí),在癌前病變及侵襲性腫瘤組織中,TfR 的表達(dá)顯著升高,且其表達(dá)水平同腫瘤的分級密切相關(guān),如在胰腺癌、結(jié)腸癌、肺癌等腫瘤及多種耐藥性腫瘤中,TfR 的表達(dá)明顯上調(diào)[2-5]。TfR 高表達(dá)的腫瘤具有惡性程度高、易產(chǎn)生耐藥和預(yù)后不良等風(fēng)險。因此,對腫瘤TfR 表達(dá)水平的在體監(jiān)測將有助于指導(dǎo)腫瘤患者的臨床管理及預(yù)后評估。
目前,靶向TfR 的分子探針主要包括轉(zhuǎn)鐵蛋白及單克隆抗體,其相對分子質(zhì)量較大,體內(nèi)循環(huán)時間長,易受內(nèi)源性轉(zhuǎn)鐵蛋白競爭的影響,在應(yīng)用中存在一定的局限性[6]。而小分子多肽因具有相對分子質(zhì)量小、易于穿透腫瘤組織、穩(wěn)定性好、血液清除速率快、易于合成及加工修飾、免疫原性低等優(yōu)勢,近年來在腫瘤分子影像學(xué)領(lǐng)域表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景[7]。組氨酸-精氨酸-脯氨酸-酪氨酸-異亮氨酸-丙氨酸-組氨酸(His-Arg-Pro-Tyr-Ile-Ala-His,HRPYIAH,簡稱T7)是由噬菌體展示技術(shù)篩選獲得的小分子多肽,能特異性靶向TfR[8-9]。本研究構(gòu)建了新型靶向TfR 的分子探針99Tcm-HRPYIAH(簡稱99Tcm-T7),并對其理化性質(zhì)、靶向特性及顯像效能進(jìn)行了初步研究。
小分子多肽T7(相對分子質(zhì)量為1 156,化學(xué)純度>95%)由上海吉爾生化公司合成制備;DMEM高糖完全培養(yǎng)基、胎牛血清、PBS 均購自美國Gibco 公司;青霉素及鏈霉素購自上海碧云天生物技術(shù)有限公司;Alexa-Fluor 647 標(biāo)記的TfR 單克隆抗體(ab187777)購自英國Abcam 公司;高锝酸鈉(Na99TcmO4)由99Mo-99Tcm發(fā)生器制備,購自中國原子高科有限公司;N-三(羥甲基)甲基甘氨酸(Tricine)、乙二胺二乙酸(EDDA)及二水氯化亞錫(SnCl2·2H2O)均購自美國Sigma-Aldrich 公司;Sep-park C18 SPE 柱購自美國Waters 公司。流式細(xì)胞儀(型號:FACSCalibur)購自美國BD 公司;自動γ 計數(shù)儀(型號:2470 WIZARD)購自美國PerkinElmer 公司;小動物micro SPECT/CT 一體機(jī)購自北京永新醫(yī)療設(shè)備有限公司;磷屏掃描儀購自合肥眾成機(jī)電技術(shù)開發(fā)有限公司。
人胰腺癌PANC-1 細(xì)胞及人乳腺癌MX-1 細(xì)胞由華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院蘭曉莉教授課題組惠贈。無特定病原體級正常健康雌性Balb/c-nu 裸鼠30 只,體重(18±2)g,4~6 周齡,購自北京維通利華實(shí)驗(yàn)動物技術(shù)有限公司[許可證號:SCXK(京)2016-0006],實(shí)驗(yàn)動物在12 h/12 h晝夜循環(huán)的無特定病原體級環(huán)境中飼養(yǎng)(溫度:20~26℃;濕度:40%~70%),食物(全價營養(yǎng)顆粒飼料)和水(超純凈化水)可以隨時獲得。所有動物實(shí)驗(yàn)均在武漢大學(xué)實(shí)驗(yàn)動物使用和管理委員會指南的指導(dǎo)下進(jìn)行。本研究經(jīng)武漢大學(xué)醫(yī)學(xué)研究院動物倫理委員會批準(zhǔn)(批準(zhǔn)文號:IACUC-2534)。
將PANC-1 細(xì)胞及MX-1 細(xì)胞置于DMEM 高糖完全培養(yǎng)基(含10%胎牛血清、100 μg/ml 青霉素、100 μg/ml 鏈霉素),在37℃、含5%CO2的飽和濕度培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。每日觀察腫瘤細(xì)胞的生長情況,取處于對數(shù)生長期的細(xì)胞用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。
單克隆抗體組:將PANC-1 細(xì)胞及MX-1 細(xì)胞消化離心后(1000 轉(zhuǎn)/min,離心半徑10 cm)用結(jié)合緩沖液(含0.1%胎牛血清白蛋白的PBS)重懸,每管加入100 μl 1∶400 TfR 單克隆抗體。空白對照組:每管加入等體積的結(jié)合緩沖液。4℃避光孵育30 min 后 加 入800 μl 結(jié) 合 緩 沖 液,1000 轉(zhuǎn)/min離心5 min(離心半徑10 cm),重復(fù)上述步驟充分去除未結(jié)合的熒光抗體,加入結(jié)合緩沖液重懸細(xì)胞,采用流式細(xì)胞術(shù)檢測腫瘤細(xì)胞表面TfR 的表達(dá)情況。
99Tcm-T7 的制備采用間接標(biāo)記法,向含有10 μl T7 溶液(1 mg/ml)的離心管內(nèi)依次加入500 μl 乙二胺二乙酸(20 mg/ml,溶于0.1 mol/L NaOH 溶液)、500 μl N-三(羥甲基)甲基甘氨酸(40 mg/ml,溶于PBS)、25 μl 二水氯化亞錫(1 mg/ml,溶于0.01 mol/L稀鹽酸中)及500 μl 新鮮淋洗的Na99TcmO4(370 MBq),95℃反應(yīng)15 min。采用Sep-park C18 SPE 柱分離純化標(biāo)記物,采用快速薄層紙層析法中2 種展開體系各組分的占比計算99Tcm-T7 的標(biāo)記率。取100 μl標(biāo)記物分別與等體積的生理鹽水和新鮮胎牛血清混勻,2 組混合液均置于37℃恒溫箱中孵育,于4 h時取樣,采用高效液相色譜法測定樣品的放射化學(xué)純度(流動相:5%~90%乙腈水溶液、1%三氟乙酸,流速為1 ml/min)。
體外細(xì)胞結(jié)合實(shí)驗(yàn):將PANC-1、MX-1 細(xì)胞提前24 h 鋪于24 孔板中培養(yǎng)(2×105個/孔),待細(xì)胞貼壁后棄去舊培養(yǎng)基,每孔加入74 kBq 標(biāo)記探針99Tcm-T7,于37℃恒溫箱中孵育,設(shè)置15、30、60、120、240 min 時間點(diǎn),分別于上述時間點(diǎn)收集上清及PBS,隨后每孔加入800 μl NaOH(0.1 mol/L)溶液,待貼壁細(xì)胞完全裂解后,收集細(xì)胞裂解液。
細(xì)胞競爭抑制實(shí)驗(yàn):本實(shí)驗(yàn)中的孵育時間根據(jù)體外細(xì)胞結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定,使用PANC-1 細(xì)胞作為實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。將PANC-1 細(xì)胞提前24 h鋪于24 孔板中培養(yǎng)(2×105個/孔)。PANC-1 實(shí)驗(yàn)組每孔加入74 kBq 標(biāo)記探針99Tcm-T7;PANC-1 阻斷組需提前60 min 加入未標(biāo)記多肽T7 封閉,隨后每孔加入74 kBq 標(biāo)記探針99Tcm-T7。置于37℃恒溫箱中孵育1 h。收集上清、PBS 及800 μl NaOH溶液裂解所得的細(xì)胞液。使用自動γ 計數(shù)儀測定每組細(xì)胞液的放射性計數(shù),計算細(xì)胞在每個時間點(diǎn)的總結(jié)合率。
分別將處于對數(shù)生長期的PANC-1 細(xì)胞及MX-1 細(xì)胞接種于Balb/c-nu 裸鼠上肢皮下[5×106個/(100 μl·只),12 只/組],常規(guī)飼養(yǎng)并隔日觀察裸鼠狀態(tài)及移植瘤生長情況,待皮下腫瘤體積達(dá)到100~300 mm3時用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。
PANC-1 細(xì)胞、MX-1 細(xì)胞荷瘤裸鼠模型(4 只/組)分別經(jīng)尾靜脈注射99Tcm-T7 37 MBq(約150 μl),并分別于注射后30、60 min 時行小動物micro SPECT/CT 顯像。
PANC-1 細(xì)胞、MX-1 細(xì)胞荷瘤裸鼠模型(5 只/組)經(jīng)尾靜脈注射99Tcm-T7 3.7 MBq(約100 μl),于注射后30 min 經(jīng)頸椎脫臼法處死,解剖取得重要器官及腫瘤組織并稱重,用自動γ 計數(shù)儀測量其放射性計數(shù),衰減校正后計算各臟器及腫瘤的每克組織百分注射劑量率(percentage activity of injection dose per gram of tissue, %ID/g)。
將荷瘤裸鼠的腫瘤組織及重要臟器的快速冰凍切片樣品貼于磷屏上,置于暗室內(nèi)曝光15~20 min,隨后固定于磷屏掃描儀滾筒進(jìn)行掃描,使用磷屏掃描儀配套軟件OptiOuant 分析掃描結(jié)果。小動物micro SPECT/CT 顯像實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,即刻用10%多聚甲醛將腫瘤組織固定,隨后經(jīng)組織脫水、石蠟包埋后切片。取腫瘤組織切片,經(jīng)常規(guī)蘇木精-伊紅染色后封片;封閉固定后,用TfR 單克隆抗體進(jìn)行免疫組織化學(xué)染色并封片,于顯微鏡下觀察腫瘤組織切片并記錄。
應(yīng)用GraphPad Prism 6.0 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析。符合正態(tài)分布的計量資料以±s表示,2 組間數(shù)據(jù)的比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)(方差齊)。P<0.05 為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。
流式細(xì)胞術(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,PANC-1 細(xì)胞可與TfR 單克隆抗體特異性結(jié)合,結(jié)合率為(98.9±0.1)%,這說明PANC-1 細(xì)胞表面高表達(dá)TfR;而MX-1 細(xì)胞與TfR 單克隆抗體未見明顯結(jié)合,結(jié)合率為(0.2±0.1)%,這表明MX-1 細(xì)胞表面的TfR 呈相對低表達(dá)(圖1)。
圖1 流式細(xì)胞術(shù)測定人胰腺癌 PANC-1 細(xì)胞(A)和人乳腺癌MX-1 細(xì)胞(B)表面轉(zhuǎn)鐵蛋白受體的表達(dá)水平 APC-A 為藻藍(lán)蛋白;FSC-A 為前向角散射Figure 1 Expression levels of transferrin receptor in human pancreatic cancer PANC-1 cells (A) and human breast cancer MX-1 cells (B) by flow cytometry
99Tcm-T7 的標(biāo)記率>95%。在室溫下,99Tcm-T7分別在與生理鹽水、胎牛血清的混合液中孵育4 h后的放射化學(xué)純度為(95.3±0.3)%和(90.6±0.4)%。
PANC-1 細(xì)胞與分子探針99Tcm-T7 的結(jié)合率在孵育后60 min 時達(dá)到峰值[(16.12±0.01)%],顯著高于MX-1 細(xì)胞[(1.20±0.01)%],且二者間的差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.001,圖2),同流式細(xì)胞術(shù)測定的TfR 表達(dá)水平一致。同時,PANC-1 阻斷組對99Tcm-T7 的 結(jié) 合 率 降 低 至(2.40±0.01)%,低 于PANC-1 實(shí)驗(yàn)組,且二者間的差異有統(tǒng)計學(xué)意義(t=26.91,P<0.001)。
圖2 人胰腺癌PANC-1 細(xì)胞和人乳腺癌MX-1 細(xì)胞與分子探針99Tcm-T7 的結(jié)合率 a 表示在60 min 時,與MX-1 細(xì)胞相比,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(t=28.67,P<0.001)。T7 為組氨酸-精氨酸-脯氨酸-酪氨酸-異亮氨酸-丙氨酸-組氨酸Figure 2 Binding rate of human pancreatic cancer PANC-1 cells and human breast cancer MX-1 cells to molecular probe 99Tcm-T7
在PANC-1 荷瘤裸鼠模型中,99Tcm-T7 可迅速靶向腫瘤部位,注射后30 min 腫瘤輪廓顯影清晰,較短時間即可獲得較高的腫瘤/肌肉比值(2.80±0.22),而MX-1 細(xì)胞對99Tcm-T7 的攝取程度較低,未見明顯顯影。99Tcm-T7 從血液中的清除速率快,主要經(jīng)腎臟排泄,注射后60 min 時除腎臟及膀胱見顯像劑分布外,其余組織較少見顯像劑滯留(圖3)。
圖3 荷人胰腺癌、人乳腺癌裸鼠注射分子探針99Tcm-T7 后不同時間點(diǎn)的micro SPECT/CT 顯像圖 白色虛線內(nèi)為腫瘤組織;右側(cè)彩色條帶中,紅色代表攝取最高值,黑色代表攝取最低值。T7 為組氨酸-精氨酸-脯氨酸-酪氨酸-異亮氨酸-丙氨酸-組氨酸;SPECT 為單光子發(fā)射計算機(jī)體層攝影術(shù);CT 為計算機(jī)體層攝影術(shù)Figure 3 Micro SPECT/CT images of nude mice bearing human pancreatic cancer and human breast cancer after injection of molecular probe 99Tcm-T7
由表1 可知,99Tcm-T7 經(jīng)尾靜脈注射進(jìn)入荷瘤裸鼠體內(nèi)后,除腎臟及腫瘤組織外,其余器官及組織本底均較低,PANC-1 細(xì)胞對99Tcm-T7 的攝取在注 射后30 min 即 達(dá) 到(0.55±0.18)%ID/g,高 于MX-1 細(xì)胞 [(0.16±0.11)%ID/g],且二者差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.001)。
表1 荷人胰腺癌、人乳腺癌裸鼠注射分子探針99Tcm-T7 后30 min 的體內(nèi)生物學(xué)分布(%ID/g,n=5, ±s)Table 1 Biodistribution of molecular probe 99Tcm-T7 in nude mice bearing human pancreatic cancer and human breast cancer at 30 min post injection (%ID/g, n=5, ±s)
表1 荷人胰腺癌、人乳腺癌裸鼠注射分子探針99Tcm-T7 后30 min 的體內(nèi)生物學(xué)分布(%ID/g,n=5, ±s)Table 1 Biodistribution of molecular probe 99Tcm-T7 in nude mice bearing human pancreatic cancer and human breast cancer at 30 min post injection (%ID/g, n=5, ±s)
注:a 表示與人乳腺癌PANC-1 細(xì)胞比較,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(t=6.42,P=0.003)。T7 為組氨酸-精氨酸-脯氨酸-酪氨酸-異亮氨酸-丙氨酸-組氨酸;%ID/g 為每克組織百分注射劑量率
器官或組織 人胰腺癌PANC-1細(xì)胞 人乳腺癌MX-1細(xì)胞血液 0.34±0.06 0.46±0.16腦0.04±0.01 0.04±0.02心0.21±0.01 0.12±0.09肺0.29±0.01 0.67±0.27肝0.34±0.02 1.34±1.70脾0.17±0.04 0.10±0.05腎5.92±0.04 6.25±0.09胃0.36±0.01 0.21±0.09小腸 0.14±0.04 0.14±0.09大腸 0.15±0.03 0.13±0.10肌肉 0.20±0.05 0.10±0.02骨0.10±0.02 0.08±0.66腫瘤 0.55±0.18a 0.16±0.11
在注射99Tcm-T7 30 min 后,相較于MX-1 細(xì)胞,PANC-1 細(xì)胞顯著攝取99Tcm-T7;在正常組織臟器中,以腎臟攝取最為顯著,其次為肝臟(圖4)。蘇木精-伊紅染色法及免疫組織化學(xué)染色法結(jié)果顯示,腫瘤實(shí)質(zhì)內(nèi)未見明顯壞死,在PANC-1 細(xì)胞中TfR呈高表達(dá),而在MX-1 細(xì)胞中TfR 呈低表達(dá)(圖5)。
圖4 荷人胰腺癌(A)、人乳腺癌(B)裸鼠注射分子探針99Tcm-T7 后的腫瘤組織及離體臟器的放射性磷屏自顯影 箭頭所示,相較于人乳腺癌MX-1 細(xì)胞,人胰腺癌PANC-1 細(xì)胞顯著攝取99Tcm-T7。T7 為組氨酸-精氨酸-脯氨酸-酪氨酸-異亮氨酸-丙氨酸-組氨酸Figure 4 Radio-autographs of tumor tissues and isolated organs in nude mice bearing human pancreatic cancer and human breast cancer after injection of molecular probe 99Tcm-T7
圖5 荷人胰腺癌、人乳腺癌裸鼠注射分子探針99Tcm-T7 后的腫瘤組織轉(zhuǎn)鐵蛋白受體的組織病理學(xué)檢查圖(×400) A 為蘇木精-伊紅染色法,鏡下可見腫瘤組織內(nèi)未見明顯壞死;B 為免疫組織化學(xué)染色法,棕黃色表示腫瘤組織轉(zhuǎn)鐵蛋白受體染色,藍(lán)色表示細(xì)胞核染色。T7 為組氨酸-精氨酸-脯氨酸-酪氨酸-異亮氨酸-丙氨酸-組氨酸Figure 5 Histopathological examination of transferrin receptors in tumor tissues of nude mice bearing human pancreatic cancer and human breast cancer after injection of molecular probe 99Tcm-T7(×400)
相關(guān)研究結(jié)果表明,TfR 參與腫瘤細(xì)胞的生長、增殖等一系列的生命活動[10-14]。因腫瘤細(xì)胞增殖活躍,為了滿足其相對旺盛的鐵需求,多種腫瘤細(xì)胞表面的TfR 水平顯著上調(diào)。因此,TfR 成為極具研究價值的腫瘤分子靶點(diǎn)之一。
近年來,多個課題組針對TfR 這一分子靶點(diǎn)展開了一系列的研究。2012 年,Holland 等[10]首次構(gòu)建并利用89Zr-轉(zhuǎn)鐵蛋白對前列腺癌小鼠模型行PET/CT 顯像,實(shí)現(xiàn)了活體監(jiān)測TfR 的動態(tài)變化。Henry 等[11]的研究結(jié)果證實(shí),89Zr-轉(zhuǎn)鐵蛋白PET顯像可用于監(jiān)測三陰性乳腺癌小鼠對溴結(jié)構(gòu)域蛋白4 抑制劑的療效反應(yīng)。但轉(zhuǎn)鐵蛋白的分子量較大(相對分子質(zhì)量76 000~81 000),在血液中的清除速率慢,肝臟攝取本底高,顯像時間較長。而小分子多肽T7 具有相對分子質(zhì)量小、組織穿透性強(qiáng)、血液清除速率快等優(yōu)勢,有望成為更為理想的靶向腫瘤TfR 的分子探針[12-14]。
本研究設(shè)計并采用間接標(biāo)記法合成了靶向TfR 分子的多肽分子探針99Tcm-T7。相較于直接標(biāo)記法,該標(biāo)記過程更簡易,且對標(biāo)記分子的生物活性影響更小、標(biāo)記產(chǎn)物更為穩(wěn)定[15]。該方法合成的99Tcm-T7 具有標(biāo)記率高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),且micro SPECT/CT 顯像操作簡便、成本較低,使得該探針更加易于推廣應(yīng)用。
為了驗(yàn)證99Tcm-T7 監(jiān)測腫瘤表面TfR表達(dá)的可行性,本實(shí)驗(yàn)針對TfR 表達(dá)量不同的2 種人源性腫瘤PANC-1 和MX-1 細(xì)胞開展了體內(nèi)外的相關(guān)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,高表達(dá)TfR 的PANC-1 細(xì)胞對99Tcm-T7 攝取顯著,且過量的未標(biāo)記多肽可阻斷對99Tcm-T7 的攝取,對應(yīng)的荷瘤裸鼠模型顯像清晰;相對低表達(dá)TfR 的MX-1 細(xì)胞在體內(nèi)、體外對99Tcm-T7 的攝取均較低。體外細(xì)胞及活體動物實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,腫瘤表面的TfR 分子介導(dǎo)了99Tcm-T7的特異性攝取,其攝取與腫瘤組織中TfR 的表達(dá)水平相關(guān)。生物學(xué)分布實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,99Tcm-T7 在體內(nèi)主要經(jīng)腎臟排泄,這一特點(diǎn)與多肽的相對分子質(zhì)量小和極性相關(guān),符合小分子多肽在體內(nèi)代謝的一般特性[16]。本研究仍存在一定的不足之處,在荷瘤裸鼠活體顯像實(shí)驗(yàn)中,以荷瘤裸鼠的皮下移植瘤為主,后續(xù)需要進(jìn)一步探索及研究多肽標(biāo)記探針在監(jiān)測原位瘤模型中TfR 表達(dá)水平的可行性。
綜上所述,本研究成功完成了對靶向腫瘤TfR的小分子多肽T7 的核素標(biāo)記,其制備流程簡易,標(biāo)記率高,穩(wěn)定性好,體內(nèi)清除迅速,腫瘤靶向性佳,顯像效能良好,具備無創(chuàng)、在體實(shí)時監(jiān)測腫瘤表面TfR 表達(dá)的潛能。
利益沖突所有作者聲明無利益沖突
作者貢獻(xiàn)聲明肖晴負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)的實(shí)施、論文的撰寫;潘芯負(fù)責(zé)協(xié)助實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)的采集;李崇佼負(fù)責(zé)動物實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo);蔣亞群負(fù)責(zé)放射性藥物標(biāo)記實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo);王怡春負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的分析、論文的審閱;文兵、雷萍負(fù)責(zé)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo);何勇負(fù)責(zé)課題的提出與設(shè)計、論文的審閱與修訂