采用可溶性硝酰基和三苯甲基探针,利用低场(L波段,1.2 GHz)电子顺磁共振技术,对乳腺癌小鼠模型肿瘤微环境中具有生理学意义的参数进行评估。
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采用可溶性硝酰基和三苯甲基探针,利用低场(L波段,1.2 GHz)电子顺磁共振技术,对乳腺癌小鼠模型肿瘤微环境中具有生理学意义的参数进行评估。
本方案展示了基于低场电子顺磁共振(EPR)技术结合功能性顺磁探针在提供肿瘤微环境(TME)化学特征定量信息方面的应用能力,包括 pO2pH、氧化还原状态、间质无机磷酸盐(Pi)浓度和细胞内谷胱甘肽(GSH)的检测。特别是,一种 recently developed 可溶性多功能三苯甲基探针的应用提供了无与伦比的机会 体内 p的同时测量H, pO2 和 Pi in E细胞外空间(HOPE探针)。使用单个探针测量这三个参数,可实现参数间的相关性分析,且不受探针分布和测量时间的影响。
肿瘤微环境在癌症进展和治疗中的关键作用正日益受到重视1在实体瘤TME的重要生理参数中,组织缺氧2酸中毒3,4,高还原能力5,细胞内GSH浓度升高6,7,以及间质性无机磷8 有充分记录。非侵入性 体内 pO2pH、Pi、GSH 和氧化还原状态的评估可为肿瘤微环境(TME)中的生物学过程提供独特见解,并有助于推进抗癌药物及靶向 TME 治疗策略的临床前筛选工具。磁共振成像(MRI)和低场电子顺磁共振(EPR)技术在组织中具有合理的射频穿透深度,因此是无创评估这些 TME 参数的最合适方法。MRI 主要依赖于水质子成像,广泛应用于临床环境中以提供解剖学分辨率,但缺乏功能分辨率。磷-31 核磁共振(31基于内源性磷酸盐信号的磷核磁共振(P-NMR)测量细胞外无机磷浓度和pH值在肿瘤微环境表征中具有潜在应用价值,但通常会被高出数倍的细胞内无机磷浓度所掩盖9,10相比之下,电子顺磁共振(EPR)测量依赖于对特异性设计的顺磁性探针进行光谱学检测和成像,从而实现功能分辨率。值得注意的是,外源性EPR探针相较于外源性核磁共振(NMR)探针具有优势,原因在于EPR本身具有更高的内在灵敏度,且不存在内源性背景EPR信号。近年来已开发出一种兼具pH和氧化还原双功能的氮氧自由基探针。11 多功能三苯甲基探针12 提供了无与伦比的机遇 体内 同时测量肿瘤微环境(TME)的多个参数,并进行与探针分布和测量时间无关的相关性分析。据我们所知,目前尚无其他方法可同时评估 体内 活体受试者中具有生理学意义的化学肿瘤微环境参数,例如 pO2pHePi、氧化还原态和谷胱甘肽。
用于 活体 功能测量的探针:
图1展示了用于获取肿瘤微环境(TME)参数的顺磁性探针的化学结构,这些探针包括颗粒型和可溶型探针。体内电子顺磁共振(EPR)测氧中,颗粒型探针因其高功能灵敏度、在活体组织中的稳定性以及极低的毒性等优势而优于可溶型探针。例如,与可溶型探针相比,颗粒型探针在组织植入部位的滞留时间更长,可实现对组织pO2长达数周的纵向测量。另一方面,可溶型探针则在空间分辨测量方面优于颗粒型探针,可通过基于EPR的成像技术实现,并且能够同时分析多种功能参数(pO2、pH、Pi、氧化还原状态和GSH)。

图1. 用于肿瘤微环境评估检测的顺磁性探针的化学结构。 包括颗粒状pO2探针LiNc-BuO(R = -O(CH2)3CH3),以及可溶性探针:兼具pH和氧化还原双重功能的探针NR;GSH敏感型探针RSSR;以及可检测细胞外 微环境中的pO2、pH和无机磷酸盐(Pi)的多功能HOPE探针。 这些探针的合成方法已在所提供的参考文献中详细描述11,12。请点击此处查看该图的放大版本。
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所有动物实验均按照西弗吉尼亚大学动物护理和使用委员会(WVU IACUC)批准的方案进行。
1. 探针合成与校准
2. 乳腺癌的小鼠模型

3. 探针递送用于 体内 功能测量
4. 体内 功能测量
5. 统计学分析
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使用 LiNc-BuO 探针评估组织 pO2:
按照步骤1.1中所述方法,我们对新制备的LiNc-BuO微晶悬浮液进行了校准。 图2 显示了LiNc-BuO探针的典型线宽氧依赖性,以及在缓冲液悬浮体系和雌性C57Bl/6小鼠乳腺肿瘤组织中测得的代表性EPR谱图,肿瘤组织通过注射内化颗粒的细胞诱导成瘤(步骤3.1)。利用线宽校准可计算组织中的氧浓度 pO2 值 (相当于图 (b) 所示光谱的 7.5 mmHg) 图2).
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本文所述方法可实现对化学肿瘤微环境(TME)关键参数的无创体内评估,这些参数包括pO2、pH、氧化还原状态、间质无机磷(Pi)浓度以及细胞内谷胱甘肽(GSH)浓度。磁共振技术,如磁共振成像(MRI)和低场电子顺磁共振(EPR),是无创体内分析这些TME参数的首选方法。MRI能够可视化解剖结构,但缺乏功能敏感性。相比之下,EPR技术结合功能性自旋探针使用时,可对微环境的局部参数提供功能敏感性。据我们所知,目前尚无其他方法能够在活体受试者中同时评估诸如pO2、pHe、Pi、氧化还原状态和GSH等具有生理重要性的体内化学TME参数。
所描述的实验方案基于使用低场L波段电子顺磁共振(EPR)技术及专门设计的顺磁性探针。文中介绍了四种探针 图1 可被视为一种有效的 体内 肿瘤微环境评估检测。探针的可获得性是所述方法的重要先决条件 体内 EPR ...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本工作部分得到了美国国立卫生研究院(NIH)基金项目 CA194013、CA192064 和 U54GM104942 的支持。感谢 WVCTSI 为 VVK、AB 和 TDE 提供的启动资金。作者感谢 M. Gencheva 博士和 K. Steinberger 在示意图实验方面提供的协助。本内容仅由作者负责,不代表 NIH 的官方观点。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| L波段电子顺磁共振波谱仪 | 德国 Magnettech | L波段(1.2 GHz)电子顺磁共振(EPR)波谱仪,用于体外和体内顺磁性分子谱图的采集 | |
| 温度 &和气体控制器 | Noxygen,德国 | 温度 &温度与气体控制器,用于控制和调节温度及气体成分 | |
| 超声波破碎仪 | Fisher Scientific | ||
| GSH(还原型谷胱甘肽) | Sigma-Aldrich | G4251 | |
| MMTV-PyMT 小鼠 | 内部 | ||
| DMEM | 赛默飞世尔科技 | 11995065 | |
| Met-1 小鼠乳腺癌细胞 | 内部 | ||
| C57Bl/6野生型小鼠 | 杰克逊实验室 | ||
| 胰蛋白酶 | 赛默飞世尔科技 | 25200056 | |
| 台盼蓝排斥染料 | 赛默飞世尔科技 | T10282 | |
| Ohmeda Fluotec 3 | |||
| 异氟烷(IsoFlo) | 雅培实验室 | ||
| 磷酸氢二钠 | Sigma-Aldrich | S9763 | |
| 磷酸二氢钠 | sigma-奥德里奇 | S07051 | |
| 氯化钠 | sigma-奥德里奇 | S7653 | |
| 盐酸 | sigma-奥德里奇 | 320331 | |
| 氢氧化钠 | sigma-奥德里奇 | S8045 | |
| 葡萄糖 | sigma-奥德里奇 | ||
| 葡萄糖氧化酶 | sigma-奥德里奇 | ||
| Lauda 循环器 E100 | Lauda-Brikmann | ||
| pH计 Orion | 赛默飞世尔科技 | ||
| LiNc-BuO 探针 | 内部 | 八(正丁氧基)萘菁探针的合成参照文献13进行 | |
| NR探针 | 内部 | 硝基氧化物探针根据参考文献11合成。 | |
| RSSR探针 | 内部 | 二硝基氧化物探针根据参考文献15合成。 | |
| HOPE 探针 | 内部 | 单磷酸化三芳基甲基探针根据参考文献12合成。 |
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