Angew：基于VOC的探针用于诱导肿瘤挥发物的产生

来源：CBG资讯

癌症诊断是一种针对癌症早期患者的诊疗方法，开发有效的方法用于癌症诊断极具挑战性。近年来，一种新型方法——检测呼气中由肿瘤产生的挥发性有机化合物（VOC）逐渐兴起，为实时探索生物过程提供了希望。在此过程中，研究者对呼出气体样本中的VOC进行癌症诊断和分析，并针对不同阶段和不同肿瘤的癌症患者进行分层研究。

近日，法国普瓦捷大学化学研究所的Pauline Poinot博士和Sébastien Papot教授合作并提出了一种新的策略——探针在肿瘤相关酶的作用下发生转化从而释放相应的VOC，后者作为癌症诊断的肿瘤标记物在呼吸中被检测。同时，该方法可应用于检测小鼠中几种不同的肿瘤，监测肿瘤的生成和对化学疗法的反应。相关成果以“Volatile Organic Compound (VOC)-Based Probe for Induced Volatolomics of Cancers”为题发表在Angew. Chem. Int. Ed.上（DOI: 10.1002/anie.201906261）。

β-葡萄糖醛酸苷酶是一种参与肿瘤侵袭和转移过程的基质降解酶，主要聚集于许多实体瘤的微环境中。基于此，作者选择D5-乙基-β-D-葡糖醛酸苷（EtGlu）作为探针，在高浓度的β-葡萄糖醛酸苷酶的作用下，EtGlu转化为D5-乙醇。紧接着，D5-乙醇在血浆中扩散，并在动物的呼吸中得以检测（Figure 1）。

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

首先，作者通过比较注射EtGlu后有或没有肿瘤的小鼠在空气中排出的D5-乙醇的浓度，评估了探针在诊断中的潜力。以26只无胸腺的裸鼠进行实验，其中13只皮下移植人KB异种肿瘤，另外13只则是健康裸鼠。从肿瘤植入的第10天起开始采样并进行GC-HRMS测试。实验结果清晰地表明，随着时间的增加，荷瘤小鼠在空气中释放的D5-乙醇的含量显著增加；而健康小鼠释放出较低且恒定含量的D5-乙醇（Figure 2a）。

另外，作者惊喜地发现，在荷瘤小鼠中，D5-乙醇的浓度越高，肿瘤体积也就越大。以上结果表明，探针可以区分健康小鼠和荷瘤小鼠，同时肿瘤微环境中的β-葡萄糖醛酸酶活性与肿瘤的生长呈正相关。

随后，作者在带有MDA-MB-231肿瘤的无胸腺裸鼠、带有肺LLC肿瘤的具有免疫功能的C57BL/6小鼠和能自发发展为乳腺肿瘤的转基因小鼠FVB/N-Tg （MMTV-PyVT）进行了相同的实验。结果表明，与健康小鼠相比，具有MDA-MB-231和LLC异种移植的小鼠的D5-乙醇释放量显著增加（Figure 2b和2c），而转基因小鼠呼出的D5-乙醇浓度与健康小鼠基本一致，表明此类肿瘤的微环境中不存在β-葡萄糖醛酸苷酶（Figure 2d）。

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

为了进一步验证呼吸中检测到的D5-乙醇是由EtGlu在恶性组织中被酶解产生的，作者切除阳性的KB和阴性的转基因肿瘤并进行β-葡萄糖醛酸苷酶免疫检测（Figure 3a）。

结果表明，β-葡萄糖醛酸苷酶大量存在于KB肿瘤中，极低量存在于转基因肿瘤中。随后，作者将肿瘤、肾脏（阴性对照）置于基于探针的PBS缓冲液中，并通过GC-HRMS监测释放的D5-乙醇，结果仅在KB肿瘤的样品中观察到D5-乙醇的释放（Figure3b）。以上结果表明，EtGlu仅由表达β-葡萄糖醛酸苷酶的肿瘤转化为D5-乙醇，并作为一种非常方便的探针检测肿瘤活检中的β-葡萄糖醛酸苷酶活性。

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

研究表明，通过β-葡萄糖醛酸苷酶反应性白蛋白结合前药的药物递送系统的功效取决于肿瘤中活化酶的浓度。基于此，作者考察了EtGlu用作预测探针评估葡萄糖醛酸前体药物的抗癌效果的潜力。作者定期将EtGlu（50 μg/kg）注射到16只皮下异种移植KB的小鼠中，用SPME-GC-HRMS监测了排放的D5-乙醇含量（Figure 4a）。在肿瘤植入的第11天，作者对其中一半的小鼠进行4 mg/kg剂量的单甲基澳瑞他汀E（Br-Alb）药物治疗。在未经治疗的组中，呼出的D5-乙醇浓度随时间而增加，并且与肿瘤的生长呈正相关。

相反，用药物Br-Alb的治疗组，肿瘤体积明显减小，同时小鼠呼出的D5-乙醇浓度降低（Figure 4b和4c），第一次治疗的效果维持了约10天。在第28天，作者又进行新一轮的给药，肿瘤体积再次减小，呼出的D5-乙醇浓度进一步降低。以上结果表明，基于VOC的探针可以通过监测呼出的D5-乙醇浓度来跟踪化疗过程中肿瘤体积的变化。

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

总而言之，作者报道了一种基于VOC的探针用于监测肿瘤的生长以及化疗的疗效，具有操作简单、分辨率高等优势，在癌症诊断方面有着巨大的潜力。这一概念为癌症和其他疾病中的“induced volatolomics”提供一定的思路，为生物医学的应用提供一定的基础。