癌細胞如何吃葡萄糖? 螢火蟲發光技術告訴你

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對於癌細胞生長和轉移來說,葡萄糖代謝非常重要,目前已知原因之一在於癌細胞表面的胰島素受體遠多於正常細胞,所以癌細胞能夠代謝大量的葡萄糖。然而,人們對於癌細胞葡萄糖代謝過程的認知甚少,主要原因仍受限於缺乏能檢測整個生物體葡萄糖代謝的非侵入性工具。

近日,瑞士洛桑聯邦理工學院(École polytechnique fédérale de Lausanne, EPFL)的科學家成功透過一種螢火蟲化發光合物連結癌細胞內的葡萄糖,使癌症生物體能發光,進而實時量化癌症的葡萄糖代謝,而且該技術高靈敏度和可量化性以及不具放射性,試劑可穩定使用多年,並可觀察到發光數小時。該研究刊登於《Nature Methods》。

該研究團隊從螢火蟲發光方式中獲得靈感,並將其與化學生物學的一個分支,點擊化學(click-chemistry)技術結合起來,生物相容分子被設計成專門“點擊”在一個定制的反應中,使其在活生物體的複雜環境中直接發生。他們設計二個點擊分子,其ㄧ是葡萄糖,其二是螢火蟲中的發光化合物「籠狀螢光素」(caged luciferin)。一旦被螢光標記的葡萄糖被腫瘤細胞吞噬,它會透過點擊反應與籠狀螢光素反應,產生與進入細胞的葡萄糖量成比例的生物發光,該生物發光成像技術被命名為 BiGluc。

他們從患者體內取出癌性腫瘤樣本,然後該樣本使用螢光素酶(luciferase)進行化學標記,再將已螢光標記的癌細胞送入小鼠內,使其生長,製成發出螢光的腫瘤小鼠,他們期望透過該模型了解癌症的基本生物學和有效癌症治療的發展。

接著,先在小鼠中注射籠狀螢光素三苯基膦(caged luciferin triphenylphosphine, CLP),其在血液中不易分解。二十四小時後,再注入葡萄糖疊氮化物(glucose azide 4, GAz4),該化合物僅在非常特定的條件下與 CLP 反應。二種化合物之間的反應被設計為產生生物發光的光,就像螢火蟲一樣逃離身體,但會發生在表現螢光素酶的腫瘤代謝葡萄糖的地方。最後,他們將電荷耦合元件(Charge-coupled Device, CCD)相機傳感器指向身體,然後獲得腫瘤代謝表現的快照,結果發現產生的光量與代謝葡萄糖的表現成正比。

BiGluc 除了能用來了解不同腫瘤的代謝需求,為新穎且有效的治療開闢新道路,也能延伸到癌症之外的代謝性疾病,例如糖尿病、神經退行性疾病、非酒精性脂肪性肝炎等。

延伸閱讀:癌細胞愛吃葡萄糖? 還是胺基酸?

參考資料:
1. Nature Methods, 2019; DOI: 10.1038/s41592-019-0421-z
2. https://www.technologynetworks.com/proteomics/news/casting-a-spotlight-on-cancer-metabolism-with-bioluminescence-319594

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