目的：一、合成环状分子探针iCREKA,验证该环肽的靶向性和穿膜能力,为进一步的探针制备和肿瘤靶向显像奠定基础。二、用异硫氰酸荧光素(fluorecein isothiocyante,FITC)标记环肽制备荧光探针(FITC-iCREKA),用荧光成像方法研究该荧光探针能否使肿瘤显像,评价该探针能否发展成为肿瘤的靶向荧光分子探针。三、用正电子核素18F标记环肽iCREKA制备PET分子探针(18F-iCREKA),通过用：microPET/CT显像,探索并评价该探针用于肿瘤PET/CT显像的可行性。方法：一、环状分子探针iCREKA的合成及靶向性和穿膜作用的验证1.环状分子探针iCREKA的化学合成先采用固相9-芴甲氧羰基(Fmoc)肽化学合成方法合成线性多肽CREKAPLGLAGRKKRRQRRRC。以2—氯三苯基氯树脂为载体,配合Fmoc氨基保护策略,按照氨基酸序列从羧基端(C端)至氨基端(N端)按顺序添加氨基酸,首先将C端第一个氨基酸即Cys的羧基以共价键的形式与树脂相连,再以Cys的氨基为合成起点,使其与Arg的羧基发生酰化反应,形成肽键。反应结束后用适量的吡啶和乙酸酐封闭树脂上剩余的活性位点。后续氨基酸以HOBt/HBTU/DIEA为缩合剂依次连接,直至合成整条线性多肽。然后将首尾两个Cys进行环化处理,环化后再将一个赖氨酸,连在C末端。为增加iCREKA的稳定性,对其进行N端乙酰化修饰。反应结束后,以三氟乙酸为主切割剂将目的肽段从树脂上裂解下来,合成产物经高效液相色谱分离、纯化、分析,质谱分析鉴定。2.异硫氰酸荧光素(FITC)标记iCREKA将异硫氰酸荧光素(FITC)与环肽iCREKA的末端赖氨酸相反应而制备荧光标记多肽探针FITC-iCREKA.在采用固相9-芴甲氧羰基(Fmoc)肽化学合成方法合成环肽iCREKA后,将FITC连于末位赖氨酸的氨基。即用碳酸氢钠缓冲液pH9.8稀释Fmoc-Lys-OH为5mg/ml放入透析袋,将透析袋放入100ml含0.1 mg/ml FITC的pH9.8碳酸氢钠缓冲液(新配制)的烧杯中,用铝铂包烧杯以避光,4℃搅拌过夜；上述溶液对PBS在4℃透析以终止反应,其间至少更换PBS液三次,直致480nm的吸收为零；加入0.5g/L的叠氮钠。反应结束后,以三氟乙酸为主切割剂将目的肽段从树脂上裂解下来,合成产物经高效液相色谱分离、纯度,质谱分析鉴定。3.对照肽FITC-CREKA的合成先按固相肽合成方法合成对照肽CREKA,再将FITC标记在赖氨酸的侧链氨基上。4.MMP-2对FITC-iCREKA细胞穿膜能力的作用的验证(1)加入金属蛋白酶2(MMP-2)后与脑胶质瘤U87细胞结合实验：a.细胞准备：选用裸鼠脑胶质瘤细胞株U87。胶质瘤U87肿瘤细胞株在5%CO2,37℃,含10%胎牛血清和1%青霉素-链霉素的1640培养基中培养至细胞处于对数生长期时,用2ml含0.25%EDTA的胰酶消化2分钟,含血清培养基中和胰酶,传代至35mm培养皿,待细胞贴壁时备用。b.MMP-2活化：取80μL 0.7mg/ml鼠源性MMP2/Tris.HCl溶液,加入0.1ml2.5mmol/L4-APMA,37℃水浴箱中孵育2hr。c.荧光检测：取100 μl0.7mg/ml活性MMP-2/1640溶液,加入0.9ml新鲜配置无血清细胞培养基荧光素探针FITC-iCREKA 10mg/ml溶液,过滤除菌,分别加入1ml至上述细胞培养皿,37℃孵育60min后,PBS冲洗培养皿(5min×3次),75%酒精固定,DAPI染色后,置于荧光显微镜下观察活细胞内荧光的分布情况。胰酶消化,用流式细胞仪检测细胞内荧光摄取强度。(2)未加入MMP-2时与脑胶质瘤U87细胞结合实验：a.细胞准备：选用裸鼠脑胶质瘤细胞株U87。胶质瘤U87肿瘤细胞株在5%CO2,37℃,含10%胎牛血清和1%青霉素-链霉素的1640培养基中培养至细胞处于对数生长期时,用2ml含0.25%EDTA的胰酶消化2分钟,含血清培养基中和胰酶,传代至35mm培养皿,待细胞贴壁时备用。b.荧光检测：加入与上述实验相同量的荧光素探针FITC-iCREKA,过滤除菌,分别加入1ml至上述细胞培养皿,37℃孵育60min后,PBS冲洗培养皿(5min×3次)后,置于荧光显微镜下观察活细胞内荧光的分布情况。胰酶消化,用流式细胞仪检测细胞内荧光摄取强度。(3)对照肽FITC-CREKA与脑胶质瘤U87细胞结合实验按照与实验4相同的方法,将U87细胞与对照肽FITC-CREKA进行细胞结合实验,用荧光显微镜观察加入MMP-2和未加入MMP-2细胞内荧光的分布情况。胰酶消化,用流式细胞仪检测细胞内荧光摄取强度。5.荷脑胶质瘤U87裸鼠肿瘤模型的建立和确认(1)荷脑胶质瘤U87裸鼠肿瘤模型的建立采用裸鼠脑胶质瘤U87细胞株。取对数生长期的肿瘤细胞,用含0.25%EDTA的胰蛋白酶消化3分钟后,1000rpm离心5min,弃上清,加入无菌的PBS,轻轻吹打使之成为单细胞悬液,取一滴细胞悬液滴在细胞计数板上计数,并用PBS将浓度调整为1×106个细胞/0.2ml的细胞悬液。取4-6周龄的雌性裸鼠,用75%的酒精棉球在裸鼠右侧腋窝消毒,用胰岛素注射器在消毒部位皮下注射上述细胞悬液,注射剂量为0.2ml/只。SPF条件下饲养,当瘤体直径长至1cm,将裸鼠麻醉,剖出肿瘤组织,小心去除肿瘤包膜,将肿瘤组织切成小块,用接种针将组织接种到右侧腋窝皮下。共接种40只裸鼠,观察成瘤情况。待肿瘤直径达5-10mm时,用于实验研究。(2)组织病理学检查将成瘤的裸鼠处死,分离取出肿瘤组织,做石蜡切片,进行HE染色,然后用正置显微镜观察是否为脑胶质瘤。6.FITC-iCREKA在肿瘤模型体内靶向性的验证取荷脑胶质瘤裸鼠的尾静脉注射FITC-iCREKA (1mM,150 ul),于注射后1小时处死动物,分离肿瘤组织,迅速做冰冻切片。用兔源性抗纤维蛋白原抗体做一抗,Cy3标记山羊抗兔IgG为二抗,做免疫荧光。置于荧光显微镜下观察纤维蛋白原及FITC-iCREKA在肿瘤组织内的分布情况。7.肿瘤组织内金属蛋白酶-2(MMP-2)免疫荧光成像取荷脑胶质瘤裸鼠的尾静脉注射FITC-iCREKA (1mM,150 μl),于注射后1小时处死动物,分离肿瘤组织,迅速做冰冻切片。然后用鼠源性抗MMP-2抗体做一抗,Cy3标记山羊抗小鼠IgG为二抗,做免疫荧光。并用DAPI进行细胞核染色。然后置于荧光显微镜下观察MMP-2及FITC-iCREKA在肿瘤组织内的分布情况。8.FITC-iCREKA在肿瘤组织内的摄取及分布研究经荷胶质瘤裸鼠的尾静脉注射FITC-iCREKA (1mM,150 μl),分别于1小时、2小时、3小时、4小时、5小时、6小时后处死动物,分离肿瘤组织,做冰冻切片,用DAPI (4’,6-diamidino-2-phenylindole)染色后,置于荧光显微镜下观察各时间点FITC-iCREKA在肿瘤组织内的分布情况。对照组：经荷瘤鼠尾静脉注射对照肽FITC-CREKA (1mM,150 μl),在相同时间点处死动物,分离肿瘤组织,做冰冻切片、DAPI染色后,荧光显微镜下观察肿瘤组织内的荧光分布情况。二、肿瘤模型FITC-iCREKA荧光成像研究1. FITC-iCREKA在荷胶质瘤肿瘤模型体内的荧光生物学分布研究(1) FITC-iCREKA肿瘤荧光成像取荷胶质瘤U87细胞株的裸鼠,经尾静脉注射FITC-iCREKA (1mM,150μl),1小时后脱颈处死动物,分离取出肿瘤及脑、心脏、肝脏、脾脏、双肺、双肾、肠道等组织,用生理盐水充分冲洗各组织、脏器表面以去除污染,然后依次摆放于干净的培养皿中,置于荧光成像仪内成像,观察肿瘤及各脏器、组织的荧光分布,并通过勾画ROI测量荧光摄取量,比较肿瘤与正常组织对FITC-iCREKA的摄取差异。(2)对照肽FITC-CREKA荷瘤裸鼠肿瘤及脑组织成像取荷胶质瘤U87细胞株的裸鼠,经尾静脉注射FITC-CREKA (1mM,150μl),1小时后脱颈处死动物,分离取出肿瘤及脑、心脏、肝脏、脾脏、双肺、双肾、肠道等组织,用生理盐水充分冲洗各组织、脏器表面以去除污染,然后依次摆放于干净的培养皿中,置于荧光成像仪内成像,观察肿瘤及各脏器、组织的荧光分布,并通过勾画ROI测量荧光摄取量,比较肿瘤与正常组织对FITC-CREKA的摄取差异。2.荷胶质瘤肿瘤模型冠状断层成像取荷胶质瘤U87裸鼠,经尾静脉注射FITC-iCREKA (1mM,150μl),暗室放置1小时后脱颈处死,置于-80冰箱过夜,次日将动物进行冠状位切层,暴露肿瘤组织后将动物置于洁净的培养皿,用荧光成像仪进行成像观察各个组织、脏器及肿瘤内荧光分布情况。3.荧光成像分析用荧光显像仪Kodak In-Vivo Imaging System F配置的Kodak MI分析软件进行图像分析。在荧光图像上沿肿瘤和各组织的边缘勾画感兴趣区(Region of interest, ROI),测量各感兴趣区内的荧光计数,计算肿瘤与正常组织的肿瘤/非肿瘤比值Otumor/non-tumor, T/NT ratios)。三、PET分子探针18F-iCREKA的合成和PET/CT显像研究1.合成18F-iCREKA以2-溴丙酸乙酯为前体,经过18F亲核取代、氢氧化钾水解,再与二对硝基苯碳酸酯(NPC)反应得到活化的18F-NFP,多肽与18F-NFP在无水二甲基亚砜(DMSO)溶剂中,以二异丙基乙基胺(DIPEA)为碱,40℃下反应5min,多步骤反应合成18F-FP-iCREKA。用0.22μm微孔滤膜去除细菌。然后用HPLC和放射性薄层层析法(TLC)测定其化学纯度和放化纯度。总反应时间为180分钟,放化纯度为97%。2. micro PET/CT 显像：取荷胶质瘤U87裸鼠,经尾静脉注射18F-iCREKA显像剂5.50-7.40MBq(150～200μCi),用异氟醚麻醉后分别于30分钟、60分钟及120分钟行microPET/CT显像(图像采集时间为10分钟),观察肿瘤及各组织对18F-iCREKA的摄取情况。所用仪器为Inveon microPET/CT扫描仪(SIEMENS, Germany)。图像均采用3维的有序子集最大期望值法(ordered subsets expectation maximum, OSEM)进行图像重建并用CT进行衰减校正。3. microPET/CT图像分析采用microPET/CT配置的Syngo分析软件,在PET图像上沿肿瘤和各组织的边缘勾画感兴趣区,测量各感兴趣区内的放射性计数,计算肿瘤与正常组织的肿瘤/非肿瘤比值。四、统计学分析采用SPSS 20.0统计软件进行分析。计量资料以均数±标准差表示,加入MMP-2和未加入MMP-2时荧光强度比较采用两独立样本t检验；加入MMP-2后FITC-iCREKA与对照肽荧光强度比较采用两独立样本t经验；FITC-iCREKA与对照肽肿瘤/非肿瘤比值比较采用两独立样本t检验；P<0.05认为差异有统计学意义。结果：一、环状分子探针iCREKA的合成及靶向性和穿膜作用的验证1.环状分子探针iCREKA的化学合成固相合成的环状分子探针iCREKA呈现为白色粉末。经质谱分析鉴定,主峰分子量(m/z：Da)为2668.8,与iCREKA的理论分子量2665.26相符,证明合成正确。经HPLC纯化、分析结果显示iCREKA的纯度为98.27%。2.异硫氰酸荧光素(FITC)标记iCREKAFITC-iCREKA合成后产物为粉黄色粉末。质谱分析鉴定,FITC-iCREKA的主峰分子量(m/z,Da)为3170,与FITC-iCREKA的理论分子量3167.81相符,证明标记成功。经HPLC纯化、分析结果显示FITC-iCREKA纯度为98.23%。3.对照肽FITC-CREKA的合成FITC-CREKA合成后产物为粉黄色粉末。质谱分析鉴定,FITC-CREKA的主峰分子量(m/z,Da)为993,6,与FITC-CREKA的理论分子量995.09相符,证明标记成功。经HPLC纯化、分析结果显示FITC-iCREKA纯度为98.66%。4.MMP-2对FITC-iCREKA细胞穿膜能力的作用的验证(1)加入金属蛋白酶2(MMP-2)后与脑胶质瘤U87细胞结合实验：经酒精固定和DAPI染色后,置于倒置显微镜下,首先用蓝光激发可见U87细胞膜及细胞质内出现高强度的绿色荧光；用蓝紫色光激发可见深蓝色细胞核显像：绿色荧光出现的位置与细胞核位置吻合。说明FITC-iCREKA能被MMP-2切开,并通过细胞膜进入细胞内。共聚焦显微镜下观察荧光在细胞内的分布,结果显示,细胞膜、细胞浆、核膜及核仁内均可见高强度的绿色荧光分布。说明加入MMP-2后,FITC-iCREKA不仅能够穿过细胞膜进入细胞浆,还能穿过核膜进入核仁内。(2)未加入MMP-2时与脑胶质瘤U87细胞结合实验：将与上述实验相同量的荧光探针FITC-iCREKA与U87细胞在相同条件下孵育,经固定及DAPI染色后,置于倒置显微镜下观察,发现U87细胞仅有轻微的绿色荧光摄取。说明未加入MMP-2时,FITC-iCREKA无法穿过细胞膜进入细胞内。共聚焦显微镜观察可见,细胞内仅有极少量绿色荧光摄取。流式细胞仪检测结果显示,加入活化的MMP-2后的荧光强度明显高于未加入时的荧光强度,差异具有统计学意义(14591.33±3099.18 vs.3328.50±910.05,t=4.774,P=0.017)。(3)对照肽FITC-CREKA与脑胶质瘤U87细胞结合实验：将对照肽FITC-CREKA与U87细胞进行细胞结合实验,结果显示,无论加入活化的MMP-2还是未加入MMP-2,细胞内均仅见极少量绿色荧光分布,提示,FITC-CREKA无穿膜能力,不能进入细胞内。同样加入活化的MMP-2孵育后,实验组(FITC-iCREKA)的细胞内荧光强度明显高于对照肽FITC-CREKA细胞内的荧光强度,差异具有统计学意义(14591.33±3099.18vs.3259.67±654.45,t=-6.196,P=0.003)。5.脑胶质瘤U87肿瘤模型的建立无胸腺裸鼠皮下接种U87细胞,SPF环境下饲养15天左右可见局部皮肤小凸起,经2-3周肿瘤生长至5mm～10mm用于实验。共接种40只,其中32只成瘤,8只无肿瘤生长,成瘤率为80%。将其中1只模型的肿瘤组织做HE染色,进行病理组织学检测,结果显示符合高级别脑胶质瘤改变。6.FITC-iCREKA在肿瘤模型体内靶向性的验证为验证FITC-iCREKA对肿瘤间质内纤维蛋白的靶向性,将荷瘤鼠尾静脉注射FITC-iCREKA后1小时分离肿瘤组织,进行纤维蛋白原免疫荧光实验,观察肿瘤组织内纤维蛋白原的分布。荧光显微镜下可见,肿瘤组织内分布大量红色荧光,呈条索状；同时可见大量绿色荧光,且二者的分布及位置一致。说明肿瘤组织内存在大量纤维蛋白原,且FITC-iCREKA能与肿瘤组织内的纤维蛋白特异性结合。7.肿瘤组织内金属蛋白酶-2(MMP-2)免疫荧光成像为观察肿瘤组织内MMP-2的表达情况,将荷瘤鼠尾静脉注射FITC-iCREKAl小时后分离肿瘤组织,做MMP-2的免疫荧光实验。荧光显微镜下,肿瘤组织内见大量红色荧光,与细胞核位置相吻合。说明肿瘤组织内明显高表达MMP-2。8.FITC-iCREKA在肿瘤组织内的摄取及分布研究经荷瘤鼠尾静脉注射FITC-iCREKA (1mM,150μl)后在不同时间点分离肿瘤组织,制作切片在荧光显微镜下观察荧光标记多肽在肿瘤内的分布情况,结果显示在注射后1小时,FITC-iCREKA大量聚集于肿瘤间质内,肿瘤细胞未见明显荧光摄取。在注射后3小时,肿瘤细胞内可见明显荧光摄取。经荷瘤鼠尾静脉注射对照肽FITC-CREKA后在相同时间点分离肿瘤组织,制作切片在荧光显微镜下观察,结果显示,荧光一直聚集于肿瘤间质,肿瘤细胞内始终未见荧光摄取。静脉注射FITC-iCREKA后分离荷瘤鼠脑组织行切片荧光显像,结果发现正常脑组织仅有少量荧光摄取,明显低于肿瘤组织。二、胶质瘤FITC-iCREKA荧光成像研究1. FITC-iCREKA荧光探针在荷瘤鼠体内的生物学分布研究荷瘤鼠经尾静脉注射FITC-iCREKA后1小时荧光成像,结果显示肿瘤可见明显绿色荧光分布,明显高于正常脑组织,为较为客观评价FITC-iCREKA在体内的分布情况,我们利用成像仪配制的图像分析软件沿脏器及组织边缘勾画感兴趣区,测定感兴趣区内的荧光摄取值,根据肿瘤/非肿瘤比值来评价探针在体内的分布差异。本研究中,肿瘤/脑的比值为3.2±0.78,其他脏器中,双肾及肠道可见明显绿色荧光,肿瘤/肾、肿瘤/小肠比值低于2.0,但肿瘤与其他脏器的比值均>2.0。FITC-iCREKA在荷瘤裸鼠的体内分布与在正常裸鼠的体内分布基本一致,均是经肝胆和泌尿系统排泄,在荷瘤裸鼠体内FITC-iCREKA在肝脏内清除也较快,1小时成像时已基本排泄完。注射对照肽FITC-CREKA的荷瘤裸鼠分离肿瘤组织后,荧光成像结果显示,肿瘤内仅见少量荧光摄取,略高于脑组织,肿瘤/脑比值为1.63±0.68,明显低于FITC-iCREKA的肿瘤/脑比值,两者差异具有统计学意义(3.2±0.78 vs.1.63±0.68,-5.067,P=0.000)。2.荷瘤鼠整体荧光断层成像取荷胶质瘤U87裸鼠,经尾静脉注射FITC-iCREKA (1mM,150μl),暗室放置1小时后脱颈处死,置于-80冰箱过夜,次日将动物进行冠状位切层,暴露肿瘤组织后用荧光成像设备成像。从整体情况看,荧光分布与分离脏器组织后成像的分布基本一致。首先可见肿瘤呈荧光明显摄取,荧光强度明显高于正常脑组织,其他脏器心脏、双肺、肝脏、脾脏及肌肉组织内荧光分布均很低,但肠道荧光摄取很高,此外皮肤也呈明显荧光摄取。该整体断层成像亦提示FITC-iCREKA能特异性靶向肿瘤病灶,但需排除皮肤自发光的影响。三、PET分子探针18F-iCREKA的研制和PET/CT显像研究1)18F-iCREKA的放化标记首先制备辅助基团18F-NFP,2-溴丙酸乙酯经过亲核氟化、KOH水解和NPC活化三步“一锅法”反应制得的18F-NFP,18F-NFP与多肽偶联再经过固相柱PlusC18分离纯化,成功得到放化纯度为97%的18F-iCREKA,总反应时间为180分钟。18F-iCREKA液体澄清、透明,经用0.22μm微孔过滤器除菌后用于动物显像研究。2)荷瘤鼠microPET/CT显像研究：取肿瘤直径在5mm-10mm的荷胶质瘤U87裸鼠,经尾静脉注射显像剂18F-iCREKA 150μCi左右,分别在注射后30分钟、60分钟及120分钟行microPET/CT显像,结果显示,首先,在显像的各个时间点均未观察到骨骼内有放射性聚集,说明此显像剂在体内未出现脱氟情况,较稳定。其次,从图像上来看,注射显像剂30分钟显像时,即可见肿瘤明显显像,但是更多的显像剂聚集在腹腔肝脏和肠道内,膀胱内的放射性也很高,全身肌肉等血本底较高,脑组织未见放射性分布。60分钟显像时,肿瘤内放射性摄取较前升高,显像较前清楚,周围血本底放射性分布下降,肝脏、肠道和膀胱内仍见大量放射性分布,脑组织内仍未见放射性分布。120分钟时显像,肿瘤内放射性摄取进一步升高,显像更清楚,边界清楚,肝脏放射性下降,但可见双肾明显显影,肠道和膀胱的放射性仍然很高。从各时间点的microPET/CT图像看,该探针在体内的生物学分布与荧光成像时的分布大致相同,均提示是经肝胆系统和泌尿系统排泄,这对腹盆腔脏器和肿瘤的显示造成困难。结论1.本研究成功地合成了环状分子探针iCREKA,纯度为98.27%,可满足实验要求。2.成功地用FITC标记iCREKA而制备了荧光探针FITC-iCREKA,纯度达98.23%,达到体内及体外实验要求。3.体外细胞摄取实验证明iCREKA能被MMP2在特定位点切开,并能进入细胞被胶质瘤U87细胞大量摄取。4.肿瘤组织荧光成像证明FITC-iCREKA能大量聚集于肿瘤组织内,主要被肿瘤细胞摄取。5.荷瘤鼠体内荧光生物学分布研究及整体断层显像显示FITC-iCREKA能特异性靶向胶质瘤病灶并将病灶充分“染色”,肿瘤/脑比值高。6.荷瘤鼠体内荧光生物学分布研究显示FITC-iCREKA主要经肝胆系统及泌尿系统排泄。7.成功制备了PET分子探针18F-iCREKA,放化纯度达97.0%,达到体内及体外实验要求。8.荷瘤鼠microPET/CT和PET/CT显像证实18F-iCREKA可以特异性靶向胶质瘤病灶,在注射后30分钟显像即可见肿瘤显像,并随时间延长,肿瘤显像更加清楚,而周围血本底随时间延长而下降,具有很好的肿瘤与非肿瘤比值。荷瘤鼠体内18F-iCREKA放射性分布与FITC-iCREKA体内荧光分布相一致。提示18F-iCREKA可做为靶向肿瘤的PET分子探针,在肿瘤的分子显像中具有良好的应用潜能。