《Nature Communications》：Multiscale imaging on proton pump-driven acidity for assessing tumor progression and metastasis
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本研究针对肿瘤微环境(TME)酸度在体可视化与定量监测的难题，开发了一种pH响应比率型光声传感器(PPS)，实现了从肝癌(HCC)发生、发展到转移的全过程TME酸度动态监测。研究证实V-ATPase亚基ATP6V0C是TME酸化的关键调控因子，其高表达与HCC不良预后显著相关。PPS辅助的光声分子成像不仅可精准界定肿瘤边界，其酸性增强的光热效应与质子泵抑制剂(PPI)联用更可协同抑制肿瘤生长，为肝癌早期诊断和靶向酸性TME的精准治疗提供了新策略。
在癌症研究领域，肿瘤微环境(tumor microenvironment, TME)的酸性特征已被视为肿瘤进展的重要标志。这种酸度主要源于肿瘤细胞异常的代谢重编程——即便在氧气充足条件下，肿瘤细胞也优先通过糖酵解获取能量（即"瓦博格效应"），产生大量乳酸和质子。这些酸性代谢物通过质子泵（如V-ATPase）和乳酸转运体被排出细胞，导致细胞外pH值降至6.5-6.8的酸性范围。这种酸性环境不仅促进肿瘤生长、侵袭和转移，更为早期诊断和治疗提供了潜在靶点。然而，现有技术难以在体实现TME酸度的高灵敏、特异性可视化监测，特别是在肿瘤早期和转移阶段，酸度水平低且动态变化，制约了相关研究和临床应用。
针对这一瓶颈，南方医科大学珠江医院、中国科学院深圳先进技术研究院等单位的研究团队在《Nature Communications》发表最新研究成果，开发了一种多尺度成像策略，通过pH响应比率型光声传感器(PPS)动态监测质子泵驱动的TME酸度，为评估肿瘤进展和转移提供了新工具。
研究团队首先通过生物信息学分析和临床样本验证，发现V-ATPase亚基ATP6V0C在肝癌组织中显著高表达，且与肝癌进展和不良预后密切相关。在此基础上，他们设计合成了基于聚苯胺(PANI)的PPS探针，该探针在酸性条件下可从翡翠碱基(emeraldine base, EB)转变为翡翠盐(emeraldine salt, ES)状态，导致在780 nm处吸收增强和光声信号放大，而1064 nm处信号保持稳定，从而实现比率型pH定量检测。
关键技术方法包括：1）PPS的合成与表征；2）多种肿瘤模型（皮下、原位、转移模型）构建；3）光声成像系统（声分辨率光声显微镜AR-PAM和光声断层成像PACT）；4）分子对接分析ATP6V0C与埃索美拉唑(esomeprazole, ESOM)相互作用；5）体外体内光热治疗(photothermal therapy, PTT)评价；6）临床肝癌样本离体验证；7）转录组测序和单细胞测序分析。
研究结果主要体现在以下方面：
ATP6V0C作为人HCC预后生物标志物的鉴定
通过对TCGA和GEO数据库分析发现，ATP6V0C在HCC组织中表达显著高于癌旁组织，在晚期HCC（III-IV期）中表达高于早期（I-II期）。Kaplan-Meier生存分析显示高ATP6V0C表达与患者不良预后相关。免疫荧光染色证实ATP6V0C在HCC组织中过度表达。
PPS的合成与表征
PPS由PANI与DSPE-PEG-COOH复合而成，形成约80 nm的均匀纳米颗粒。在pH从7.0降至3.0过程中，PPS在780 nm处吸光度逐渐增加，而1064 nm处保持稳定。透射电镜和动态光散射显示PPS在pH 6.5时粒径增大至130 nm，可能有利于其在酸性TME中积累。PPS在鸡组织中探测深度达15 mm，且对PBS、KCl、NaCl、MgSO4、葡萄糖、H2O2和蛋白酶等TME常见组分具有高特异性。
早期HCC模型中PPS辅助的PA成像
在HCC发展初期，PPS辅助的PA成像从第3天开始检测到PA780/PA1064比率显著增加，对应局部pH从中性(pH 7.33)降至酸性(pH 7.08)，第7天进一步降至pH 6.42。质子泵抑制剂(PPI)预处理可显著减弱这种pH下降。相关性分析显示缺氧与酸度呈负相关(r=-0.9586)，缺氧与血管生成呈正相关(r=0.9946)，表明酸性TME、缺氧和血管生成在肿瘤形成超早期即出现且密切相关。
肝脏原位和转移肿瘤模型中PPS辅助的PA成像
在肝脏原位HCC和胰腺癌肝转移模型中，PPS在肿瘤负荷肝脏中780 nm处PA信号显著增加，而1064 nm处相对稳定。比率分析可在注射后9小时清晰区分肿瘤与正常肝组织。在大鼠原位HCC模型中，PPS介导的PA成像与MRI和PET结果一致，可精确可视化肝内肿瘤病变。
PPS辅助PA成像引导的淋巴结转移瘤模型淋巴结清扫术
在淋巴结转移瘤模型中，与良性淋巴结相比，转移淋巴结检测到显著更高的PA信号，对应酸性微环境(pH≈6.5)。PA成像引导下可精确定位并手术切除转移淋巴结，术后H&E和细胞角蛋白8(CK8)免疫组化证实为肿瘤浸润淋巴结。
人HCC样本的PPS辅助PA成像
7例HCC患者手术标本经PPS孵育后，PA成像显示肿瘤区域780 nm信号显著强于癌旁组织，比率成像可清晰界定肿瘤边界。离体成像保留了原始TME的分子特征和肿瘤内异质性，为基于酸特异性识别肿瘤区域提供了新方法。
ATP6V0C促进酸性TME产生
分子对接显示FDA批准的PPI药物埃索美拉唑(ESOM)与ATP6V0C具有高结合亲和力，形成与SER98和SER102的氢键。ESOM处理48小时后，HepG2和HCCLM3细胞中ATP6V0C表达显著降低，细胞内pH降低，细胞伪足减少，增殖和侵袭能力受抑制。体内PPS辅助PA成像显示ESOM处理小鼠48小时PA比率降低36%，对应TME短暂碱化，表明通过V-ATPase抑制有效抑制了酸性TME。
基于PPS的PTT和ATP6V0C抑制协同抑制肿瘤生长
PPS在酸性条件下增强的光热效应与ESOM联用可协同抑制肿瘤生长。PPS+Laser+ESOM组肿瘤抑制效果最显著，TUNEL染色显示凋亡增加，Ki-67染色显示增殖减少。体内RNA-seq分析发现602个差异表达基因，GO和KEGG富集分析显示这些基因主要富集于调控增殖、转移和代谢的核心通路。单细胞转录组分析显示，PPS+Laser+ESOM策略的疗效在晚期HCC阶段可能提高。
生物安全性评价
PPS在浓度高达500μg/mL时对正常肝细胞(THLE-3)和肝癌细胞系无显著细胞毒性，溶血试验显示溶血率极低。长期毒性研究显示静脉注射PPS后28天内，血液参数、体重和主要器官组织病理学无显著异常。
研究结论表明，PPS辅助的比率型光声成像为不同肿瘤阶段TME酸度的特异性检测和监测提供了高灵敏度策略，阐明了驱动HCC发展的酸化机制，支持改进早期肿瘤诊断和精准治疗策略。该研究建立了利用质子泵驱动酸成像进行精准癌症诊断和治疗的框架，通过整合诊断成像与治疗干预，为癌症管理提供了全面临床工具。未来研究可聚焦于将PPS与其他基于TME代谢特征的多功能分子成像策略结合，进一步优化其诊断和治疗效用。
