一种电中性的荧光探针，用于揭示骨巨细胞瘤中脂滴粘度的不均匀性

《Sensors and Actuators B: Chemical》：An electroneutral fluorescent probe for revealing lipid droplet viscosity heterogeneity in giant cell tumor of bone

【字体：大中小】 时间：2026年02月09日 来源：Sensors and Actuators B: Chemical 7.7

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　　本研究设计了一种基于TICT机制的分子转子探针LD-B1，用于高粘度骨巨细胞瘤微环境中脂滴（LDs）的特异性成像。该探针在高粘度（1-1410 cP）下荧光增强13倍，光稳定性优异。通过患者来源的GCTB组织成像，发现肿瘤细胞LDs粘度显著高于骨髓细胞，单细胞测序显示脂代谢基因（如NNMT、GPX8）上调，敲低这些基因降低LDs粘度，脂质追踪证实跨细胞脂质运输。研究为骨肿瘤代谢标志物和靶向治疗提供新工具。

齐鲁工业大学（山东科学院）化学与化学工程学院，中国济南250100

摘要

脂滴（LDs）代谢的失调与癌症进展有关，但由于缺乏适合密集肿瘤微环境的成像工具，其在骨巨细胞瘤（GCTB）中的作用仍不清楚。在这里，我们基于扭曲的分子内电荷转移（TICT）机制，合理设计了一种电中性的分子转子作为LDs探针。LD-B1在粘度增加（1–1410 cP）时表现出13倍的荧光增强，具有高光稳定性和对活细胞中LDs的优异特异性。利用这种探针，我们可视化了LDs的动态融合，并绘制了患者来源的GCTB组织中LDs粘度的空间异质性图谱。值得注意的是，肿瘤细胞的LDs粘度显著高于髓系来源的细胞。单细胞/核RNA测序显示肿瘤细胞中脂质代谢基因（如NNMT和GPX8）的上调。此外，敲低这些与脂质相关的因子导致LDs粘度降低，而脂质示踪实验直接证明了从髓系来源细胞到肿瘤细胞的脂质转运。总体而言，这些发现为成像LDs异质性提供了强大的化学工具，并揭示了LDs粘度作为肌肉骨骼肿瘤学中潜在的代谢标志物和治疗靶点。

引言

骨巨细胞瘤（GCTB）是成熟附肢骨骼中最常见的局部侵袭性和溶骨性肌肉骨骼肿瘤[1]。病理学上，GCTB的特点是在溶骨性微环境中同时存在肿瘤基质细胞和反应性的多核破骨细胞样巨细胞，其中广泛的骨破坏是该疾病的经典临床和放射学特征[2]。因此，从组织学确诊的GCTB患者手术切除的溶骨性病变组织代表了真实的疾病特异性标本，能够忠实再现GCTB的病理生理微环境，从而为GCTB的病理生理学建模提供直接的生理和临床相关性。尽管原发性GCTB病变可以通过手术干预有效管理，但值得注意的是，肿瘤进展（如局部复发、恶性转化或远处转移）会导致不良的临床预后[3]，[4]。近年来，代谢研究的进步日益强调了肿瘤细胞代谢重编程——特别是异常脂质代谢——在肿瘤发生和发展中的作用[5]。然而，与其他生物学特征明显显示的经典肿瘤相比，GCTB肿瘤发生和进展的特定生化和代谢特征仍然神秘，并且也无法通过传统的病理方法进行诊断和预测[6]，[7]，[8]。因此，迫切需要一种新颖、高效和精确的检测方法来研究GCTB患者的肿瘤特征。

目前，尽管临床成像和病理方法在GCTB的常规诊断中得到广泛应用，但它们识别细胞内代谢物和揭示肿瘤中异常脂质代谢的能力仍然有限[9]。脂滴（LDs）是调节脂质代谢的关键细胞器，其动态变化（尤其是异常粘度）与肿瘤增殖和侵袭等侵袭性行为密切相关[10]，[11]。研究表明，在缺氧、酸性或营养匮乏的肿瘤微环境中，饱和脂肪酸（如棕榈酸）的积累和胆固醇代谢紊乱会导致高粘度LDs的形成[12]，[13]，[14]；这种现象已在肺癌和结肠癌等多种实体瘤中得到证实，但在GCTB中的相关机制尚不清楚[15]，[16]。

目前，LDs的检测主要依赖于Oil Red O染色等技术，这些技术的灵敏度和特异性不足，难以满足GCTB深入研究的需要[17]，[18]，[19]。近年来，荧光探针技术的突破为这一领域提供了新的途径。如图1a所示，在2018年之前，研究主要集中在基本的LDs成像上[20]，[21]，[22]，[23]，例如Liu团队（2015年）监测了与凋亡相关的LDs动态[20]。2018年，Yu及其同事开发了用于脂肪肝疾病诊断的LDs特异性探针N-Cy[22]。2020年后，研究人员开发了一系列双功能探针，能够同时成像LDs以及半胱氨酸、HSA和SO?等生物标志物[24]，[25]，[26]。值得注意的是，LDs的特定物理化学状态，特别是粘度，因其在本细胞代谢和应激反应中的作用而受到越来越多的关注。2022年，Tang等人开发了七种粘度-荧光探针，其中dco-5可以检测脂滴粘度的变化[27]。此外，Ge等人开发的探针可以利用PC-12细胞检测帕金森病模型中的粘度变化[28]。2024年，Wang等人报告了一种红光发射粘度探针MDXB[29]，而Fu等人设计了WD-1来可视化化疗诱导的铁死亡过程中LDs粘度的实时变化[30]。然而，GCTB是一种具有丰富基质和多种细胞类型的骨肿瘤，其脂质代谢特征尚未得到充分探索。

LDs粘度的异质性是细胞代谢紊乱的关键生物标志物[17]，[31]，但现有的荧光探针存在双重限制：具有过多双键的分子转子光稳定性和化学稳定性较差，而带电设计会受到生物基质的干扰[32]。为了解决这一问题，我们构建了一种合理的分子工程策略：使用氰基受体确保电荷中性，同时不牺牲对粘度变化的响应性旋转（图1b）。关键的是，亲脂性芳基基团的策略性整合确保了精确的LDs靶向，而不影响化学稳定性。

本文合理设计了两种新的LDs粘度探针（LD-B1和LD-B2），其特征是含有一个强吸电子基团（-CN）和一个芳环以提高亲脂性。与之前报道的探针相比，LD-B1在光稳定性、抗干扰能力和细胞毒性方面具有优势（具体比较见表S1）。我们应用这种探针研究了GCTB中LDs的异质性及其与临床病理特征的相关性（图1c）。这项研究描绘了LDs在肿瘤细胞和非肿瘤髓系来源细胞群体中的空间分布和表型多样性，揭示了GCTB微环境的独特物理化学性质。此外，单细胞水平的综合生物学分析阐明了与GCTB中LDs积累和脂质转运相关的关键代谢特征，为肌肉骨骼肿瘤学中的新型诊断和治疗靶点提供了基础框架。

试剂和仪器

Roswell Park Memorial Institute（RPMI-1640）、胎牛血清、青霉素、链霉素溶液、Ham's F12K培养基和胰蛋白酶EDTA溶液均购自上海Basal Media Technologies Co., Ltd。水溶液是在电阻率为18.2 mΩ·cm1的Millipore水中制备的。¹³C NMR光谱是在Bruker Avance II光谱仪上以400或100 MHz（以内标TMS）记录的。HRMS（高分辨率质谱）数据是在Waters ACQUITY光谱仪上获得的。

LD-B系列探针的光物理性质

LD-B系列探针的合成过程如图S1所示，其结构通过1H NMR、13C NMR和HRMS（图S2–S7）得到确认。LD-B1和LD-B2的光物理性质在甘油/水混合物中进行了评估。如图1a-b和S8a所示，LD-B1在460 nm处表现出最大吸收。当粘度从1.0升至1410 cp（0–100%甘油）时，其在602 nm处的荧光发射增强了13倍，这归因于高粘度下C=C键的旋转受限。

结论

在这项研究中，我们提出了两种合理设计的电中性分子转子（LD-B1和LD-B2），它们克服了传统带电探针在成像富含脂质的密集环境中的局限性。其中，LD-B1表现出出色的粘度敏感性和光稳定性，其TICT响应机制通过高斯计算得到了有力证明。此外，它不仅允许在活细胞中对LDs动态（如融合）进行特异性标记和实时跟踪，而且

CRediT作者贡献声明

Xinyue Li：撰写——原始草案、软件开发、方法学设计、实验实施、数据分析、概念化。Yuezhi Cui：撰写——审稿与编辑、数据可视化、验证、数据分析。Feifei Sun：数据可视化、验证、数据分析。Mengmeng Dou：数据分析。Mengqi Yan：数据分析。Xianhao Shao：撰写——审稿与编辑、项目监督、资源获取、数据管理、概念化。Lin Gao：