利用光声成像与氘代谢成像对原位乳腺癌转移—缺氧时间性改变进行早期检测：体内评估

乳腺癌是女性中最常见的恶性肿瘤，远处转移是导致死亡的主要原因。三阴性乳腺癌（TNBC）具有极高的肺转移风险，而一旦发生转移，其5年生存率仅约为∼10.94%。当前临床中的一个关键空白在于缺乏可用于转移早期预测的无创性生物标志物，因为常规影像学方法无法检测早期微转移以及动态代谢扰动。本研究旨在表征乳腺癌肺转移过程中糖酵解通量、乳酸代谢和缺氧的时间动态变化，并验证用于早期预测的代谢成像生物标志物。

研究人员通过将4T1细胞植入BALB/c小鼠建立原位TNBC模型，随后采用光声（PA）成像、氘代谢成像（DMI）、计算机断层成像（CT）以及苏木精-伊红（H&E）染色进行纵向监测。研究识别出一条明确的转移时间线：肺微转移灶在第2周出现，而CT仅在第3周才能检测到宏转移灶。PA成像显示，第2周出现代偿性缺氧，其表现为氧饱和度从∼70%下降至∼60%。与此同时，DMI显示葡萄糖摄取增加约∼2倍，乳酸积累增加超过2倍，提示有氧糖酵解增强。缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）在第2周和第3周显著上调，并与宏转移进展相一致。第2周代谢重编程与微转移起始之间的时间耦联凸显了乳酸作为关键促转移代谢物的重要作用。DMI联合PA成像能够在CT可检测的宏转移出现之前，无创检测代谢与缺氧改变，从而为乳腺癌转移的早期预警和精准干预提供预测性生物标志物及技术平台。

该论文发表于《Chemical》。研究聚焦于乳腺癌，尤其是三阴性乳腺癌（TNBC）肺转移的早期预警问题。乳腺癌是女性最常见的恶性肿瘤之一，而远处转移是患者死亡的首要原因。在临床实践中，肺是乳腺癌最常见的转移靶器官之一，TNBC亚型更表现出更高的肺转移倾向。一旦进入转移阶段，患者总体预后极差，5年生存率仅约∼10.94%。然而，真正决定治疗时机和预后的“转移窗口期”往往发生在肺部微转移刚刚启动但尚未被常规影像学识别的阶段。现有CT等形态学影像主要依赖病灶体积与结构改变，难以在微小病灶形成早期实现可靠识别；而传统代谢影像如¹⁸F-FDG PET-CT主要反映葡萄糖摄取，不能直接揭示下游乳酸代谢通量，且电离辐射限制了连续纵向监测。因此，如何建立一种能够同步追踪代谢重编程、缺氧状态与转移进程的无创成像策略，成为乳腺癌转移研究中的关键科学问题。

围绕这一问题，研究人员建立了4T1原位TNBC小鼠模型，并设置非肿瘤对照组作为生理基线；同时进一步构建EMT6原位模型进行独立验证。研究的核心目的在于解析“代谢—缺氧—转移”三者在时间维度上的耦联关系，明确糖酵解增强、乳酸积累和肿瘤缺氧究竟是在微转移发生之前、同时还是之后出现，并评价这些变化是否可作为早期预测生物标志物。结果表明，肺微转移灶在建模后第2周即可由离体肺组织H&E染色识别，而CT直到第3周才能检测到肺部宏转移灶，提示传统结构成像在转移早期存在明确滞后。与之相对，光声成像在第2周已捕捉到肿瘤氧饱和度（SO₂）由约∼70%降至∼60%的代偿性缺氧信号；DMI则在同一时间点揭示葡萄糖摄取增强和乳酸显著积累，表明原发灶内已发生明显糖酵解重编程。研究同时发现，缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）在第2周和第3周升高，并在第3周进一步显著增强，提示其可能更深度参与既有微转移灶向宏转移灶的扩展。综合来看，研究证明了第2周是原位TNBC由局部生长向远处播散转变的关键节点，DMI联合PA成像能够在CT检出前识别促转移代谢与缺氧改变，具有明确的早期预警意义。

就关键技术方法而言，研究人员主要采用了4类技术路径。其一，构建BALB/c小鼠4T1与EMT6原位乳腺癌模型，并按周进行纵向观察；其中4T1模型纳入39只5周龄雌性BALB/c小鼠，EMT6验证队列纳入12只同系小鼠。其二，利用光声（PA）成像定量肿瘤区SO₂、氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白与总血红蛋白，动态评估缺氧状态。其三，采用Bruker 11.7 T平台实施氘代谢成像（DMI）与²H化学位移成像（CSI），在输注[2,3,4,6,6′-²H₅]-葡萄糖后连续追踪Glc、Lac和HDO信号。其四，结合CT、肺组织H&E染色及HIF-1α免疫荧光染色，分别完成转移灶形态学验证与缺氧分子标志评估。

在研究结果部分，论文首先以“Dynamic Monitoring of Tumor Growth, Lung Metastasis, and HIF-1α Expression”为题，系统描述了模型建立后的整体进程。研究显示，原位4T1肿瘤体积在4周观察期内持续增长，说明模型构建稳定成功。肺组织肉眼观察和H&E染色进一步揭示，肺微转移灶最早在第2周出现，到第3周明显扩大，显示出由早期微转移向宏观可见转移转化的过程。对肺内转移灶数量的统计也证实，转移从第2周开始发生。与此同时，对原发瘤HIF-1α的免疫荧光分析表明，其高表达区域在第2周已增加，第3周进一步显著增强。由此可见，微转移的出现与缺氧相关信号的增强在时间上密切相邻，但强烈的HIF-1α激活更突出地对应于宏转移扩展阶段。这一观察提示，原发灶缺氧并非仅在晚期被动出现，而是在转移进程中逐步加重，并可能在不同阶段承担不同生物学功能。

在“In Vivo CT Imaging for Lung Metastasis: Limitations in Early Detection”部分，研究人员采用轴位、矢状位、冠状位及三维重建CT对肺转移进行连续监测。结果显示，第1周和第2周CT均未识别到转移灶，直到第3周才首次出现可见肺转移病灶，第4周则进一步增大并增多。这与前述H&E在第2周即可识别微转移灶形成鲜明对照。研究据此指出，常规CT受空间分辨率限制，难以检测直径<1 mm的早期肺微转移，因此只能在病灶扩增至宏转移后才获得阳性结果。该结果直接说明，单纯依赖CT会低估转移起始时间，削弱转移窗口期内的干预可能性。

在“Longitudinal PA Imaging of Tumor Hypoxia during Metastatic Progression”部分，研究进一步利用PA成像刻画肿瘤缺氧的时间演化。第1周原发瘤SO₂最高，约为∼70%，氧合血红蛋白信号较强，代表肿瘤早期仍具有相对完整的血供与氧合状态，此时肺部尚无可检出的微转移。至第2周，SO₂显著下降至约∼60%，说明肿瘤增殖速度已超过氧供能力，进入代偿性缺氧阶段。值得注意的是，这一时间点与肺微转移灶首次出现完全一致，提示缺氧启动可能是促进早期播散的重要事件。第3周SO₂维持在与第2周相近的较低水平，提示新生血管虽未恢复早期高氧状态，但仍维持了基础供氧，而此时CT已可检测到宏转移灶。研究因此认为，相较于CT所反映的既成转移，PA检测到的第2周缺氧变化更具有早期风险提示价值。

在“DMI Captures Metabolic Reprogramming Associated with Early Metastasis”部分，研究人员借助DMI从代谢层面揭示了转移相关变化。第1周时，DMI伪彩图显示氘标记葡萄糖（Glc）摄取和氘标记乳酸（Lac）生成均较低，HDO信号稳定，提示肿瘤代谢总体处于较低活跃状态，与无肺微转移的病理结果一致。到第2周，在PA提示代偿性缺氧的同时，DMI观察到明显代谢重编程：Glc信号空间范围扩大、强度升高，峰值约增加至第1周的∼2倍；更为关键的是，Lac信号出现广泛而显著的积累，120 min时信号与浓度均超过第1周的2倍以上。研究据此认为，第2周糖酵解增强及乳酸积累与肺微转移起始同步发生，乳酸可能通过塑造促转移肿瘤微环境（TME），促进免疫逃逸、细胞外基质（ECM）重塑及上皮—间质转化（EMT）。此外，第3周DMI仍显示高水平葡萄糖摄取和进一步增强的乳酸积累，说明代谢重编程在宏转移阶段持续强化。

在“Quantitative DMI Spectroscopy Validates Glycolytic Reprogramming”部分，论文进一步通过DMI波谱定量验证上述观察。²H波谱清晰分辨出HDO（∼6 ppm）、Glc（∼3.8 ppm）与Lac（∼1.3 ppm）特征峰，证明该技术能够同时区分并量化氧化代谢读出、底物摄取与糖酵解终产物。定量分析显示，HDO峰值在第1周至第3周之间无显著变化，提示氧化代谢总体相对稳定；而Glc和Lac峰值在第2周即较第1周显著升高，第3周则进一步增加，反映Warburg效应持续增强。尽管Lac/Glc比值在4T1模型第2周升高但未达统计学显著性，整体趋势仍支持乳酸生成效率增加。该结果从波谱层面证实，真正与肺微转移启动同步的是糖酵解活化和乳酸积累，而非氧化代谢的大幅改变。

在“Independent Validation in the EMT6 Orthotopic TNBC Model”部分，研究人员通过EMT6原位模型对核心发现进行了独立验证。结果显示，EMT6模型同样在第2周出现肺微转移灶，而CT在这一时点仍为阴性。PA成像显示SO₂从约∼72%显著降至∼61%；DMI则同步检测到Glc摄取与Lac积累升高，波谱分析进一步证实两者峰值均显著增加，而HDO无明显变化。值得注意的是，在EMT6模型中，Lac/Glc比值于这一关键时间点升高，作者提出其可能成为TNBC早期转移风险预测的潜在通用阈值生物标志物。两种遗传背景不同的TNBC模型获得一致结果，显著增强了研究结论的稳健性与可推广性。

讨论部分围绕“代谢—缺氧—转移”轴的时间耦联展开。研究表明，原发瘤在第2周进入代偿性缺氧状态，并伴随显著糖酵解增强和乳酸积累，这一时间点恰与肺微转移起始重合；相比之下，CT检测到的宏转移明显滞后，HIF-1α的强烈上调则更多对应于既有转移灶的扩展阶段。这一结果意味着，乳腺癌尤其是TNBC的远处播散并非等到显著结构异常形成后才发生，而是在原发灶出现早期功能性和代谢性紊乱时便已启动。因此，PA与DMI的联合应用不仅提高了对早期转移风险的识别能力，也为理解转移启动阶段的生物学基础提供了动态证据。研究的重要意义在于提出了一种多参数、无创、可纵向监测的影像平台，可望用于乳腺癌转移早期预警、疗效监测以及精准干预时机判断。

研究结论部分可译为：本研究确定，原位TNBC的肺微转移在第2周出现，CT可检测到的宏转移在第3周出现；并揭示肿瘤代偿性缺氧和代谢重编程在第2周发生，并与微转移起始同步耦联，而HIF-1α在第3周的上调促进宏转移进展。上述核心发现已在EMT6原位TNBC模型的第1周和第2周关键早期时间点得到独立验证，证实了代谢、缺氧与转移时间级联的普遍性。总体而言，这些结果表明，DMI联合PA成像能够在CT可检测宏转移出现之前，无创识别早期代谢与缺氧改变，为乳腺癌转移的早期预警和精准干预提供多参数预测性生物标志物及技术平台。