乏氧现象被认为是一种在细胞和组织的正常生理过程中存在的关键的生物特征。值得注意的是，异常的乏氧应激会引发一系列的病理后果，并在多种疾病发病和恶化过程中起到重要的影响，例如心肌梗死、中风、外周血管疾病和肺病等。其中尤其重要的是，乏氧与肿瘤的发生、发展、转移进程密切相关。了解乏氧变化在肿瘤病理过程中的作用对于开发有效的治疗方法至关重要，因此迫切需要可靠的技术手段来特异性分辨乏氧细胞或组织，并将其与生理环境中动态且复杂的疾病状态相关联，以实现肿瘤的精确诊断和治疗。当前，不同类型乏氧响应探针分子和前体药物的设计理念主要依赖于化学或酶促反应，但鉴于此类分子不受限制的组织内扩散和对环境响应的较低选择性，这些方法在动态分析乏氧相关病理发展以及实时精准治疗的实践中依然存在一定的局限性。

为解决这一问题，新加坡南洋理工大学邢本刚教授课题组联合北京理工大学王志敏课题组利用代谢糖工程（MGE）和生物正交标记技术，提出了一种基于酶激活的糖代谢共价标记探针(pNB-ManNAz)，实现了针对肿瘤病理发生过程中乏氧细胞的精准识别和干预。在病理或生理乏氧条件下，被低氧浓度激活的硝基还原酶 (NTR) 可将pNB-ManNAz经自消除化学转化为可代谢标记的糖分子ManNAz，进而通过生化合成途径选择性地整合到乏氧细胞表面的糖蛋白上，最后结合生物正交化学实现特异性的共价荧光标记。这种乏氧相关酶激活的糖代谢标记探针在多种细胞以及斑马鱼活体模型的乏氧识别中表现出广泛的适用性，特别是在动态监测原位肿瘤发生和体内肿瘤靶向光治疗方面展现出良好的性能（图1）。

   作者首先系统性研究了pNB-ManNAz对于硝基还原酶的响应灵敏度和选择性；接着在多种细胞模型上验证了该糖探针分子的乏氧特异性响应共价标记效果，包括A549、HepG2、MCF-7和HEK293T等细胞的正常和乏氧模型（图2）；此外，在斑马鱼生理性乏氧模型中，也表现出显著的乏氧响应性荧光标记能力。为了进一步利用pNB-ManNAz对肿瘤生成过程中病理性乏氧发展进行监控和分析，作者建立了Kras^V12转基因斑马鱼肝癌模型，经多西环素诱导癌基因激活后，随着肿瘤细胞的动态生成和变化，糖探针分子可以高选择性地对新生成的肿瘤细胞进行共价标记，揭示了细胞乏氧在肿瘤生成中的重要作用。同时，这种乏氧环境特异性的共价标记策略也实现了对新生成肿瘤的主动靶向的光动力治疗，准确干预了肿瘤病理发生的过程。

综上所述，本工作报道了一种能够用于肿瘤发生病理乏氧细胞的精准识别和干预的酶激活型糖代谢共价标记工具，对研究与乏氧相关病理机制，为肿瘤的精准诊断和治疗提供了新的见解。

本研究得到了新加坡教育部、中国国家重点研发计划、国家自然科学基金和北京市自然科学基金等机构的支持。