近紅外二區有機小分子生物成像

華霞

摘要 近年來，熒光成像（Fluorescence Imaging，FI）技術在癌癥診療領域發揮著重要作用，近紅外區二區 （NIR-II，1000-1700nm）窗口的熒光成像，由于其生物組織吸收、散射和自身熒光相對較低，可以實現較高深度的穿透，達到無創或微創的深層組織成像，同時具有良好的生物相容性和較好的快速排泄能力，使得近紅外二區分子熒光成像得到快速發展。本文主要介紹了現有的NIR-II有機小分子熒光團，以及一些性能研究和改進方法，并對一些有機小分子的成像引導手術進行了簡要介紹，最后對有機小分子的發展進行了合理的展望。

關鍵詞：熒光成像;NIR-II有機小分子;有機小分子的成像引導手術

1.引言

癌癥在當今社會越來越嚴重，我們迫切需要更有效的方法來監測和治療癌癥。生物成像技術在臨床診斷、治療和預后中發揮著重大的作用。在過去的幾十年里，超聲成像（US）、正電子發射斷層掃描（PET）、磁共振成像（MRI）和放射性核素被研究和應用于疾病的觀察和預測。但由于精準度差、時空分辨率低、電離輻射風險高，使得臨床應用受到限制[1]。熒光成像（FI）由于靈敏度高、特異性強無侵害以及無有害輻射等優點，在生物醫學領域的研究引起了廣泛的關注。

NIR-II有機小分子因其排泄速度快、毒性低、生物相容性好而成為生物成像研究的熱點。許多無機分子和基于碳納米材料的NIR-II探針已經被開發出來，如單壁碳納米管（SWCNTs）、量子點（QDs）、稀土摻雜納米顆粒[2]等，但其成像后很難排泄，因此被臨床限制使用。然而有機熒光團的熒光性質可以通過合理的化學結構設計來調整，因此具有良好的生物相容性和安全性。FI具有較高的信號背景比（SBR），克服了可見光成像對比度的瓶頸，是一種很有前景的腫瘤檢測成像技術。由于有機小分子與生物結合肽和蛋白質結合良好，可以實現靶向癌癥成像。為此，我們要積極探索NIR-II有機小分子探針。

2.有機小分子染料的設計與特性

2.1有機小分子的化學結構設計

對于NIR-I熒光團，以BBTD為核心，設計了許多對稱的D-A-D結構，這些衍生物的發射波長在900 nm - 1600nm范圍內。在這種結構中，利用內部A側強功率群的空間構型來縮小能隙，促進熒光發射波長達到NIR-II區域。

第一個用于體內近紅外FI的染料是吲哚菁綠（ICG）[4]， FDA批準其用于人類臨床轉化。CH1055是首個基于BBTD核的NIR-II型有機小分子染料，由Dai[5]首次發表。自CH1055出現以來，在此基礎上出現了大量以BBTD為核心的NIR-II有機小分子染料如以及一些非BBTD核NIR-II小有機分子染料。

2.2提高水溶性的方法和增加量子產率（QY）的方法

2.2.1親水性基團的修飾

大部分D-A-D NIR-II染料通過PEG修飾獲得水溶性，而一些近紅外染料通過親水性小官能團進行修飾，如硫酸鹽、羧基、胺，獲得良好的生物相容性。對于大多數花菁染料來說，通過引入磺酸基團來提高水溶性，也有一些染料通過引入羧酸基團來提高水溶性。Dai和Cheng等在CH1055的基礎上合成了CH1055-PEG和CH-4T分子。而PEG和磺酸基團的引入大大提高了其水溶性和生物相容性[6]。隨后出現了一系列修飾小分子。Hong研究小組在他們設計的H1分子上引入了PEG鏈，得到了高水溶性的SXH分子[7]。

2.2.2膠束或其他載體包載

除了有機小分子染料直接添加親水性基團外，疏水染料還需要親水性包封才能用于體內實驗。最常見的包封材料是DSPE-mPEG（聚乙二醇偶聯磷脂），也有一些功能性包封材料，既能提供良好的水溶性，又能實現高的QY和靶向能力。通過納米沉淀法將疏水染料轉化為親水納米粒子。Fan課題組通過簡單的納米沉淀法將兩親性TPP-PEG-PPG-PEG-TPP共聚物[8]涂覆疏水IPICs，成功獲得水溶性T-IPIC NPs。T-IPIC NPs實現了單個808 nm激光觸發高性能NIR-II熒光成像引導的線粒體靶向PTT/PDT聯合治療，取得了顯著的治療效果。

2.2.3添加屏蔽元素

為了提高熒光團在水溶液中的QY，采用Dai研究小組設計了一種S-D-A-D-S結構。首先，將3，4-乙二氧基噻吩（EDOT）作為給基引入BBTD核心單元和噻吩之間，并將1，2，6 -三取代苯作為側鏈延伸的屏蔽基。小分子熒光團IR-FE以EDOT和BBTD為D和A，以二烷基芴為S，形成S-D-A-D-S結構。與噻吩給體相比，EDOT具有更大的基底畸變和更小的離域最低未占據分子軌道（LUMO），并能調節靜電勢分布。此外，芴上的烷基鏈對主鏈的聚集起抑制作用。因此，紅外IR-FE中的EDOT和芴均能提高QY，在甲苯溶劑中的QY達到31%。同時，PEG鏈與熒光團偶聯使其具有良好的水溶性。結果表明，EDOT對水溶液中熒光團的QY增強起決定性作用，其增強效果明顯優于噻吩。Liang課以IR-FEP為基礎合成了一種新的小分子熒光團IR-FP8P。PDOT上的烷基鏈可以有效地覆蓋D-A-D核，同時由于烷基鏈的疏水性，可以很好的保護BBTD受體，降低水的猝滅效果，具有很好的參考意義[9]。

3.有機小分子的生物成像

眾所周知，NIR-II熒光團，如SWCNTs、稀土摻雜納米顆粒和量子點等無機納米材料容易在肝/脾部位滯留和積累，不易被機體排泄，具有潛在的長期毒性，因此有機小分子染料是成為最理想的造影劑[2]，在FI和IGS方面有機小分子染料已取得了顯著的進展。他們不僅可以通過影像觀察血管、淋巴結、腫瘤，還可以通過影像指導淋巴結切除，甚至腫瘤切除，從而達到良好的腫瘤治療效果。

3.1多模態成像

現有的多功能成像有兩種成像模式，一種是將傳統成像模式與NIR-II成像相結合，實現雙模式或多模式成像;另一種是合成的NIR-II探針，能夠對循環系統的許多生理和病理狀態進行無創動態可視化和監測，并能快速實時獲得高分辨率、高功率的成像[10]。最近，Qiu課組設計合成了一種新型多功能納米點Fs-GdNDs，實現MR-NIR-II雙成像，并在此基礎上進行NIR-II引導PTT，顯示了其在生物醫學上巨大的應用潛力。Cheng課題組設計了新型NIR-II染料用于體內多功能生物成像，如CQL和CQS1000[11]。他們通過與HSA結合形成了CQT探針，CQT具有優異的光學性能，熒光強度比單獨使用小分子高6.65倍。而優化后的CQL在實時監測體內循環系統過程中具有較好的準確性。此外，CQL出色的光學性能允許在NIR-II導航和前哨淋巴結下精確切除腫瘤淋巴結活檢。

3.2 多通路復用生物成像

多路生物成像技術可以同時分析多個目標，其成像信號通常基于波長、壽命、強度等熒光參數，對生物醫學研究具有重要意義。Dai設計合成了具有優異NIR-II成像性能的有機小分子，如p-FE、IR-FGP等。Dai課題組設計開發了一種具有明亮NIR-II熒光團的分子顯像劑IR-FGP。采用深紅色、IR-FGP和熒光發射重疊較少的SWCNTs進行三色通道成像，其中細胞核被深紅色染色。在自制共聚焦顯微鏡下對腦組織病理切片進行3D染色，獲得NIR-I和NIR-II窗口的多色分子圖像，多色成像擴展到1700 nm，超過了典型的400-900 nm，開辟了一個全新的成像波長范圍，并為光學成像領域提供了額外的目標通道[12]。

4.總結與展望

除了已有的研究成果外，對NIR-II有機小分子的未來發展提出了以下幾點建議

1. 多模態成像和治療可以結合到一個納米平臺中，提供更多的診斷信息和更高的治療效率，可能產生顯著的協同效應。

2. 擴大NIR-II探針，實現了NIR-II FI，開發更靈活、更高效的NIR-II生物發光探針，開發能夠響應不同分析物并對不同分析物具有信號能力的探針。

3. 為了紅移生物發光或化學發光探針的發射波長，需要開發新的底物、高效的能量轉移系統或突變的熒光素酶。

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