近红外二区有机小分子生物成像

华霞

摘要 近年来，荧光成像（Fluorescence Imaging，FI）技术在癌症诊疗领域发挥着重要作用，近红外区二区 （NIR-II，1000-1700nm）窗口的荧光成像，由于其生物组织吸收、散射和自身荧光相对较低，可以实现较高深度的穿透，达到无创或微创的深层组织成像，同时具有良好的生物相容性和较好的快速排泄能力，使得近红外二区分子荧光成像得到快速发展。本文主要介绍了现有的NIR-II有机小分子荧光团，以及一些性能研究和改进方法，并对一些有机小分子的成像引导手术进行了简要介绍，最后对有机小分子的发展进行了合理的展望。

关键词：荧光成像;NIR-II有机小分子;有机小分子的成像引导手术

1.引言

癌症在当今社会越来越严重，我们迫切需要更有效的方法来监测和治疗癌症。生物成像技术在临床诊断、治疗和预后中发挥着重大的作用。在过去的几十年里，超声成像（US）、正电子发射断层扫描（PET）、磁共振成像（MRI）和放射性核素被研究和应用于疾病的观察和预测。但由于精准度差、时空分辨率低、电离辐射风险高，使得临床应用受到限制[1]。荧光成像（FI）由于灵敏度高、特异性强无侵害以及无有害辐射等优点，在生物医学领域的研究引起了广泛的关注。

NIR-II有机小分子因其排泄速度快、毒性低、生物相容性好而成为生物成像研究的热点。许多无机分子和基于碳纳米材料的NIR-II探针已经被开发出来，如单壁碳纳米管（SWCNTs）、量子点（QDs）、稀土掺杂纳米颗粒[2]等，但其成像后很难排泄，因此被临床限制使用。然而有机荧光团的荧光性质可以通过合理的化学结构设计来调整，因此具有良好的生物相容性和安全性。FI具有较高的信号背景比（SBR），克服了可见光成像对比度的瓶颈，是一种很有前景的肿瘤检测成像技术。由于有机小分子与生物结合肽和蛋白质结合良好，可以实现靶向癌症成像。为此，我们要积极探索NIR-II有机小分子探针。

2.有机小分子染料的设计与特性

2.1有机小分子的化学结构设计

对于NIR-I荧光团，以BBTD为核心，设计了许多对称的D-A-D结构，这些衍生物的发射波长在900 nm - 1600nm范圍内。在这种结构中，利用内部A侧强功率群的空间构型来缩小能隙，促进荧光发射波长达到NIR-II区域。

第一个用于体内近红外FI的染料是吲哚菁绿（ICG）[4]， FDA批准其用于人类临床转化。CH1055是首个基于BBTD核的NIR-II型有机小分子染料，由Dai[5]首次发表。自CH1055出现以来，在此基础上出现了大量以BBTD为核心的NIR-II有机小分子染料如以及一些非BBTD核NIR-II小有机分子染料。

2.2提高水溶性的方法和增加量子产率（QY）的方法

2.2.1亲水性基团的修饰

大部分D-A-D NIR-II染料通过PEG修饰获得水溶性，而一些近红外染料通过亲水性小官能团进行修饰，如硫酸盐、羧基、胺，获得良好的生物相容性。对于大多数花菁染料来说，通过引入磺酸基团来提高水溶性，也有一些染料通过引入羧酸基团来提高水溶性。Dai和Cheng等在CH1055的基础上合成了CH1055-PEG和CH-4T分子。而PEG和磺酸基团的引入大大提高了其水溶性和生物相容性[6]。随后出现了一系列修饰小分子。Hong研究小组在他们设计的H1分子上引入了PEG链，得到了高水溶性的SXH分子[7]。

2.2.2胶束或其他载体包载

除了有机小分子染料直接添加亲水性基团外，疏水染料还需要亲水性包封才能用于体内实验。最常见的包封材料是DSPE-mPEG（聚乙二醇偶联磷脂），也有一些功能性包封材料，既能提供良好的水溶性，又能实现高的QY和靶向能力。通过纳米沉淀法将疏水染料转化为亲水纳米粒子。Fan课题组通过简单的纳米沉淀法将两亲性TPP-PEG-PPG-PEG-TPP共聚物[8]涂覆疏水IPICs，成功获得水溶性T-IPIC NPs。T-IPIC NPs实现了单个808 nm激光触发高性能NIR-II荧光成像引导的线粒体靶向PTT/PDT联合治疗，取得了显著的治疗效果。

2.2.3添加屏蔽元素

为了提高荧光团在水溶液中的QY，采用Dai研究小组设计了一种S-D-A-D-S结构。首先，将3，4-乙二氧基噻吩（EDOT）作为给基引入BBTD核心单元和噻吩之间，并将1，2，6 -三取代苯作为侧链延伸的屏蔽基。小分子荧光团IR-FE以EDOT和BBTD为D和A，以二烷基芴为S，形成S-D-A-D-S结构。与噻吩给体相比，EDOT具有更大的基底畸变和更小的离域最低未占据分子轨道（LUMO），并能调节静电势分布。此外，芴上的烷基链对主链的聚集起抑制作用。因此，红外IR-FE中的EDOT和芴均能提高QY，在甲苯溶剂中的QY达到31%。同时，PEG链与荧光团偶联使其具有良好的水溶性。结果表明，EDOT对水溶液中荧光团的QY增强起决定性作用，其增强效果明显优于噻吩。Liang课以IR-FEP为基础合成了一种新的小分子荧光团IR-FP8P。PDOT上的烷基链可以有效地覆盖D-A-D核，同时由于烷基链的疏水性，可以很好的保护BBTD受体，降低水的猝灭效果，具有很好的参考意义[9]。

3.有机小分子的生物成像

众所周知，NIR-II荧光团，如SWCNTs、稀土掺杂纳米颗粒和量子点等无机纳米材料容易在肝/脾部位滞留和积累，不易被机体排泄，具有潜在的长期毒性，因此有机小分子染料是成为最理想的造影剂[2]，在FI和IGS方面有机小分子染料已取得了显著的进展。他们不仅可以通过影像观察血管、淋巴结、肿瘤，还可以通过影像指导淋巴结切除，甚至肿瘤切除，从而达到良好的肿瘤治疗效果。

3.1多模态成像

現有的多功能成像有两种成像模式，一种是将传统成像模式与NIR-II成像相结合，实现双模式或多模式成像;另一种是合成的NIR-II探针，能够对循环系统的许多生理和病理状态进行无创动态可视化和监测，并能快速实时获得高分辨率、高功率的成像[10]。最近，Qiu课组设计合成了一种新型多功能纳米点Fs-GdNDs，实现MR-NIR-II双成像，并在此基础上进行NIR-II引导PTT，显示了其在生物医学上巨大的应用潜力。Cheng课题组设计了新型NIR-II染料用于体内多功能生物成像，如CQL和CQS1000[11]。他们通过与HSA结合形成了CQT探针，CQT具有优异的光学性能，荧光强度比单独使用小分子高6.65倍。而优化后的CQL在实时监测体内循环系统过程中具有较好的准确性。此外，CQL出色的光学性能允许在NIR-II导航和前哨淋巴结下精确切除肿瘤淋巴结活检。

3.2 多通路复用生物成像

多路生物成像技术可以同时分析多个目标，其成像信号通常基于波长、寿命、强度等荧光参数，对生物医学研究具有重要意义。Dai设计合成了具有优异NIR-II成像性能的有机小分子，如p-FE、IR-FGP等。Dai课题组设计开发了一种具有明亮NIR-II荧光团的分子显像剂IR-FGP。采用深红色、IR-FGP和荧光发射重叠较少的SWCNTs进行三色通道成像，其中细胞核被深红色染色。在自制共聚焦显微镜下对脑组织病理切片进行3D染色，获得NIR-I和NIR-II窗口的多色分子图像，多色成像扩展到1700 nm，超过了典型的400-900 nm，开辟了一个全新的成像波长范围，并为光学成像领域提供了额外的目标通道[12]。

4.总结与展望

除了已有的研究成果外，对NIR-II有机小分子的未来发展提出了以下几点建议

1. 多模态成像和治疗可以结合到一个纳米平台中，提供更多的诊断信息和更高的治疗效率，可能产生显著的协同效应。

2. 扩大NIR-II探针，实现了NIR-II FI，开发更灵活、更高效的NIR-II生物发光探针，开发能够响应不同分析物并对不同分析物具有信号能力的探针。

3. 为了红移生物发光或化学发光探针的发射波长，需要开发新的底物、高效的能量转移系统或突变的荧光素酶。

参考文献：

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