近红外二区激活型小分子荧光探针研究进展.pdf

CHINESEJOURNAALOFAPPLIEDCHEMISTRY2024年1月39-59应用化学第41卷第1期D0I:10.19894/j.issn.1000-0518.230264近红外二区激活型小分子荧光探针研究进展赵欣雨秦作佳张晓兵袁林（湖南大学化学化工学院，化学生物传感与计量学国家重点实验室，长沙410 0 8 2）摘要近红外二区（NIR-I）荧光成像具有优良的组织穿透深度和空间分辨率，广泛应用于生物医学领域与传统的常亮型荧光探针相比，激活型探针只有当特定的生物标志物存在情况下才会发生荧光信号变化，因此具有更高的信背比，会进一步提高区分病变与正常组织的准确度和可靠性。基于此，本文按照生物疾病模型进行分类，系统总结了近5年报道的近红外二区激活型小分子探针的结构、响应机理以及活体应用，并对目前激活型小分子探针面临的问题及发展方向进行简要介绍。关键词近红外二区成像；小分子荧光探针；激活型探针；生物成像中图分类号：0 6 56文献标识码：A文章编号：10 0 0-0 518(2 0 2 4)0 1-0 0 39-2 1荧光成像技术得益于其高灵敏度、良好的空间分辨率和非侵人性等特点，被广泛应用于生物医学领域 1-2)。根据发射波长可以将荧光成像分成3个区域：可见光区（40 0 7 0 0 nm）、近红外一区（NIR-I，7 0 0 900nm)和近红外二区（NIR-II，10 0 0 17 0 0 n m）。通常情况下，生物组织在可见光区和近红外一区有较强的光吸收和散射以及自发荧光，这在一定程度上会影响成像的质量。相比之下，近红外二区受到生物组织的干扰较小,能够实现组织的深层穿透，具有良好的空间分辨率和信背比 3-5。目前，很多用于生物成像的近红外二区荧光探针如碳纳米管 6 、量子点 7 、稀土掺杂纳米粒子 8 、有机半导体聚合物 9 和有机小分子荧光探针 10 被开发出来，其中有机小分子荧光探针由于具有结构易修饰、光学性能可调和生物毒性小等优点得到广泛应用!。然而大部分有机小分子荧光探针属于常亮型，即不管它们身处何地，只要有激发光源的照射，就可以产生荧光信号。它们对于目标组织的成像是通过富集和滞留实现的，具有较差的特异性和较低的信背比，容易产生假阳性信号 12 。相比之下只有当特定的生物标志物存在情况下才会产生荧光信号变化的激活型探针具有良好的选择性、较高的信背比以及在一定程度上降低假阳性信号的能力等优点，能够很好地区分病变组织与正常组织，实现不同疾病模型的精准成像与传感 7.13-14。基于此，本文根据疾病模型分类系统地总结了近5年所报道的近红外二区激活型小分子探针，并对探针的设计思路、响应机理以及生物应用进行重点介绍。同时，本文还提出了目前近红外二区激活型有机荧光探针存在的问题及今后的发展方向，为新型近红外二区激活型探针的开发提供一定思路。1激活型有机荧光探针的生物成像应用近红外二区激活型荧光探针由于具有选择性好、信背比高等特点，在疾病诊断及手术导航方面有较大的应用潜力15-1。通常，激活型探针本身不具有或仅具有非常微弱的荧光信号，当其与疾病标志物作用后，探针被激活并产生强烈的荧光信号，实现疾病标志物的跟踪及成像，为疾病的诊断提供依据。因此，在这一部分中主要介绍了用于不同疾病标志物成像的NIR-I激活型荧光探针及其响应机理1.1炎症炎症是一种免疫系统被激活以保护宿主免受伤害的过程 18 81。当病原体侵人体内并导致组织损伤时,将会引起急性炎症 19。如果不加以治疗,病情将会进一步加重甚至导致死亡 2 0 ,所以对相关炎症疾2023-09-01收稿；2 0 2 3-11-17 接受国家自然科学基金（No.22074036)资助*E-mail:40第41卷应用化学病的早期诊断尤为重要。近年来，很多对炎症标志物有响应的NIR-荧光探针被开发出来并成功实现疾病的早期诊断。下面将对这些探针进行详细介绍1.1.1肝炎肝脏作为主要的代谢器官，在人体新陈代谢过程中起到了重要作用。当肝脏受到外界某种因素如病毒、药物的作用导致肝脏损伤时，会导致发炎，在一定程度上影响肝脏的功能，进而威胁人的生命健康安全。研究表明，常见的一些活性氧物种（OH、H,O,、O NO O-）、生物小分子（如腺嘌呤核苷三磷酸（A T P）、生物硫醇)和生物酶等与肝炎的发生发展密切相关 2 1羟基自由基(OH)被证明参与体内炎症如肝炎等病理过程(2 2 ,是急性肝脏炎症的生物标志物之一，故对OH的检测有助于我们了解肝脏炎症的病理过程，实现肝脏炎症的可视化。众所周知,刚性平面结构和大共轭体系对于构建荧光团十分必要，基于此，刘志洪课题组Feng等 2 3通过破坏/恢复共轭结构和刚性平面控制荧光信号的开启/关闭，设计了一种对羟基自由基响应的NIR-探针Hydro-1080（图1A）。由于分子一侧的C一N单键上C原子为sp杂化，所以该侧的二氢苯并吲哚环与聚甲川链不在一个平面上，Hydro-1080分子的共轭体系被破环，导致该分子在近红外二区没有荧光信号。当体系中存在OH时，探针分子中的C一N单键被OH氧化成C一N双键，恢复完整的共轭结构和刚性平面，开启近红外二区荧光信号（图1B）。进一步实验表明该探针对OH具有良好的选择性和灵敏度（LOD为0.5nmol/L）,可以用于肝脏炎症的监测（图1C)。为了检测过氧化氢(H,O,)在肝炎过程中的表达情况,吴水珠课题组Chen等 2 4i构建了一种对H,O,有响应的探针TC-H,O,，并将其用于药物诱导的肝损伤(DILI)模型成像。该探针采用哌嗪修饰的花菁染料作为荧光报告单元2 5,其中哌嗪的引人降低了花菁染料分子的平面性，一定程度上削弱荧光团在液态环境中聚集导致的荧光猝灭，与此同时，可以方便引人H,O,的识别基团构建荧光探针。当该探针通过尾静脉注射进入抗结核药物诱导的肝损伤小鼠体内并到达肝脏部位时，在过量H,O,作用下，识别基团硝基苯氧乙酰胺将会从TC-H,O,中脱离，探针变为在92 0 nm处有强烈荧光发射的TC-NN（图1D）,该过程也伴随着光声信号的产生。进一步利用荧光成像和多光谱光声断层扫描（MOST）成像技术，探针TC-H,O,被成功用于抗结核药物诱导的肝损伤模型的可视化点亮成像（图1E）。然而，上述用于监测肝损伤的可激活探针发射波长在92 0 nm左右，并且斯托克斯位移较小，一定程度上可能影响生物成像的效果。针对这一问题，熊虎课题组Tian等 2 6 1开发了一种具有较大斯托克斯位移（2 0 0 nm），发射波长在990nm的可激活型探针IR-990用于监测活体内DILI。作者通过在聚甲川骨架上引人2 个吸电子端基苯并 cd吲哚，以及H,O,的识别位点苯硼酸酯构建了探针IR-990。该探针具有受体-T-受体（A-T-A)类型结构，处于非荧光状态。当H,0,存在时，探针结构中的苯硼酸酯被氧化生成羟基，并发生1,6 分子内自消除和电子重排，生成具有供体-T-受体（D-T-A)类型的荧光团IRO-990。其发射波长位于990 nm（图1F），且对H,O,具有良好的选择性和灵敏度，检测限低至0.59mol/L，该探针被成功用于HepG2细胞和对乙酰氨基酚（APAP)诱导的小鼠肝损伤模型中H,O,的实时监测（图1G）。除了药物，食品添加剂也是诱导肝脏炎症的因素之一。亚硝酸盐作为一种常见的食品添加剂，广泛用于抑制肉类和海产品中有害微生物的生长 2 7 。然而，在食品加工过程中，亚硝酸盐与胺反应会生成剧毒物亚硝胺，因此，长期摄人含有亚硝胺食品易引起肝脏炎症 2 8 。为此，吴水珠课题组Zeng等 2 9基于生物标志物触发荧光团和药物同时释放的策略，通过硼酸键将治疗药物木犀草素与荧光团偶联，开发了一种诊疗一体化探针BHC-Lut。当探针BHC-Lut被H,O,激活后，硼酸键将会发生断裂，释放出荧光团BHC-OH和药物木犀草素，其中释放出的荧光团可以产生强烈的光声信号和NIR-荧光信号，实现食品添加剂诱导的小鼠肝损伤的成像，同时原位释放的药物木犀草素可以用于治疗肝脏炎症。本课题组Qin等 30 1开发了一系列含有羟基调控基团的染料NIRII-HDs,其中NIRI-HD5具有良好的稳定性、高荧光量子产率和适宜的pK,等优点。为了探究过氧亚硝酸根离子(ONOO-)在肝脏炎症中的表达情况，通过在NIRII-HD5上引人ONOO-响应基团苯硼酸酯，构建了探针NIRII-HD5-ONOO-（图2 A）。苯硼酸酯的修饰导致氧原子的给电子能力下降，使得探针几乎没有荧光。当ONOO-存在时，苯硼酸酯被氧化并释放出具有强给电子能力的羟基，探针产生8 95/936 nm的比率发射荧光信号，并且随41赵欣雨等：近红外二二区激活型探针研究进展第1期AHydro-1080Et-1080onnwroandnwvoDNaBH4nvoH,O,Hydro-108oBEt-100TC-NNTC-H2O2E100012001400Omin30min60min0min30minWavelencthinm)60minHFGPBSAPAP_APAP+NACIR-990.6y6w001H2021RO-990图1用于肝脏炎症成像的代表性探针。（A)探针Hydro-1080的结构及响应机理 2 3(B)Hydro-1080 和Et-1080的吸收和发射光谱图2 3。3。（C)患有肝炎小鼠NIR-I荧光成像 2 3。（D)探针TC-H,O,的结构及响应机理 2 4。（E)小鼠肝损伤模型的MOST和荧光成像 2 4。（F)探针IR-990的结构及响应机理2 6 。（C)HepG2细胞及APAP诱导的肝损伤模型中H,O,的NIR-I荧光成像 2 6 Fig.1 Representative probe for liver inflammation imaging.(A)Structure and response mechanism of Hydro-10802.(B)Absorption and fluorescence spectra of Hydro-1080 and Et-1080 in DMSO1231.(C)NIR-IIfluorescenceimages of mice liver injuryl21.(D)Structure and response mechanism of probe TC-H,O,24.(E)MOST andfluorescence imaging of mice liver injury model241.(F)Structure and response mechanism of IR-990 26.(C)NIR-IIfluorescence imaging of H,O,in HepG2 cells and APAP-induced mielvr injury models a着ONOO-含量的升高，该荧光强度比值逐渐增强（图2 B）。此外，探针对ONOO-具有良好的选择性（图2 C），基于此作者进一步利用该探针监测小鼠肝损伤模型中ONOO-的变化。如图2 D所示，当探针注射进人APAP处理的小鼠体内后，肝脏区域有明显的荧光信号产生，而经药物N-乙酰半胱氨酸（NAC)治疗后的小鼠肝脏部位的荧光强度与未经治疗的小鼠相比显著降低。上述实验结果表明,该探针可以实时监测小鼠肝脏中ONOO-含量的变化，为药物诱导肝损伤的诊断提供可能。此外,张凡课题组Li等 31也开发了一种ONOO-激活型探针IRBTP-B用于监测药物诱导的肝损伤。如图2 E所示，该探针由苯并硫代吡喃花菁骨架和ONOO-的识别基团苯硼酸酯构成,其中苯硼酸酯的引人使探针分子的共轭体系被破坏，导致IRBTP-B没有NIR-I区吸收和发射。当ONOO-存在时，苯硼酸酯被分解，随后探针发生电子重排反应，生成具有完整共轭体系、发射波长位于NIR-I的荧光团IRBTP-O。进一步实验表明探针具有高选择性和灵敏度，检测限低至55.9nmol/L，可以用于药物诱导的小鼠肝损伤成像。氧化还原稳态对于生物系统的正常运作至关重要，生物体内氧化还原状态的改变与其生理和病理过程密切相关 32)。生物系统的氧化-还原状态主要来自于活性氧(ROS)水平和活性硫(RSS)水平之间的平衡。例如，炎症组织内HCIO等ROS过表达，导致氧化损伤。当使用相应的抗炎药物治疗后，炎症组织中的RSS上调而HCIO等ROS下调。然而，虽已有一些NIR-I荧光探针用于活体氧化-还原状态的评估，但几乎所有的探针均是基于对NIR-I染料的结构破坏、或通过氧化还原释放染料进行的设计。因此，上述探针均表现出不可逆的响应，不能用于氧化还原失衡的动态监测。针对该问题，本课题组He等 33通过在三亚甲基骨架中引人富电子1,4-二乙基-十氢喹喔啉(DQ)苯并吡喃端基及其衍生物，开发了一系列具有良好稳定性的NIR-II Cy 3染料用于可逆监测HCIO/RSS介导的氧化还原环境的变化。其中DQ的引入不仅可以起到延长吸收和发射波长的作用，还可以提供特定标志物的反应位点。以吸收及发射波长最长的NIR-ICy 3-98 8 为例，在HCIO的存在下，富电子的喹喔啉基团被氧化成氮氧化物42第41卷应用化学（图2 F），使得10 40 nm发射峰降低，荧光信号减弱；当再向体系中加人H,S后，氮氧化物又会被还原，1040nm发射峰恢复（图2 G)。作者利用NIR-IICy3-988探针成功实现了急性炎症和药物性肝损伤的原位检测，以及急性炎症治疗药物的疗效评估（图2 H）除了活性氧探针，研究人员也发展了一些荧光探针用于肝炎相关生物小分子的检测。例如,Ren等 34 基于羧基的螺环化设计了探针NIRI-RT-ATP,成功实现了药物诱导肝毒性的实时监测。如图2 I所示，由于探针具有分子内螺环结构使其处于非荧光状态。当探针被ATP激活后，分子内螺环被打开，该过程在918 nm处产生一个新的发射峰，并且随着体系中ATP含量的增多，918 nm处的荧光信号逐渐增强（图2 J）。基于此，作者进一步将探针用于APAP诱导的小鼠肝毒性模型中。如图2 K所示，当探针被注射进人小鼠体内后，经APAP处理的小鼠肝脏部位有明显的荧光信号产生，并且随着APAP处理时间的延长，荧光信号将会随之增强，表明该探针可以实现小鼠肝毒性的监测。碱性磷酸酶（ALP)作为体内一类重要的水解酶，在生命活动中起到重要作用。当肝脏受到损伤时，该酶将会过表达，故可以作为肝脏疾病的标志物。基于此,吴水珠课题组Chen等 35 设计了探针TTX-P用于监测糖尿病诱导的肝损伤。在ALP存在的情况下,探针分子中的磷酸基团将会被水解，使得羟基的供电子能力得以恢复，生成能够发射出强烈的NIR-I区信号的荧光团TTX-OH(图2 L）。该探针对ALP有良好的选择性和灵敏度，并成功实现糖尿病诱导的肝损伤的检测（图2 M）。近红外二区探针的水溶性也是目前有待解决的问题。为了改善探针水溶性的问题，马会民课题组Zhang等 3 提出通过引人水溶性基团羧基来构建了一系列水溶性明显改善的荧光团F1-4,并在此基础设计探针NIR-II-F2 L A P（图2 N），并成功实现药物诱导小鼠肝炎的诊断（图2 0）。1.1.2肾炎肾脏作为人体的重要器官，在清除代谢废物，维护体内酸碱平衡方面发挥了重要作用。常见的肾脏疾病如急性肾脏损伤和慢性肾脏炎症在全球范围内具有较高的发病率和死亡率，目前主要通过检测血液或尿液中相关物质的含量来进行疾病诊断，但这些方法灵敏度较低，对于疾病早期的诊断能力较弱 37 。研究表明，当肾脏受到损伤时，肾脏上皮细胞的溶酶体将分泌N-乙酰-D-葡萄糖苷酶（NAG）,造成肾脏区域NAG含量升高,因此NAG可以作为肾脏疾病的生物标志物之一 38 1。基于此,古险峰课题组Tan等 39 通过自消除连接体将NAG酶的底物N-乙酰-D-氨基葡萄糖残基引人二吡咯亚硼（BODIPY)骨架中,开发了一种NAG可激活的探针BOD-I-NAG。当NAG存在时，它可以催化N-乙酰-D-氨基葡萄糖残基的水解，随后连接体发生1,6 自消除，释放荧光团BOD-II-NAG-SH,导致探针在90 0 12 0 0 nm范围内的荧光信号明显增强（图3A）。为了提高探针的水溶性和生物相容性，作者将探针BOD-I-NAG包裹在两亲性聚合物mPEG-DSPE中,并将其用于小鼠肾脏疾病的成像,发现药物诱导的急性肾脏损伤小鼠肾脏区域的荧光信号显著增强（图3B和3C）。此外，作者还评估了探针BOD-I-NAG早期诊断急性肾脏损伤的能力，发现与现有的检测方法（检测小鼠血液中血肌酐、尿素氮和胱抑素C的含量)相比,利用该探针可以更早地检测出急性肾脏疾病（图3D）。引发肾损伤的因素除了药物外,肾脏缺血/再灌注损伤也是导致肾脏炎症的重要因素之一。肾脏的缺血/再灌注损伤是由特定流向肾脏的血液突然中断造成的,容易引起急性肾脏炎症，导致肾脏功能障碍。因此，开发高性能的NIR-I荧光探针，通过NIR-II 荧光实现缺血/再灌注诱导的急性肾炎的早期诊断具有重要意义。基于此，Ouyang等 40 通过对七甲川花菁染料的理性改造，构建出一系列染料HP-N1/2/3（图3E）,并在此基础上设计探针HP-H,O,用于缺血/再灌注损伤诱导急性肾脏炎症的诊断。光谱实验表明，这3种染料均具有良好的光稳定性和化学稳定性，与此同时，随着氨基取代基的供电子能力增强，染料的荧光量子产率也在随之升高。作者在HP-N1染料的基础上引人苯基硼酸基团构建了一种对H,0,响应的探针HP-H,0,，随着体系中H,O,的增加,937 nm处的荧光强度随之增强并在10 min之内达到最大值（图3F和3G)。作者进一步将探针HP-H,O,用于肾脏缺血/再灌注诱导小鼠急性肾损伤模型中内源性H,O,含量变化的监测。成像结果显示，急性肾损伤小鼠肾脏部位的荧光信号显著增强，并且荧光强度与肾损伤程度正相关（图3H）。该结果表明，探针HP-H,O,不仅可以实现小鼠肾损伤成像，还可以通过荧光亮度的强弱评估肾损伤的严重程度。43第1期赵欣雨等：近红外区激活型小光探针研究进展AEdrug-inducedhepatotoxicityONOOONOOIRBTP-BIRBTP-OBC1400011200012000 x16fold9000100008000H66000M7M808mm980nmOverty600062Lb39300040001001oHCIO2000NBR-Cy3-908RSSNR-BCy3-988AGSHCEmisaion(+HCIOI900100011001200Non-emioslonWavelength/nmGDSalineAPAPAPAP+NACCHCIO-OuMdj72-OuMn72-1.25uM-05uMH6.0-2.5M-1.OW-5.0-15-7.5-2.058-10.0U2.42.5M-125uM2S-3.0山Jed12-15012-3.50.000.0100011001200130014001000110012001300Vavelengthnm)Wiavelength(mn)(BackgroundSignalHOLP-OH35000(ne)usuour280002mM210ALP140007000800850.90095010001050NIRI-RT-ATPWavelength/nmNCKCNTTX-PTTX-OHSalineAPAP6hSalineAPAP12hHMHalogen0min15min30min45min60minRO12RO13RO12RO13d-XII+RO11RO110Omin20min40min60min90minLAPNIR-I-F2LAP:IF2NIR-1-F2:n=2NIR-I-F3LAP:0=1NIR-B-F3:n=1图2 用于肝脏炎症成像的代表性探针。（A)探针NIRII-HD5-ONOO-的结构及响应机理 30 。(B)NIRII-HD5-ONOO-探针（5mol/L)与不同浓度ONOO-共孵育后的荧光光谱 30 。（C）NIR I-HD 5-O NO O-对不同分析物的荧光响应 30 。（D)经APAP处理后小鼠肝脏脏的NIR-I荧光成像 30 。(E)探针IRBTP-B的结构及响应机理 3。（F)NIR-I Cy 3-98 8 探针的响应机理(3。（G)随HCIO(015umol/L)和H,S(03.5mol/L)浓度的变化NIR-IICy3-988探针(5mol/L)荧光强度的变化 3。(H)小鼠肝脏损伤/修复模型的NIR-II荧光成像 3。（(I)探针NIRII-RT-ATP的结构 34。（J)NIRII-RT-ATP探针(5 mol/L)与不同浓度ATP共孵育后的荧光光谱 34。（K)经APAP处理后小鼠肝脏的NIR-I荧光成像 34。（L)探针TTX-P的结构及响应机理 35。（M)小鼠肝脏的NIR-I荧光成像 3。（N)探针NIR-I-LAP的结构及响应机理 36 。（O)经APAP处理后小鼠肝脏的NIR-I荧光成像 36 Fig.2 Representative probes for liver inflammation imaging.(A)Structure and response mechanism of NIRI-HD5-ONOO-301.(B)NIR-II fluorescence spectra of NIRII-HD5-ONOO-(5 mol/L)after reaction with variousconcentrations of ONOO-.(C)NIR-II fluorescence response of NIRII-HD5-ONOO-(5 mol/L)toward differentanalytes00.(D)NIR-I fluorescence imaging of liver injury afer APAP treatment30(E)Structure and responsemechanism of IRBTP-B31.(F)Response mechanism of probe NIR-II Cy3-9883.(C)Fluorescence intensitychanges of NIR-I Cy3-988(5 mol/L)after reaction with various concentrations of HCIO(015 mol/L)and H,S(O3.5 mol/L)3)(H)NIR-I fluorescence imaging of mice liver injury and repair(3(I)Structure of probeNIRII-RT-ATP341.(J)NIR-I fluorescence spectra of NIRI-RT-ATP(5 mol/L)after reaction with variousconcentrations of ATp(24).(K)Fluorescence imaging of liver injury afer APAP treatment:34(L)Structure andresponse mechanism of TTX-pi3s.(M)NIR-Ifluorescence imaging of liver injurys.(N)Structure and responsemechanism of NIR-I-LAp:36.(O)Fluorescence imaging of liver injury afer APAP treatment30l44第41卷应用化学ANAGSelt-ElimnationHS-HINHACBOD-II-NAGBOD-II-NAG-SHHOOHNIRF(Off)NIRF(Om)BPost-injection Time400Brihtomin5min15min30.min45min60min250MSX200oumes300150200100100So48102030405060TOBOD-NAG-NPPost-InjectionTime(min)491CispatinPost-inyoctionTmeDOANMO.NP1ON+481224486072Cisplatin PostdnjectionTime(h)EDesign strategyHp-NchromophoresF2000130MM70uMI100uM1500(ne)1000HP-N500Activatableprobe02468101214Time(min)G2000P1500(ne)T31000+500HPH,O.9101000109011801270Wavelength(nm)Hhalogen0min5min10min15min20min30min40min60minH(u/wo)(uJw09)图3用于肾脏炎症成像的代表性探针。（A)BOD-II-NAG探针的结构及响应机理39。（B)在静脉注射BOD-II-NA G-NP(16mol/kg）后活鼠的NIR-荧光成像图39。（C)经不同处理的小鼠在不同时间点静脉注射BOD-II-NAG-NP后肾脏的荧光强度变化9。（D）经不同处理的小鼠体内KIM-1、NG A L、NA G、Cy s t C、s Cr 和BUN含量的变化3。（E）HP-N系列染料及探针HP-H,O,的结构及设计策略4。（F)探针HP-H,O,（10 mol/L)与不同浓度的H,O,孵育后的NIR-II荧光光谱图4。（G)探针HP-H,O,在937 nm处的荧光强度随时间变化关系图40(H)对照组小鼠和AKI小鼠静脉注射HP-H,O,后NIR-II荧光图像40Fig.3 Representative probes for imaging kidney inflammation.(A)Structure and response mechanism ofBOD-I-NAG 39.(B)NIR-II fluorescence images of living mice after injection of BOD-II-NAG-NP(16 mol/kg)atdifferent time 3.(C)The fluorescence intensity in different groups after intravenous injection of BOD-NAG-NP 39.(D)Changes in KIM-1,NGAL,NAG,Cyst C,sCr and BUN in living mice after different treatment 39(E)Structure and design strategy of HP-N dyes and HP-H,O,*0(F)NIR-II fluorescence spectra of HP-H,O,afterreaction with various concentrations of H,O,(10 mol/L)*0.(G)Fluorescence intensities of the probe HP-H,O,atdferent time*o.(H)NIR-I fluorescence images of control mice and AKI mice4045赵欣雨等：近红外区激活型小光探针研究进展第1期1.1.3膀胱炎在生命体中不同的器官具有不同的pH值，作为碱性器官膀胱承载着将代谢废物排出体外的职责，当细菌侵染膀胱或患有肾脏疾病将会导致膀胱炎症的发生，影响生活质量 41。基于此，张凡课题组Zhang等 42 开发了一种在碱性环境中对H,O,/ONOO-有响应的NIR-II探针PN910,用于监测小鼠体内膀胱炎。如图4A所示，在一系列含有羟基的部花菁染料Chrodol-1/2/3中，Chrodol-3染料具有最长的吸收发射波长和最高的荧光量子产率，因此被选择构建探针PN910。如图4B所示，在pH=8.0的碱性环境下,H,O,/ONOO-将氧化硼酸苄基并释放出具有良好光稳定性和化学稳定性的荧光团Chrodol-3,该荧光团在90 0 12 0 0 nm范围内具有强烈的荧光信号（图4C）。此外，该探针具有良好的选择性，并且可以在50s内对较低水平的H,O,/ONOO-做出响应（图4D）。基于此，作者进一步探索该探针的活体成像潜力。当探针经尿路注射进人患有膀胱炎的小鼠体内后（小鼠尿液pH=8.0），膀胱区域有明显的荧光信号产生，与此同时成像后收集到的小鼠尿液在8 0 8 nm激光照射下发出荧光，其最大发射波长为90 2 nm，与Chrodol-3荧光团相同。进一步证明了PN910探针对膀胱炎疾病监测的可靠性。EAOHCIO,ONEL,CIo,ONEt,CIo,NEt,H,O,Chrodol-1Chrodol-2Chrodol-3DyeA(nm)(Mcm)入(nm)9(%)E9,(Mcm)Chrodol-1860541008960.1897.38Chrodol-2865406208970.27109.67BTPE-NO2BTPE-NH2Chrodol-3870399809020.34135.93FChrodol-3870496709080.1994.37omin30min90minomin30min90minHHBCPH913Chozd-3eqoIdounNkeyt=ROSIRNSICT08+key2eBase0402600800D10001200Wavelergth(nm)5.67.4(necox)Ausuejul(neox)Ausuoul+H,O,(5uM)+ONOO(1uM)557.25.47.0536.821006.6aqoudouen5015020050100150200Time(s)Time(s)图4用于膀胱炎症成像的代表性探针。（A）Ch r o d o l 系列染料的结构及光物理性质 42 。（B）双激活型探针PN910的响应机理 42 。（C)PN910 及Chrodol-3的吸收和发射光谱 42 。(D)在H,O(左)和ONOO-(右)存在下探针的荧光随时间的变化42 。（E）BT PE-NO,F12 7 探针的结构和响应机制 43。（F)对照组和患有间质性膀胱炎小鼠在注射BTPE-NO,F127后MOST成像图（左)和NIR-I荧光成像图（右）43Fig.4Representative probe for imaging cystitis.(A)Structure and photophysical properties of Chrodol42.(B)Response mechanism of dual-activatable probe PN910*421.(C)Absorption and fluorescence spectra of PN910and Chrodol-3(421.(D)Fluorescence intensity upon addition of H,O,(left)and ONOO-(right)421.(E)Structureand response mechanism of BTPE-NO,F127 probe43.(F)MOST images(left)and NIR-IIfluorescence images(right)of the control and the interstitial cystis model(43i此外，吴水珠课题组Chen等 43 以苯并噻二唑为骨架开发了一种用于监测间质性膀胱炎的探针BTPE-NO（图4E）。苯并噻二唑类染料由于具有良好的光稳定性，发射波长较容易扩展到NIR-I等特点，受到了人们的广泛关注 4。但其在水溶液中容易聚集导致荧光猝灭，一定程度上限制了该类染料的应用。为了解决上述问题，作者利用苯并噻二唑基团在水溶液中的聚集效应，在分子结构中引人2 个旋转体四苯基乙烯基团，使得该探针具有聚集诱导发光（AIE)的特性。此外，作者还向苯并噻二唑环两端引人2 个硝基苯氧乙酰胺基团，它不仅是生物标志物H,O,的识别基团，同时还起到猝灭探针荧光的作用，降低探针的背景信号。最后，作者为了提高探针的生物相容性，利用两亲性聚合物PluronicF127将46第41卷应用化学分子探针BTPE-NO,包裹其中构成探针BTPE-NO,F127。体外实验表明，该探针对H,O,具有良好的响应，并且在响应后还保持良好的稳定性。基于此，作者进一步利用该探针监测小鼠的间质性膀胱炎疾病。当探针被注射进入膀胱内，在过量产生的H,O,作用下猝灭基团硝基苯氧乙酰胺从探针分子中脱落，生成荧光团BTPE-NH,并产生强烈光声信号和NIR-I荧光信号，利用荧光成像和MOST成像系统成功实现间质性膀胱炎疾病的诊断（图4F）1.1.4关节炎关节炎是一种常见的致残疾病，患者主要表现为关节疼痛、发红和肿胀 45。目前,用于关节炎的成像手段如X射线、计算机断层扫描（CT）和核磁共振（MRI)具有较低的分辨率，对疾病的早期诊断能力较差。为了解决上述问题，Wu等 46 构建探针PTA用于风湿性关节炎的早期诊断。该探针是由连接聚乙二醇链的三苯胺和噻吩嗪基团构筑，当体系中存在HCIO时，具有供电子能力的噻盼嗪基团被氧化成具有接受电子能力的酚噻嗪-5-阳离子，增强了分子内电荷转移过程（ICT），使得荧光团的发射波长红移至NIR-I（图5A）。体外实验表明，该探针具有良好的选择性和光稳定性，能够利用荧光成像实现活细胞的外源性和内源性C1O-水平的监测（图5B）。当探针注射进入类风湿性关节炎（R A）小鼠体内5min后，与正常组织相比，患有类风湿性关节炎小鼠关节处的荧光信号增强至正常组织的4.3倍（图5C），表明探针PTA可以快速地对小鼠体内HCIO响应并成功实现类风湿性关节炎的诊断。此外，宋继彬课题组Ge等 47 也开发了一种HCIO响应的比率型探针DNCPSeTT用于兔子关节炎模型中HCIO的实时监测。如图5D所示，该探针通过分子探针SeTT包裹下转换纳米粒子DNCP得到，其中分子探针SeTT是具有1150 nm发射的荧光团，它对HC1O的稳定性较差，容易被HCIO氧化生成SeoTT，导致位于1150 nm的发射峰降低。相反下转换纳米粒子DNCP对HCIO较稳定，可以持续稳定的发射出波长为1550 nm的荧光信号。因此，可以利用1150 和1550 nm波长处的荧光强度变化来实现对HCIO的检测。体外实验表明，随着体系中HCIO含量的增多，比率荧光信号DBHCOSeTTSeorT980nm980nmPTA1150nm1150nmCOFFHCIOmatersolubleHCIORA1550DCNPSeTTSeOTTDSPE-PEGPTA-CIOAiR-Suorescence ONEF2000200050uM160040M1600(ne)T30um120020120010MHC-NHC-NO80054uM800400400-9501000105011001150120Wavelength(nm)51020304050MAHMANONOate(uM)图5用于关节炎成像的代表性探针。（A)探针PTA的结构及响应机理 46)。（B）H e L a 细胞外源性和内源性HCIO的荧光成像图 46 。（C）R A 小鼠模型中HCIO的荧光成像图 46)。（D)探针DNCPSeTT的结构及响应机理 47)。（E)探针HC-N的结构及响应机理481(F)探针HC-N(5mol/L)与不同浓度NO响应后的NIR-II荧光光谱图（左)和位于92 3nm处荧光强度（右)48)Fig.5 Representative probes for imaging joint inflammation.（A)St r u c t u r e a n d r e s p o n s e me c h a n