荧光分子影像材料最新研究进展

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摘要

分子影像是连接分子生物学与临床诊断的桥梁技术，广泛应用于癌症诊断、治疗监测、心血管研究、神经病学研究、药物开发、基因治疗和细胞追踪等。其核心技术包括正电子发射断层扫描（PET）、单光子发射计算机断层扫描（SPECT）、磁共振成像（MRI）、功能性MRI（fMRI）以及本文聚焦的荧光影像（FI）。

一、荧光分子影像的三大类工具

荧光分子影像通过在分子水平上可视化和量化生物过程，为疾病研究提供了独特视角。选择何种荧光材料，取决于应用场景、所需灵敏度、分辨率及靶点特性。常用材料和抗体可分为三大类（表1）：第一类是荧光染料和探针，它们会在特定波长的光激发下发射荧光；第二类是抗体，可以用于可视化生物样本中的特定蛋白质或抗原；第三类是用于光学相干断层扫描（OCT）的造影剂或荧光染料。荧光与OCT技术结合使用，可增强特定浅表组织、微血管结构、血管造影、肿瘤或炎症的可视化效果。

表1 荧光分子影像中常见的材料和抗体

二、荧光成像的基本原理

荧光成像基于荧光团的光物理特性（图1）：荧光团吸收光子后电子跃迁至高能态，返回基态时发射出波长更长的光。荧光共振能量转移（FRET）技术正是基于这一原理，成为研究分子相互作用的基础。

决定成像质量的关键参数包括：斯托克斯位移（吸收与发射光之间的波长差，决定信号分离效果）、荧光寿命（影响微环境探测能力）和量子产率（决定探针亮度）。此外，样本的生物学特性和成像设备的分辨率同样影响最终成像效果。

图 1 使用发光剂（如绿色荧光探针GFP）和共聚焦显微镜进行荧光成像（FI）的原理

（A）荧光分子成像（FMI）原理示意图

（B）荧光共聚焦显微镜以及荧光成像和从样品记录图像的各个阶段

表2 分子影像中各种特定荧光染料和材料总结

三、前沿荧光材料

近年来涌现了几类新型荧光材料，为荧光分子影像提供了更多的工具。

BODIPY 染料及其衍生物具有超高荧光量子产率（>0.8）、强消光系数和卓越光稳定性，发射波长可在500-700nm范围内调节。通过偶联叶酸等靶向基团，可实现肿瘤特异性成像、细胞器追踪（线粒体/溶酶体），甚至开发发射波长>1000nm的近红外衍生物以提升组织穿透深度，还可与光动力治疗结合实现诊疗一体化。

近红外（NIR）荧光染料显著降低了光散射和组织自发荧光，提高信噪比。传统ICG虽广泛用于前哨淋巴结活检和手术导航，但缺乏靶向性。新型染料，如IR-780和MHI-148，则兼具肿瘤靶向选择性和低脱靶毒性。

上转换发光材基于三重态-三重态湮没机制，将低能量的激发光（如长波长的光）转换为高能量的发射光（短波长的光），实现深层组织（超过 5 mm）成像。由于生物组织在长波长激发下几乎没有自发荧光，因此实现了无背景成像。而且长波长激发功率低，对生物组织的光损伤也更低。

量子点相比于传统有机染料具有更强的荧光强度和抗光漂白能力。其发射峰狭窄，适合多色成像，可同时检测多个靶点。其表面可修饰各种靶向基团，可适用于生物成像、诊断和治疗递送等多种用途。

四、从细胞到临床：荧光成像的多层次应用

荧光分子影像已广泛应用于从体外细胞实验、体内动物模型到临床研究的各个阶段。

在体外细胞水平，双通道荧光探针可同时检测衰老细胞中的两种标志酶，精准区分正常细胞与衰老细胞；量子点偶联抗体实现了对HER2过表达癌细胞的靶向成像。

在体内研究中，可激活探针Avidin-ROX成功检测到小鼠模型中直径<0.8mm的腹膜卵巢癌微转移灶，灵敏度高达98%。MHI-148染料在肺癌裸鼠模型中注射后1小时即可显像，肿瘤摄取量最高。还有多种探针实现了对过氧化氢、次氯酸、半胱氨酸等活性分子的活体监测。

临床前及临床研究中，ICG已应用于小儿肿瘤手术导航，帮助识别CT遗漏的病灶，实现6mm中位安全切缘。西妥昔单抗-800CW探针在口腔癌术中切缘评估中达到100%灵敏度和85.9%特异性。抗B7-H3抗体-ICG探针则实现了乳腺癌组织的高分辨率术中评估。

表3 荧光分子影像的一些体外、体内和临床研究总结

五、荧光成像 vs PET/SPECT

与核医学两大技术 PET 和 SPECT 相比，荧光成像在浅表、高分辨率成像方面具有独特优势，可实现细胞级可视化，无辐射且可实时监测。但组织穿透深度有限（通常<1cm）是其最大短板。

PET 和 SPECT 凭借放射性示踪剂实现全身深层成像，灵敏度极高，但空间分辨率较低，且存在辐射暴露。这一对比凸显了多模态融合成像（如PET/FI）的必要性，以实现优势互补。

表4 荧光分子影像与 PET 和 SPECT 的对比

六、新技术突破

近年来涌现的前沿技术正在突破传统荧光成像的局限，并拓展到多个学科领域。

碳点等智能纳米探针兼具可调波长、高量子产率和良好生物相容性；DNA折纸生物传感器在纳米尺度精准组装荧光团，实现单分子级识别；上转换技术和时间门控成像显著提升深层组织信噪比；人工智能（特别是深度学习）有效降低图像噪声，突破衍射极限实现超分辨率重建。

这些技术已广泛跨界：神经科学中实时监测神经递质；免疫治疗中追踪免疫细胞状态；手术导航中利用ICG进行血流测量和肿瘤边界识别；甚至用于农业与环境科学中的污染物和病原微生物检测。

七、挑战与展望

尽管进展显著，但穿透深度、光漂白、信噪比、材料毒性及定量准确性仍是荧光分子影像的核心瓶颈。未来需聚焦于多功能纳米探针、可激活探针、多模态融合、AI 驱动的图像分析及优化光源等方向，以实现更深层、更精准、更安全的临床转化。

原文链接：https://doi.org/10.1039/d5ra03102h