硫代部花菁類染料生物成像及診療的研究進(jìn)展

姚善昆，丁偉忠，吳延平，陳韻聰，郭子建

（南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,配位化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,化學(xué)和生物醫(yī)藥創(chuàng)新研究院,南京 210023）

熒光成像技術(shù)由于其操作簡便、靈敏度高、安全環(huán)保和無創(chuàng)實(shí)時(shí)分析等優(yōu)點(diǎn)在農(nóng)業(yè)化工、生命健康、醫(yī)藥科學(xué)及生活環(huán)境等領(lǐng)域得到快速發(fā)展［1～6］.特別是，近紅外熒光（NIRF）成像（650～1700 nm）可以克服可見光穿透深度的缺陷，實(shí)現(xiàn)在幾毫米到厘米組織深度內(nèi)構(gòu)建高分辨率圖像［7～9］.目前，科研人員發(fā)現(xiàn)了一系列近紅外熒光染料（包括氟硼二吡咯、花菁類、酞菁、方酸菁、卟啉類和部花菁等），它們與不同的識別基團(tuán)結(jié)合，可用于可視化檢測生命體分析物和環(huán)境小分子物質(zhì)［10～12］.隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，研究人員對熒光探針性能的要求也逐漸提高，探索高效的新型熒光探針仍是一個(gè)重要的研究課題.

自2012年林偉英課題組［13］首次報(bào)道氧雜蒽類部花菁熒光團(tuán)以來，科研人員以此為骨架致力于尋找新的策略來發(fā)展近紅外小分子熒光成像探針.此類熒光探針的最大吸收和發(fā)射波長位于近紅外區(qū)域，具有通過羥基或氨基修飾來調(diào)控近紅外熒光“開-關(guān)”的特點(diǎn)，在生物標(biāo)志物檢測和疾病診斷［主要包括炎癥、關(guān)鍵臟器受損（肝損傷和腎損傷）、皮膚病、腸道疾病和癌癥等［14～21］］中得到廣泛應(yīng)用.研究者們主要從成像深度和空間分辨率、選擇性和靈敏度、細(xì)胞膜滲透性、水溶性、藥代動力學(xué)和體內(nèi)清除率等方面來提高成像性能［22～25］，然而氧雜蒽類部花菁有限的發(fā)射波長限制了其在深層病變組織的穿透能力，同時(shí)也不利于多模態(tài)成像（如熒光和光聲成像）指導(dǎo)下的醫(yī)學(xué)診斷（圖1）.盡管有大量的研究工作試圖通過增大共軛體系或加強(qiáng)“推-拉”電子效應(yīng)來延長波長，但繁瑣的合成步驟和光學(xué)亮度低限制了它們的進(jìn)一步應(yīng)用.因此，設(shè)計(jì)一類合成簡易又能滿足檢測和成像要求的部花菁染料具有重要價(jià)值.

Fig.1 Representative hemicyanine scaffolds according to their emission wavelengths

Fig.2 General design strategy of activatable fluorescent probes based on the thioxanthenehemicyanine scaffold

硫代部花菁熒光分子作為新型的花菁染之一，于2020年由曾憲順等［26］首次報(bào)道，此類熒光團(tuán)不僅繼承了傳統(tǒng)氧雜蒽部花菁染料的合成簡便、摩爾消光系數(shù)高和穩(wěn)定性較好等優(yōu)勢，還進(jìn)一步延長了吸收和發(fā)射波長（λabs≈730 nm，λem≈760 nm），具有組織穿透深度更深的近紅外熒光成像潛力.硫代部花菁結(jié)構(gòu)包含一個(gè)氮雜環(huán)陽離子（電子受體）和一個(gè)末端氨基、羥基或烷氧基（電子供體），它們之間通過π共軛橋連在一起，電子給體和受體之間存在激發(fā)態(tài)分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（ICT）過程，從而形成典型的D-π-A共軛結(jié)構(gòu)［27～31］.這類化合物的傳感機(jī)制通常是用特異性識別基團(tuán)籠蔽電子供體以阻斷ICT過程，進(jìn)而猝滅熒光，當(dāng)籠蔽基團(tuán)被選擇性地切割后，熒光信號恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)亮型”或“比例型”生物標(biāo)志物特異性檢測（圖2）.值得一提的是，硫代部花菁染料更長的吸收/發(fā)射波長特性賦予了它們光聲成像和近紅外光激發(fā)的光療功能，這是硫代部花菁另一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域.本文對基于硫代部花菁染料構(gòu)建的熒光探針以及診療應(yīng)用進(jìn)行了綜合評述.

1 硫代部花菁類熒光染料

熒光成像能夠以高靈敏度和特異性實(shí)現(xiàn)疾病相關(guān)生物標(biāo)志物的無創(chuàng)和實(shí)時(shí)可視化檢測，成為手術(shù)導(dǎo)航和疾病早期診斷的技術(shù)之一.相較于紫外或可見光發(fā)射，近紅外熒光（650～1700 nm）具有更深的組織穿透力、最小信噪比和更高的空間分辨率，然而有限的組織穿透性（＜1 mm）使得熒光成像檢測仍存在重大挑戰(zhàn)［32］.近年來，結(jié)合超聲成像和光學(xué)成像的特點(diǎn)，新興的光聲成像（PAI）技術(shù)為深層組織成像提供了更高的分辨率和更好的光學(xué)對比度.熒光與光聲相結(jié)合的雙模態(tài)成像可以非侵入式為病灶區(qū)域提供更為豐富的信息，為疾病做出準(zhǔn)確診斷，這也是分子影像學(xué)的發(fā)展趨勢［33～35］.因此，具有近紅外吸收和發(fā)射可調(diào)的硫代部花菁染料在生物成像方面得到了廣泛應(yīng)用.根據(jù)熒光或光聲信號變化特性，硫代部花菁探針成像大致可分為“近紅外熒光成像”和“熒光/光聲雙模態(tài)成像”兩類熒光探針.

1.1 近紅外熒光成像

基于調(diào)節(jié)硫代部花菁染料ICT特性的傳感機(jī)制是生物成像的基礎(chǔ).硫代部花菁結(jié)構(gòu)包含一個(gè)氮雜環(huán)陽離子季銨鹽（作為電子受體）和一個(gè)末端羥基、氨基或烷氧基（作為電子供體），它們之間通過π-共軛橋連在一起，從而形成典型的“D-π-A”共軛結(jié)構(gòu).其一般設(shè)計(jì)原理是生物標(biāo)志物反應(yīng)基團(tuán)籠蔽電子供體，抑制ICT過程從而猝滅熒光，當(dāng)響應(yīng)分析物后，硫代部花菁熒光團(tuán)被釋放并產(chǎn)生光學(xué)信號變化，這種“保護(hù)-脫保護(hù)”策略經(jīng)常用于設(shè)計(jì)“點(diǎn)亮型”的近紅外熒光成像探針.探針的特異性響應(yīng)機(jī)制依賴于籠蔽基團(tuán)和生物標(biāo)志物間的特異性反應(yīng)，如氧化環(huán)加成、還原重排、金屬介導(dǎo)的氧化還原斷裂、酶切割等.

2020年，Zeng等［26］首次用硫原子替換氧原子的方法合成了硫代部花菁，并通過密度泛函理論（DFT）計(jì)算證明了硫原子可以降低部花菁熒光團(tuán)的LUMO能級以實(shí)現(xiàn)延長吸收/發(fā)射波長，達(dá)到近紅外成像的目的.在此基礎(chǔ)上，他們以硫代部花菁熒光團(tuán)為母體，構(gòu)建了一例新型溶酶體靶向的酸性磷酸酶（ACP）探針1（圖3），探針識別ACP后，其識別基團(tuán)磷酸保護(hù)基脫落，765 nm處的近紅外熒光開啟并增強(qiáng).該探針對ACP的檢測表現(xiàn)出高選擇性和靈敏度，檢測限低至0.48 U/L，并被成功用于細(xì)胞溶酶體中內(nèi)源性ACP水平的成像.此外，該探針還可用于篩選潛在的ACP抑制劑，這將對研究酸性磷酸酶活性在疾病診斷方面具有重要的指導(dǎo)作用.

同年，Zeng等［36］又以丙烯酸酯為識別位點(diǎn)，合成了一例溶酶體靶向的近紅外半胱氨酸（Cys）探針2（圖3）.在Cys存在下，Cys與丙烯酸酯發(fā)生邁克爾加成反應(yīng)，并迅速發(fā)生分子內(nèi)重排環(huán)化，釋放熒光分子，引起吸收波長的紅移和770 nm處的熒光明顯增強(qiáng).研究表明，探針對Cys的檢測限（LOD）為21.2 nmol/L，這遠(yuǎn)低于細(xì)胞（30～200 mmol/L）和血漿（12～15 mmol/L）中內(nèi)源性Cys水平，識別的準(zhǔn)一級速率常數(shù)為276 L·mol-1·s-1，有效地避免了谷胱甘肽（GSH）和高半胱氨酸（HCy）的干擾.此外，該探針具有較低的細(xì)胞毒性（20μmol/L探針處理Hela細(xì)胞24 h，細(xì)胞存活率可達(dá)85%以上），已成功應(yīng)用于HeLa細(xì)胞溶酶體內(nèi)源性半胱氨酸成像.

2022年，Zeng等［37］又合成了另一例硫代部花菁類Cys探針3（圖3），該探針依然選擇丙烯酸酯為識別基團(tuán)，苯并吲哚上共軛苯環(huán)使其熒光發(fā)射波長延長至803 nm，斯托克斯位移提高到68 nm.探針3對Cys的檢測限為0.166μmol/L，可有效區(qū)分開GSH和HCy，并且能夠?qū)€粒體中的內(nèi)源性Cys進(jìn)行成像，為探索Cys調(diào)節(jié)線粒體氧化應(yīng)激的特定功能和機(jī)制提供了機(jī)會.

同時(shí)，Zeng等［38，39］以硫代部花菁結(jié)構(gòu)為母體和“保護(hù)-脫保護(hù)”為策略又相繼報(bào)道了兩例“點(diǎn)亮型”探針，分別為二價(jià)鈀離子（Pd2+）探針4和水合肼（NH2NH2）探針5（圖3）.探針4利用烯丙基碳酸酯基團(tuán)作為特定的Pd2+響應(yīng)位點(diǎn)，表現(xiàn)出對Pd2+檢測的高選擇性和靈敏度（LOD=21.3 nmol/L）.在Pd2+存在下，探針在750 nm處的熒光明顯增強(qiáng)，并在活細(xì)胞成像時(shí)特異性地積聚在溶酶體中.探針5響應(yīng)NH2NH2后的熒光發(fā)射波長為803 nm，斯托克斯位移提高至158 nm，可以特異性和高靈敏度識別水合肼，檢測限為0.23μmol/L，低于美國環(huán)境保護(hù)署（EPA）認(rèn)可的飲用水中NH2NH2的最高閾值10μg/L.重要的是，該探針可用于活細(xì)胞線粒體中的水合肼成像，為可視化探索肼對線粒體的研究提供了潛在工具.

2022年，Lin等［40］設(shè)計(jì)并合成了一例硫化氫（H2S）探針6（圖3），與傳統(tǒng)的部花菁探針相比，該探針表現(xiàn)出對H2S快速響應(yīng)后在787nm處增強(qiáng)的近紅外發(fā)射和生理環(huán)境下的光穩(wěn)定性，檢測限為0.09 μmol/L，響應(yīng)時(shí)間為20 min.探針6實(shí)現(xiàn)了對正常細(xì)胞和癌細(xì)胞在不同刺激條件下內(nèi)源性H2S的熒光成像.此外，該探針首次成功應(yīng)用于急性肺損傷（ALI）小鼠模型體內(nèi)H2S水平近紅外熒光成像，在此實(shí)驗(yàn)中，研究人員通過尾靜脈注射脂多糖（LPS）的方式構(gòu)建ALI模型，腹腔注射探針6后觀察到肺部熒光明顯強(qiáng)于正常小鼠，表明LPS誘導(dǎo)了小鼠肺部炎癥，并產(chǎn)生了過量的H2S.該探針可能為探索H2S在肺部疾病和其它病理活動中的生理作用提供可靠的依據(jù).

最近，Wang課題組［41］開發(fā)了一例基于硫代部花菁的新型近紅外熒光探針7，用于監(jiān)測細(xì)胞重金屬離子中毒引起的氧化應(yīng)激過程中生物硫醇水平的波動.當(dāng)生物硫醇存在時(shí)，探針7結(jié)構(gòu)上的熒光猝滅基2，4-二硝基苯磺酰酯斷裂，導(dǎo)致吸收波長從591 nm紅移至729 nm，以及772 nm處的熒光顯著增強(qiáng).探針7在生理?xiàng)l件下對Cys/Hcy/GSH具有優(yōu)異的熒光響應(yīng)，平衡時(shí)間分別為15，35和28 min，檢測限低（Cys為0.12μmol/L，Hcy為0.15μmol/L，GSH為0.14μmol/L）.DFT計(jì)算和質(zhì)譜分析證明了這一識別機(jī)制.此外，探針7可用于檢測線粒體中的外源性和內(nèi)源性生物硫醇.更重要的是，當(dāng)Ag+和H2O2刺激細(xì)胞線粒體引起細(xì)胞氧化應(yīng)激后，探針7成功捕捉了該過程中生物硫醇水平的波動，這為揭示重金屬離子中毒機(jī)制提供了新啟示.

Fig.3 Structures of probes 1—7

1.2 熒光/光聲雙模式成像

熒光/光聲雙模式成像在成像精度與成像深度上優(yōu)勢互補(bǔ)，能夠提供更多的時(shí)空信息，可以實(shí)現(xiàn)信號分子的實(shí)時(shí)原位跟蹤檢測.然而由于缺乏有效的雙模式探針設(shè)計(jì)策略，雙模式成像在應(yīng)用中也遇到不少挑戰(zhàn).硫代部花菁由于其摩爾消光系數(shù)高、吸收/發(fā)射波長長和結(jié)構(gòu)易調(diào)控的優(yōu)勢，為熒光/光聲雙模式成像提供了契機(jī).同時(shí)，比例型探針在生物體系中高精度、高保真度檢測方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢.比例型探針是通過兩個(gè)波長處的光學(xué)信號強(qiáng)度比例變化來定量檢測被分析物，這種“此消彼長”的信號變化可以消除探針濃度、實(shí)驗(yàn)儀器測量、測試環(huán)境因素和光源等方面引起的誤差.硫代部花菁分子結(jié)構(gòu)一般由缺電子吲哚鹽和富電子羥基或氨基組成，易發(fā)生ICT.在“保護(hù)-脫保護(hù)”設(shè)計(jì)策略中，硫代部花菁類探針與底物識別后，ICT效應(yīng)強(qiáng)弱改變，吸收波長和熒光波長發(fā)生紅移，從而引起不同波長處的信號強(qiáng)度比例型變化.因此，硫代部花菁類染料有望成為設(shè)計(jì)比例型探針分子的理想支架，并利用熒光/光聲雙模式成像技術(shù)拓展其在疾病診斷和癌癥治療方面的應(yīng)用.

2021年，Chan課題組［42］設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一個(gè)基于硫代部花菁染料的近紅外光聲探針PA-HD平臺［圖4（A）］.其中，通過硫原子取代傳統(tǒng)半菁染料氧原子，使得PA-HD部花菁的最大吸收波長從690 nm紅移至745 nm，增強(qiáng)了該探針的組織穿透深度.此外，由于部花菁的裸露羥基質(zhì)子化形式具有與未激活探針相似的吸光度曲線，故在羥基鄰位引入氯原子降低探針的pKa值，確保激活后的探針主要以去質(zhì)子化形式存在，避免造成偽影.

隨后，他們以此光聲探針平臺設(shè)計(jì)了3例可激活型光聲探針［圖4（B）］，探針8（PA-HD-Gal）、探針9（PA-HD-NTR）和探針10（PA-HD-H2O2）分別用于β-半乳糖苷酶（β-Galactosidase）、硝基還原酶（NTR）和過氧化氫（H2O2）的檢測，并將這3種探針應(yīng)用于對應(yīng)的3種疾病模型的體內(nèi)光聲成像.3例探針的識別效果均不受活性氧和生物硫醇的影響.探針8的熒光信號可在兩種人卵巢癌細(xì)胞系OVCAR-3和IGROV-1中被過表達(dá)的β-半乳糖苷酶激活；探針9實(shí)現(xiàn)了ID8癌細(xì)胞不同乏氧程度的檢測，這種熒光信號的增強(qiáng)源于癌細(xì)胞乏氧導(dǎo)致的硝基還原酶表達(dá)上調(diào)；探針10揭示了神經(jīng)元細(xì)胞NeuroScreen-1氧化應(yīng)激過程中H2O2水平的升高，識別H2O2后熒光增強(qiáng)（19.3±7.4）倍.在ID8卵巢癌和4T1乳腺癌腫瘤中分別瘤內(nèi)注射探針8和9，多光譜光聲斷層掃描成像系統(tǒng)（Multispectral optoacoustic tomography，MSOT）在735 nm處獲取橫截面光聲圖像，結(jié)果表明，兩例探針均能分別被腫瘤內(nèi)過表達(dá)的β-半乳糖苷酶和硝基還原酶激活，表現(xiàn)為735 nm處的光聲信號分別增強(qiáng)（1.31±0.21）倍和（1.40±0.24）倍，最后探針10成功應(yīng)用于阿爾茨海默癥模型中，在響應(yīng)氧化應(yīng)激過程產(chǎn)生的H2O2后光聲信號增強(qiáng)了（1.79±0.20）倍［圖4（C）］.因此，PA-HD平臺將促進(jìn)各種新型可激活光聲探針的開發(fā).

Fig.4 Schematic diagram of photoacoustic platforms named PA-HD(A),chemical structure of PA-HD-Gal,PA-HD-NTR and PA-HD-H2O2,and their responses to biologically relevant species,respectively(B),representative photoacoustic images of the brain from an Alzheimer’s disease mouse and a wildtype mouse via retroorbital injection with PA-HD-H2O2,and photoacoustic turn-on or photoacoustic ratio at 735 nm/660 nm response(C)[42]

2022年，Shen和Chen等［43］提出能量平衡策略，在經(jīng)典含氧部花菁染料分子結(jié)構(gòu)中，通過硫原子取代氧原子的簡單設(shè)計(jì)，巧妙地調(diào)控了熒光輻射躍遷和光聲非輻射躍遷之間的能量平衡，構(gòu)建雙比例型近紅外熒光/光聲（NIRF/PA）分子支架.與經(jīng)典的含氧部花菁染料相比，硫代部花菁染料的吸收與發(fā)射波長明顯紅移，且熒光量子產(chǎn)率明顯下降，同時(shí)伴隨著光聲性能顯著上升，這一降一升顯示出探針分子中熒光的輻射躍遷與光聲的非輻射躍遷之間的能量平衡.基于這種優(yōu)化的支架（圖5），該課題組首次報(bào)道了一種對硝基還原酶雙比例響應(yīng)的探針11（AS-Cy-NO2），并將其用于體內(nèi)乏氧腫瘤的定量可視化成像.探針11由NIRF/PA支架硫雜蒽-半菁（AS-Cy-1）和乏氧響應(yīng)基團(tuán)4-硝基苯組成，當(dāng)被腫瘤乏氧生物標(biāo)志物硝基還原酶（NTR）激活時(shí)，表現(xiàn)出10倍的比例型NIRF增強(qiáng)（I773/I733）和2.4倍的PA比值增強(qiáng)（PA730/PA670），熒光和光聲的檢測限分別為2.5和51 ng/mL.研究表明，雙比例NIRF/PA成像可在異種乳腺癌模型中準(zhǔn)確地定量乏氧程度，具有較高的靈敏度和成像深度.與此同時(shí)，該探針的3D最大密度投影（3D MIP）PA圖像可以精確地區(qū)分實(shí)體瘤中高度異質(zhì)性的氧分布.因此，這一研究不僅構(gòu)建了首個(gè)可定量精確監(jiān)測腫瘤乏氧水平的雙比例成像探針，也提供了一個(gè)新型的NIRF/PA支架，其可推廣應(yīng)用于對其它疾病相關(guān)生物標(biāo)志物的雙比例成像.

Fig.5 Schematic diagram of probe 11(AS-Cy-NO2)dual NIRF/PA response to NTR[43]

Fig.6 Schematic diagram of probe 12 used for dual NIRF/PA ratiometric detection of carbon monoxide during liver injury and repair[44]

最近，Chen課題組［44］設(shè)計(jì)了一例NIRF/PA雙模態(tài)探針12（DOP-CO），并用于定量檢測和成像一氧化碳（CO）.如圖6所示，在CO存在時(shí)，探針12的識別基團(tuán)烯丙基碳酸酯被切斷，表現(xiàn)出10.6倍的熒光比值（FL785/FL720）和2.14倍的光聲比值（PA735/PA670）變化.該探針可靶向線粒體，共定位系數(shù)達(dá)0.90，實(shí)現(xiàn)了HepG2細(xì)胞中外源性和內(nèi)源性CO釋放行為的熒光比例成像.活體成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，尾靜脈注射探針后，探針主要在小鼠肝臟富集，并可通過NIRF/PA雙模態(tài)成像對對乙酰氨基酚（APAP）誘導(dǎo)的肝損傷和保肝藥聯(lián)苯胺（DDB）/熊去氧膽酸（UDCA）修復(fù)肝臟引發(fā)的肝臟內(nèi)源性CO波動進(jìn)行可視化檢測.所制備的雙比例探針不僅有助于深入了解CO波動與肝損傷之間的關(guān)系，而且為研究更多CO介導(dǎo)的生物過程提供了一個(gè)有前途的工具.

2 硫代部花菁類診療分子

癌癥是全球高發(fā)病率和死亡率的主要疾病之一，早期診斷、干預(yù)和治療對腫瘤消除起到至關(guān)重要的作用.在諸多診療手段中，近紅外功能性熒光染料由于其靈敏度高、無侵入性、生物相容性好和可控治療等優(yōu)勢被廣泛開發(fā)，特別是智能型診療試劑在精確的癌癥診斷和疾病監(jiān)測方面?zhèn)涫荜P(guān)注.相比于氧雜蒽類部花菁熒光團(tuán)，硫代部花菁染料的熒光量子產(chǎn)率降低和非輻射躍遷增加賦予其潛在的光療應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)腫瘤標(biāo)志物可激活的特性使其成為智能型診療試劑的理想骨架，這些性質(zhì)也激勵著科研人員進(jìn)一步挖掘硫代部花菁在診療方面的應(yīng)用，如光動力治療和光熱治療等.

2021年，Bradley等［45］報(bào)道了一系列在近紅外區(qū)域吸收和發(fā)射的氧雜蒽及硫雜蒽類部花菁染料.研究表明，重原子溴和碘取代的氧雜蒽部花菁染料通過I型和II型機(jī)制產(chǎn)生了更多的活性氧（ROS），其單線態(tài)氧量子產(chǎn)率（ΦΔ）最高可達(dá)0.8，光照條件下對細(xì)胞（640 nm激光，功率0.01 W/cm2）的半致死濃度（IC50）值達(dá)0.76μmol/L.在相同條件下，探針顯示出比市售光敏劑亞甲基藍(lán)（ΦΔ=0.52，IC50=10μmol/L）更優(yōu)異的光動力治療效果，這對開發(fā)新的部花菁類光敏劑具有指導(dǎo)作用.此外，他們發(fā)現(xiàn)硫代部花菁具有更長的吸收波長和更低的熒光量子效率（Φf=0.102或0.113，甲醇為溶劑），然而可惜的是，其ΦΔ值只有0.05～0.06，基于此，該報(bào)道未能進(jìn)一步研究硫代部花菁的PDT效果.

2022年，F(xiàn)an研究組［46］通過將傳統(tǒng)氧雜蒽部花菁母核的氧原子替換成硫原子構(gòu)造了一類新型硫代部花菁光熱試劑平臺（Scy）.如圖7所示，相比傳統(tǒng)部花菁染料，硫原子的引入導(dǎo)致熒光強(qiáng)度大幅度降低，而光熱轉(zhuǎn)換效率提高至48%，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)部花菁染料光熱試劑，并且與商業(yè)化光熱試劑吲哚菁綠ICG（基于TICT機(jī)制產(chǎn)生光熱）對比，硫代部花菁的光熱轉(zhuǎn)換效率并不隨黏度的變化而變化.通過高斯計(jì)算、光譜測試及活性氧監(jiān)測探索了硫代部花菁的光熱轉(zhuǎn)換效率提高的原因是，通過抑制輻射躍遷途徑增強(qiáng)非輻射躍遷.基于此，他們在硫代部花菁染料的羥基活性位點(diǎn)引入生物硫醇識別基團(tuán)2，4-二硝基苯磺酰酯構(gòu)建了光敏探針13（Scy-DNBS），該探針熒光信號猝滅并能被腫瘤過表達(dá)的生物硫醇專一性點(diǎn)亮.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該光敏劑對腫瘤細(xì)胞具有良好的抑制作用，而對正常細(xì)胞沒有影響，實(shí)現(xiàn)了區(qū)分腫瘤細(xì)胞（HepG-2，A549，HeLa，MCF-7和4T1細(xì)胞）和正常細(xì)胞（3T3細(xì)胞）而精準(zhǔn)治療的目的.最后，他們將其應(yīng)用于活體實(shí)驗(yàn)同樣取得良好的效果，實(shí)驗(yàn)組腫瘤明顯被抑制，并且通過組織切片實(shí)驗(yàn)表明該光敏劑無明顯毒副作用.

Fig.7 Schematic illustration of probe 13(Scy-DNBS)responding specifically to GSH and used in tumor photothermal therapy

多模式成像引導(dǎo)的光療是一種新興的腫瘤精確診斷治療方法，具有高特異性和毒副作用小的特點(diǎn).然而，目前報(bào)道的大多數(shù)方法只是簡單地將成像染料和治療試劑包裹在納米體系中，其診療階段不可避免地產(chǎn)生假陽性信號和副作用.結(jié)合納米顆粒的高通透性和滯留效應(yīng)（EPR effect）以及腫瘤特異性激活策略，可以實(shí)現(xiàn)診療試劑在腫瘤部位的高效積累和微環(huán)境激活，更進(jìn)一步提高信噪比和降低毒副作用.基于此，最近本課題組［47］報(bào)告了一種新型的乏氧激活型多模式成像和光熱/光動力治療納米平臺.首先，通過優(yōu)化熒光團(tuán)母體發(fā)現(xiàn)，新開發(fā)的硫代部花菁CyS-NH2與氧雜蒽部花菁相比，表現(xiàn)出優(yōu)異的光化學(xué)性質(zhì)，如更長的吸收/發(fā)射波段和更大的摩爾消光系數(shù).因此更進(jìn)一步設(shè)計(jì)并合成了偶氮類乏氧探針14（AzoCyS-N）（圖8），并將其用于對癌細(xì)胞中過表達(dá)的偶氮還原酶成像.該探針在乏氧條件下釋放熒光報(bào)告基團(tuán)CyS-NH2，從而導(dǎo)致760 nm處的近紅外熒光信號和730 nm處的光聲信號顯著增強(qiáng).

Fig.8 Schematic diagram of AzoCyS-N nanoparticles for hypoxic-activated NIRF/PAI imaging-guided photothermal and photodynamic synergistic therapy of tumor(A),photographs of live mice with three treatments during the 14 d period(PBS+light,AzoCyS-N NPs and AzoCyS-N NPs+light)(B),relative tumor volume of tumor-bearing mice(C),body weights of the mice(D)[47]

為了提高腫瘤靶向性和生物相容性，進(jìn)一步將AzoCyS-N封裝到葉酸改性的兩親聚合物DSPEPEG5000-FA中以形成納米粒子AzoCyS-N NPs.光譜測試顯示，AzoCyS-N NPs在乏氧激活下熒光和光聲強(qiáng)度各增強(qiáng)42.3倍和24.5倍，并在690 nm激光照射下表現(xiàn)出良好的光動力和光熱效應(yīng).此外，AzoCyS-N NPs實(shí)現(xiàn)了HeLa細(xì)胞乏氧梯度成像，并對細(xì)胞產(chǎn)生了明顯的光毒性，其半致死濃度IC50值達(dá)到（2.28±0.41）μmol/L（0.3 W/cm2）和（0.32±0.08）μmol/L（0.6 W/cm2）.體內(nèi)研究證實(shí)，尾靜脈注射納米粒子AzoCyS-N NPs后，腫瘤區(qū)域的熒光和光聲信號特異性點(diǎn)亮并在24 h達(dá)到最大值.荷瘤小鼠經(jīng)過14 d的光照治療，AzoCyS-N NPs成功實(shí)現(xiàn)了多模態(tài)成像引導(dǎo)下的光動力和光熱效應(yīng)協(xié)同抑制實(shí)體瘤生長.

3 總結(jié)與展望

綜合評述了一系列基于硫代部花菁染料的可激活型探針用于生命體系中關(guān)鍵生物分子的多模式成像及成像指導(dǎo)下的診療研究.特別強(qiáng)調(diào)了探針的設(shè)計(jì)策略、檢測機(jī)制以及在疾病模型成像和腫瘤診療的應(yīng)用.盡管硫代部花菁在生物成像和腫瘤治療方面取得了巨大的進(jìn)展，但仍存在一些問題和挑戰(zhàn).如，在水溶液中易于聚集猝滅和多細(xì)胞器靶向性差等缺陷，不利于長時(shí)間成像跟蹤和亞細(xì)胞尺度上觀察.其次，腫瘤治療過程中的光功率太大、靶向性差、信噪比低，以及為提高光療效果而引入重原子帶來的暗毒性等問題也不容忽略.通過化學(xué)結(jié)構(gòu)調(diào)控、兩親性聚合物自組裝、超分子策略、聚集誘導(dǎo)發(fā)光（AIE）或設(shè)計(jì)無重原子效應(yīng)型光敏劑等方案來解決上述問題或許可以突破成像壁壘，并大大提高腫瘤的治療效果.盡管面臨許多挑戰(zhàn)，但隨著研究的不斷深入，更多高性能、多功能的基于硫代部花菁骨架的小分子染料將很快用于未來的生物醫(yī)學(xué)研究和疾病治療.