體內(nèi)成像技術(shù)已成為中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）疾病藥物研發(fā)和臨床評估的重要組成部分。650-950nm范圍的近紅外（NIR）熒光成像廣泛用于臨床前體內(nèi)成像研究，而向短波紅外（SWIR，1000-1700nm）窗口具有更高的組織穿透性和分辨率，有很高的臨床應(yīng)用潛力。加南大研究人員Maria J. Moreno等以SWIR窗口為重點，綜述了近紅外熒光光學(xué)成像模式的最新進展。利用PHOTON公司的IR VIVO系列近紅外二區(qū)小動物活體成像體統(tǒng)，詳細(xì)研究討論了開發(fā)新型有機和無機SWIR發(fā)射體的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，特別關(guān)注了毒理學(xué)和藥理學(xué)方面。在成像儀器、算法和新的SWIR發(fā)射體的進步的推動下，SWIR成像解決了臨床前研究CSN光學(xué)成像模式面臨的主要障礙。生物相容性SWIR發(fā)射體的開發(fā)和多模式成像模式中SWIR的采用有望將光學(xué)成像快速推進到轉(zhuǎn)化研究和臨床應(yīng)用中。文章以“In vivo near-infrared fluorescent optical imaging for CNS drugdiscovery”為題發(fā)表于Expert Opin Drug Discov。
 

 

1-簡介
 

慢性神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）疾病，包括阿爾茨海默�。ˋD）、帕金森病（PD）、多發(fā)性硬化、卒中和慢性疼痛等，正迅速成為一種不斷升級的流行病，對全球醫(yī)療保健系統(tǒng)都是一個巨大挑戰(zhàn)。相較于其他治療領(lǐng)域，CNS藥物成功率最低，很大一部分CNS靶向分子在早期/晚期臨床試驗中失敗，只有6.8%的臨床試驗產(chǎn)品進入市場。CNS疾病藥物開發(fā)面臨的障礙與其他治療領(lǐng)域類似：缺乏合適的疾病轉(zhuǎn)化動物模型、臨床前藥代動力學(xué)（PK）/藥效學(xué)（PD）關(guān)系在劑量選擇方面整合不足、缺乏對治療反應(yīng)的敏感早期檢測，以及需要在臨床試驗中解決人群異質(zhì)性的影響。此外大腦和神經(jīng)精神疾病的復(fù)雜性、血腦屏障（BBB）對藥物和成像造影劑的高度限制、安全風(fēng)險以及臨床試驗中缺乏可幫助患者選擇及早期療效評估的生物標(biāo)志物，使CNS治療開發(fā)困難進一步加劇。

 

成像方法的整合可幫助解決一些問題。體內(nèi)成像有助于確定合適的治療目標(biāo)，評估生物分布和藥代動力學(xué)，評估靶點占有率、參與度和劑量反應(yīng)，以及中靶和脫靶效應(yīng)，還可能在臨床前和臨床藥理學(xué)方面發(fā)揮一定作用。

 

從結(jié)構(gòu)成像到分子成像，成像儀器和技術(shù)取得了重大進展，包括計算機斷層掃描（CT）、正電子發(fā)射斷層掃描（PET）、單光子發(fā)射計算機斷層掃描（SPECT）、磁共振成像（MRI）、超聲波和光學(xué)成像。伴隨著新分子靶標(biāo)的鑒定、多功能造影劑的開發(fā)和提取定量數(shù)據(jù)的分析工具得以加速。PET、SPECT和MRI已被用于臨床前疾病模型和藥物開發(fā)評估，特別是CNS領(lǐng)域，但對設(shè)施和培訓(xùn)要求高，在大多數(shù)學(xué)術(shù)甚至工業(yè)實驗室中普及性不高。熒光光學(xué)成像功能強大、價格合理，是很好的臨床前體內(nèi)成像替代技術(shù)，而其分辨率也隨著發(fā)展日益提高。此外熒光成像在臨床應(yīng)用也顯示出巨大潛力，如熒光血管造影術(shù)、轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)標(biāo)測、心輸出量評估、癌癥定位、手術(shù)邊緣評估和圖像引導(dǎo)手術(shù)，彌補了光學(xué)成像技術(shù)傳統(tǒng)上的感知問題。

本文將以短波紅外（SWIR）窗口為重點，綜述近紅外（NIR）熒光光學(xué)成像模式的最新進展。回顧開發(fā)和設(shè)置儀器以及新型有機和無機SWIR發(fā)射體的優(yōu)勢和問題，特別強調(diào)毒理學(xué)和藥理學(xué)。討論臨床前成像的未來前景及向神經(jīng)成像領(lǐng)域臨床轉(zhuǎn)化的潛力。

 

 

2-熒光成像：從NIR到SWIR成像
 

熒光成像的原理是利用紫外光到紅外光范圍內(nèi)的光激發(fā)分子，分子被激活會發(fā)出波長更長的光子，用專門的傳感器能很容易檢測到這些光子。但當(dāng)光穿透組織層時，光-組織間的相互作用導(dǎo)致光發(fā)生吸收、反射、散射和自發(fā)熒光，這都會影響圖像捕獲和分析。近紅外（NIR）（700nm-2000nm）光譜中的干擾要小于可見光（400nm-700nm）光譜，因此NIR區(qū)被認(rèn)為是“光學(xué)或治療窗口”，此處光具有最大穿透深度，組織透明度最高�；罱M織中，光吸收使信號強度降低，主要是由于內(nèi)源性發(fā)色團，如黑色素、水、脂質(zhì)、氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白。這些分子的吸收峰在400-900nm，可通過NIR窗口（> 1000nm）成像來避免。組織自發(fā)熒光主要由NAD(P)H、膠原、彈性蛋白、色氨酸、酪氨酸、卟啉和FAD等分子產(chǎn)生，而這些分子發(fā)射大部分可見光波長的光。幾乎所有生物組織的光散射程度都遵循反比波長關(guān)系（λ^-α，其中λ為波長，不同組織α= 0.2-4），大腦的波長依賴性最強。光散射會增加背景噪聲并影響空間分辨率，而通過NIR波長成像可以顯著減少光散射。綜上所述（圖1），NIR熒光成像的靈敏度、組織穿透深度、空間分辨率均高于傳統(tǒng)的可見光成像，已成為體內(nèi)研究的首選方式。
 

圖1 （a）與波長相關(guān)的腦組織自發(fā)熒光，在較長波長下自發(fā)熒光發(fā)射減少。處死后立即用IVIS Lumina Ⅲ結(jié)合氙燈和2個六色光源對大腦進行離體成像。激發(fā)和發(fā)射濾波器組:（a）明場；（b）Ex/Em:460±20nm/520±20nm；（c）Ex/Em:520±20nm，570±20nm；（d）Ex/Em:660±20nm，710±20nm；（e）Ex/Em:740±20nm，790±20nm，（f）Ex/Em:740±20nm，850±20nm。（b）水、脂質(zhì)、氧合血紅蛋白（HbO2）和脫氧血紅蛋白（Hb）的吸收光譜。（c）皮膚、顱骨和腦組織相對于波長λ減少的散射系數(shù)μ’s。
 

 

過去十年里，NIR外成像的發(fā)展主要集中在所謂的“第一個生物窗口”或NIR-Ⅰ（650-950nm）中。“第二個生物窗口”或NIR-II，也稱為短波紅外（SWIR，1000-1700nm）的發(fā)現(xiàn)，使得生物樣品透明度方面有了巨大提升，在深度穿透和圖像分辨率方面都有顯著提高。但由于缺乏靈敏的探測器，SWIR成像很困難。用于NIR窗口的硅基探測器在900nm以上產(chǎn)生的信號很低。其他基于鍺(Ge)、銻化銦(InSb)和碲化鎘汞(HgCdTe)的探測器雖然在SWIR范圍內(nèi)靈敏度更高，但效率很低�；�于銦鎵砷（InGaAs）的二極管陣列檢測器可更靈敏地檢測較長波長，使SWIR光譜在體內(nèi)外成像應(yīng)用成為可能。結(jié)合生物相容性SWIR發(fā)射體的發(fā)展，如有機染料、單壁碳納米管（SWCNTs）、量子點（QDa）、稀土摻雜納米復(fù)合材料和金納米粒子，熒光成像領(lǐng)域發(fā)生了徹底改變，向臨床前和臨床成像轉(zhuǎn)化又邁進了一步。

 

 

3-NIR-Ⅰ和SWIR成像探針
 

3.1 小有機熒光團

 

用于體內(nèi)的商業(yè)NIR熒光探針大多是花青衍生物，通常表現(xiàn)出高摩爾消光系數(shù)，但熒光量子產(chǎn)率（QY）中等（約1-30%）。典型的例子是吲哚青綠（ICG，Emission:~800nm），目前廣泛用于臨床，包括眼底血管造影術(shù)、檢測黑色素瘤患者的前哨淋巴結(jié)、乳腺癌、胃癌和血流監(jiān)測等。水溶液中ICG分子形成J-聚集體并快速熒光降解。然而在血液中，ICG與血漿蛋白特別是球蛋白緊密結(jié)合，并在血管中持續(xù)循環(huán)，成為動態(tài)血管和血流成像的優(yōu)異染料。ICG通過肝膽管迅速消除，并無代謝地釋放到膽汁中，因此可用于觀察肝臟和膽囊功能。ICG與蛋白質(zhì)結(jié)合時會淬滅，最初認(rèn)為這限制了分子成像應(yīng)用，但隨后發(fā)現(xiàn)該效應(yīng)可用于開發(fā)可激活探針，由熒光沉默染料（ICG）通過可酶切或?qū)�pH敏感的接頭附著在蛋白質(zhì)上。染料從蛋白質(zhì)上解離后變得不可抑制，僅在目標(biāo)組織中發(fā)光，與傳統(tǒng)的“持續(xù)發(fā)射”探針相比，背景熒光顯著降低，靈敏度和圖像對比度增強。

 

ICG存在光穩(wěn)定性差、水溶性差和QY低（血清中約9.3%）的缺點，因此需要開發(fā)新的有機NIR/SWIR熒光團，面臨的挑戰(zhàn)包括開發(fā)控制熒光團發(fā)射波長所需的復(fù)雜化學(xué)物質(zhì)、將非常離散的波長轉(zhuǎn)移到SWIR光譜，以及大多數(shù)新開發(fā)分子的QY都很低（0.01-1.4%）。新SWIR染料除改善物理化學(xué)特性（如高消光系數(shù)和量子產(chǎn)率、低光漂白和快速腎清除）外，還需要經(jīng)過非常嚴(yán)格的毒性和安全性臨床評估。FDA批準(zhǔn)的ICG染料最初被認(rèn)為限制在1000nm的NIR范圍內(nèi)，但用InGaAs相機分析時顯示出一條擴展到1500nm以上的長發(fā)射尾。此外在對比度和圖像分辨率方面，較弱的SWIR“非峰值”發(fā)光優(yōu)于明顯較強的NIR-Ⅰ峰值發(fā)光。因此將InGaAs攝像機與當(dāng)前的臨床成像平臺相結(jié)合，有望使SWIR成像向快速跟蹤臨床轉(zhuǎn)化（圖2）。

 

圖2 使用IR VIVO (Photon etc, QC, Canada)在以NIR區(qū)域用ICG在裸鼠體內(nèi)成像，顯示透明度和圖像分辨率有所提高：（a）NIR-Ⅰ窗口全身成像；Ex: 780 nm，帶通濾波器:850 nm/50。（b）SWIR窗口全身成像；Ex: 780 nm，長光程濾光片:1250 nm。（c）SWIR窗口小鼠頭部成像；Ex:780nm，長光程濾光器:1250nm。（d）光路和SWIR IR VIVO成像系統(tǒng)主要組件的示意圖。
 

 

3.2 有機/聚合物納米粒子
 

聚集誘導(dǎo)發(fā)射發(fā)光體（AIEgens）是SWIR發(fā)光體的另一種形式，在生物醫(yī)學(xué)成像中有很大潛力。與大多數(shù)聚集誘導(dǎo)猝滅的有機小分子熒光團相反，AIE熒光團在從孤立分子轉(zhuǎn)變?yōu)榫奂�納米粒子狀態(tài)時表現(xiàn)出熒光增強。

 

使用供體-受體（D-A）方法產(chǎn)生AIE點（BPN和TQ用作供體和受體單元）。TQ-BPN采用兩親性聚合物Pluronic F-127封裝成有機點，所得TQ-BPN量子點具有寬發(fā)射光譜（700-1200nm），激發(fā)/發(fā)射峰在約630/810nm，強拖尾可至1200nm，在NIR和SWIR區(qū)的QY分別可達13.9%和2.8%。TQ-BPN點在水和血清中表現(xiàn)出良好的光穩(wěn)定性，并且在連續(xù)635nm激光照射1h后沒有光漂白。此外，與用NIR-I硅基CCD相機成像的小鼠相比，用TQ-BPN點注射并用SWIR InGaAs照相機成像圖像分辨率更高。全身成像顯示有機點循環(huán)時間較長（> 12h），肝臟和脾臟是主要積聚器官，這很可能是由于F-127的長PEG鏈。結(jié)合顯微血管造影術(shù)可顯示800μm深度的小毛細(xì)血管（直徑約18.4μm）、提取血液動力學(xué)參數(shù)（如平均血流速度和血流量），以及監(jiān)測小鼠大腦中的光血栓性缺血（PTI）和血腦屏障（BBB）損傷。

 

有研究設(shè)計了聚合物點（polymer dots, Pdots），其中phenothiazine、benzothiazole及其衍生物（benzothiazole, BT、naphtho[2,3-c][1,2,5] thiadiazole, NT和benzobisthiadiazole, BBTD）分別用作供體和受體，賦予聚合物在1300-1400nm內(nèi)的高位移熒光波長。所得Pdots在水溶液中顯示約1.7%的熒光QY，比四氫呋喃（THF）溶液中的原始聚合物高約21倍。使用1319nm長通濾波器透過顱骨對血管內(nèi)Pdots成像，與使用1250nm長通濾波器相比，顯示出穿透深度和信號背景比顯著改善，證實在1300nm光學(xué)區(qū)域中大腦具有優(yōu)異透明度及圖像分辨率。
 

 

3.3 量子點（Quantum dots, QDs）
 

量子點是直徑約2-20nm的小型半導(dǎo)體納米粒子，由元素周期表第Ⅱ-Ⅵ族、第Ⅲ-Ⅴ族和第Ⅳ-Ⅵ族元素構(gòu)成的核殼結(jié)構(gòu)組成。這些粒子具有高熒光QY（約20–80%）、高光穩(wěn)定性和通過粒子尺寸操作的可調(diào)發(fā)射波長（從可見光到SWIR），較大的粒子以較長的波長發(fā)射，因此在成像應(yīng)用中表現(xiàn)優(yōu)異。量子點一般發(fā)射相同的光，與使用的激發(fā)波長無關(guān)，并且發(fā)射光譜非常窄，使得僅用一個光激發(fā)源就能同時記錄由量子點混合物發(fā)出的不同顏色，這一特性正被用于生物分子（如蛋白質(zhì)、肽或DNA）的多重光學(xué)編碼，并在高通量藥物篩選、基因表達分析和臨床診斷方面具有巨大潛力。

 

量子點通常在有機溶劑中產(chǎn)生，因此不溶于水。水溶性可通過封裝在二氧化硅或兩親共聚物中，或通過用水溶性配體包覆來實現(xiàn)。盡管成像特性優(yōu)秀，但其固有毒性是生物應(yīng)用中的主要關(guān)注點。降低毒性的方法包括用ZnS殼表面鈍化或用有機分子/聚合物（如PEG）涂層。然而量子點尺寸較大，超過了腎臟清除的流體動力學(xué)半徑截止值（約5.5nm），可在腎臟、肝臟和脾臟中長時間積累，毒性核心物質(zhì)存在泄漏風(fēng)險。另外量子點還可改變細(xì)胞中的基因表達，會在分子水平上產(chǎn)生意想不到的長期影響。因此生產(chǎn)更穩(wěn)定的涂層以保護量子點免受外部環(huán)境影響，并防止?jié)撛诤Χ拘浴㈤_發(fā)具有所需光學(xué)性能且無毒的新材料，仍然是該領(lǐng)域主要關(guān)注的問題。
 

 

3.4 單壁碳納米管（single-wall carbon nanotubes, SWCNTs）
 

單壁碳納米管是一種新型納米材料，以其獨特的機械、光學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)性質(zhì)引起極大關(guān)注。碳納米管是圓柱形石墨空心管，由一個蜂窩狀網(wǎng)格中的碳原子組成，直徑很小，通常在0.5-2nm間，長度從50nm-1mm不等。單壁碳納米管的許多性質(zhì)取決于結(jié)構(gòu)，其特征在于手性指數(shù)（n,m），該指數(shù)定義了六邊形碳晶格中圓周矢量的長度和方向。單壁碳納米管可以是半導(dǎo)電的，也可以是金屬的，取決于它們的手性角度和直徑，單壁碳納米管制劑通常包含兩種類型的混合物。半導(dǎo)體單壁碳納米管在SWIR顯示出強烈的光學(xué)熒光，在體內(nèi)成像方面有巨大潛力。但仍需解決其相關(guān)的毒性問題（疏水性及易在水中聚集形成束），改善溶解性和生物相容性。解決方法包括用大分子如聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和聚苯乙烯磺酸鹽（PSS）包裹，以及用聚（環(huán)氧乙烷）PEO或氨基葡萄糖官能化。另外潛在毒性方面的報道相互矛盾，部分原因是不同實驗室的單壁碳納米管制備、純化和增溶方法缺乏標(biāo)準(zhǔn)化。細(xì)胞毒性主要取決于尺寸和表面功能化，與共價修飾的長碳納米管相比，非共價功能化的短碳納米管毒性較低。最重要的問題包括長期吸入后的肺毒性、中度皮膚刺激和炎癥。就其藥代動力學(xué)而言，分散在水中的單壁碳納米管盡管分子量較大，但可通過腎小球過濾迅速清除，血液循環(huán)半衰期為幾個小時，這也顯著降低了在身體器官中長期積累的風(fēng)險和潛在相關(guān)毒性。盡管如此，單壁碳納米管仍需進一步的生物相容性和毒性評估，以確定其在臨床中的可用性。
 

 

4 用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)成像的NIR/SWIR成像
 

4.1 腦血管成像
 

腦血管解剖及生理學(xué)與神經(jīng)元功能和腦病理學(xué)密切相關(guān)。神經(jīng)血管耦合是功能性磁共振成像的基礎(chǔ)。此外，由腦血管和毛細(xì)血管形成的血腦屏障（BBB）是一種動態(tài)的物理和分子屏障，控制著外圍和大腦之間的物質(zhì)和信息交換。

 

無創(chuàng)成像的首要挑戰(zhàn)是分辨率和穿透深度。MRI和X-光CT是兩種常規(guī)腦部臨床成像方式，MRI可敏感地檢測軟組織病變，X-光CT可提供大腦的解剖橫截面圖像。在檢測大腦形態(tài)變化方面二者的深度穿透力優(yōu)秀，但對小血管分辨率不足�；�于可見光和NIR-I熒光的成像技術(shù)盡管分辨率很高，但活體內(nèi)腦成像時組織穿透性差、光散射較高，且成像腦脈管系統(tǒng)常需要顱窗，應(yīng)用上也很受限。隨著SWIR成像系統(tǒng)的發(fā)展，利用各種熒光發(fā)射體如有機染料（圖3）、單壁碳納米管和量子點，實現(xiàn)了透過完整的小鼠顱骨觀察到直徑小于10μm的腦微血管。使用(SWCNT)-IRDye800共軛物結(jié)合800-1700nm發(fā)射光，對SWIR區(qū)域進一步探索發(fā)現(xiàn)了兩個光學(xué)子窗口，即NIR-Ⅱa（1.3-1.4μm）和NIR-Ⅱb（1.5-1.7μm），成像指標(biāo)（包括透明度、分辨率和穿透深度）均有所改善。這是由于頭皮、顱骨和腦組織在這些光學(xué)區(qū)域的散射系數(shù)降低，以及NIR-Ⅱb窗口中水吸收顯著降低。通過使用InGaAs攝像機以高成像速率（5.6fps）在NIR-Ⅱa光譜中成像，可以高時間分辨率記錄血液-大腦灌注，并實現(xiàn)對完整小鼠大腦中血流動力學(xué)的實時評估。此外通過將主成分分析（PCA）應(yīng)用于時間進程圖像，基于血液動力學(xué)差異可區(qū)分動脈和靜脈。
 

 

與NIR-Ⅱa窗口的快速發(fā)展相反，NIR-Ⅱb區(qū)域成像更具挑戰(zhàn)性，因為在NIR-Ⅱb發(fā)光的物質(zhì)數(shù)量有限，且量子產(chǎn)率低（如CdS硫化鎘涂覆的InAs量子點）、水溶液中有的光不穩(wěn)定性（如PbS或PbSe量子點）。但也有發(fā)射波長大于1500nm的大直徑SWCNT在完整小鼠腦中成像腦脈管系統(tǒng)時表現(xiàn)優(yōu)秀。盡管之前由于水泛音吸收峰而掩蓋了1,400-1,500nm波長，但研究發(fā)現(xiàn)在強吸水波長下對比度顯著增加，從而能夠以高分辨率可視化更深的結(jié)構(gòu)。

 

大多數(shù)SWIR熒光團是無機納米材料，在肝臟和脾臟中強烈積聚，存在安全問題和潛在的長期毒性。為此，安全性更高的有機SWIR染料應(yīng)運而生，首先是由供體-受體-供體（D-A-D）基序構(gòu)建的CH1055熒光團，該基序可產(chǎn)生約1055nm的發(fā)光位移，但QY較低（約0.3%）。對D-A-D結(jié)構(gòu)進行修飾產(chǎn)生了一種新型SWIR染料IRE1，該染料在水溶液中顯示出增強的熒光QY（約0.7%），使得能夠在小鼠中以單血管分辨率監(jiān)測腦血管變化。

 

最初在嚙齒動物中進行的SWIR成像現(xiàn)已經(jīng)擴展到大型動物，包括非人靈長類動物和豬，用于大腦皮層血管造影術(shù)。在恒河猴中，用兩個SWIR適配顯微鏡，一個高空間分辨率的共焦激光顯微鏡（< 10μm）和一個高時間分辨率的寬視野顯微鏡（25幀/秒），實現(xiàn)了皮質(zhì)微血管網(wǎng)絡(luò)的三維圖（約500μm深，7μm血管直徑）和血流速度的實時測量。SWIR成像系統(tǒng)在豬身上的空間分辨率和對比分辨率都優(yōu)于NIR-I臨床級手術(shù)顯微鏡。表明SWIR光學(xué)成像技術(shù)在神經(jīng)外科和腦血管成像應(yīng)用領(lǐng)域的臨床應(yīng)用取得了快速進展。

 

 

4.2 腦血管病理成像
 

除腦部脈管系統(tǒng)的解剖可視化和定量血流圖分析之外，NIR成像還可評估腦腫瘤或腦血管損傷后的血管病理和血腦屏障破壞。如使用NIR-I探針非侵入性時域光學(xué)成像，可將光學(xué)示蹤劑濃度與其組織深度耦合，測量探針熒光壽命，即探針在返回基態(tài)之前處于激發(fā)態(tài)的時間，與探針濃度無關(guān)，但受局部組織環(huán)境（包括pH、缺氧或缺血）影響。如評估卒中小鼠模型靜脈注射的不同大小示蹤劑（Cy5.5 vs Cy5.5-albumine）的生物分布、熒光濃度和熒光壽命、評估缺血期間和之后時空上血腦屏障的滲透性變化，以及檢測具有潛在代謝擾動或水腫的區(qū)域的周圍（半暗帶）。

CNS疾病實驗?zāi)Ｐ椭蠸WIR成像已被用于透過完整的小鼠大腦檢測血液循環(huán)異常。如在手術(shù)誘導(dǎo)的大腦中動脈閉塞（MCAO）卒中模型中，SWCNT作熒光示蹤劑，檢測到與對側(cè)相比，受MCAO影響的半球血液灌注顯著減少（80%）。此外在膿毒癥小鼠腦靜脈血栓形成模型中，使用PBs QD100（Em:1100nm；QY = 8%）示蹤劑，量化了施用脂多糖（LPS）使血栓數(shù)量減少；通過施用肝素使血栓形成/數(shù)量減少。這些結(jié)果證明了NIR熒光成像在評價腦血管病理狀態(tài)中的價值。

 

病理學(xué)成像也可用光學(xué)成像技術(shù)實現(xiàn)，腦腫瘤表現(xiàn)出異常的脈管系統(tǒng)，這些異常表型伴隨著基因/蛋白質(zhì)表達譜的改變、獨特的血管生物標(biāo)志物的存在。靶向部分如單克隆抗體（mAbs）、單結(jié)構(gòu)域抗體（sdAbs）和肽與不同造影劑（包括NIR熒光示蹤劑）結(jié)合，可觀察體內(nèi)腫瘤選擇性抗原的表達和分布。胰島素樣生長因子結(jié)合蛋白7（IGFBP7）是膠質(zhì)母細(xì)胞瘤血管生物標(biāo)志物中表達最豐富的之一，由腫瘤內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生并分泌到基底膜中，與膠原蛋白和層粘連蛋白等細(xì)胞外基質(zhì)蛋白相互作用。IGFBP7參與腫瘤血管的血管生成和周細(xì)胞募集，其表達與高級別膠質(zhì)瘤和不良預(yù)后相關(guān)。由抗IGFBP7 sdAb連接到腫瘤血管成像造影劑組成的靶向分子成像探針，可有助于腦腫瘤診斷和臨床管理，包括高級別膠質(zhì)瘤的識別。靶向IGFBP7的sdAb，用NIR-I Cy5.5熒光團標(biāo)記，能夠在小鼠膠質(zhì)母細(xì)胞瘤原位模型中對腫瘤脈管系統(tǒng)和未受影響的腦區(qū)進行分子鑒定和密度評估�；�于上述發(fā)現(xiàn)開發(fā)出的靶向雙峰光學(xué)MRI造影劑，抗IGFBP7 sdAbs和Cy5.5被生物結(jié)合到釓?fù)繉又�質(zhì)顆粒的表面，在異種移植膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中，與非靶向納米粒子相比，MRI成像對比度增強和熒光信號顯著增加，突出了多模式成像探針的潛在臨床用途。

 

花青染料具有高親脂性，未結(jié)合的Cy5.5或Cy7染料可與腫瘤非特異性結(jié)合。因此，開發(fā)了新一代NIR-Ⅰ型染料，其理化性質(zhì)更優(yōu)秀，包括水溶性、分散性和約800 nm波段的紅移峰。如IRDye 800CW（Ex/Em: 774/ 805 nm）比Cy5.5具有更深的組織穿透性和更高的信號-背景比。IRDye 800CW與RGD序列（精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸）結(jié)合，識別整聯(lián)蛋白，即在腫瘤血管系統(tǒng)和腫瘤細(xì)胞中高度表達的細(xì)胞表面受體，成功地鑒定了同基因和異種原位膠質(zhì)母細(xì)胞瘤腫瘤中的腫瘤和腫瘤邊緣。目前，有14項臨床試驗使用NIR-Ⅰ熒光造影劑（ICG和IRDye800CW）對腦部病變進行成像（Table 1）。

 

 

4.3 腦部病變成像
 

血腦屏障的存在限制了大多數(shù)成像劑的腦部輸送。血腦屏障由特殊的無穿孔內(nèi)皮細(xì)胞組成，這些細(xì)胞具有外排轉(zhuǎn)運蛋白，可防止不需要的血液成分進入CNS。雖然在維持大腦穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮著非常重要的保護作用，但它也是靶向成像探針穿透深部腦組織的主要障礙。為此，利用位于大腦內(nèi)皮細(xì)胞腔表面的受體/轉(zhuǎn)運體幫助成像劑進入，這些受體/轉(zhuǎn)運體在配體結(jié)合時，通過復(fù)雜的囊泡分選途徑內(nèi)化并到達腔外，這一過程被稱為受體介導(dǎo)的胞吐（RMT），已被用來開發(fā)靶向部分（肽、單克隆抗體和sdAbs）。RMT受體包括轉(zhuǎn)鐵蛋白受體（TfR）、胰島素受體（IR）、低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白-1（LRP-1）和TMEM30A。其他替代方法包括聚焦超聲在選擇性大腦區(qū)域產(chǎn)生暫時性和可逆的BBB機械開口，或使用巨噬細(xì)胞仿生支架增強血腦屏障和腫瘤的穿透。在某些情況下NIR熒光探針可以自然穿過血腦屏障，或者進行化學(xué)修飾以增加穿透性。
 

 

4.3.1 神經(jīng)退行性疾病
 

神經(jīng)退行性疾病包括一系列以大腦神經(jīng)元結(jié)構(gòu)或功能逐漸喪失為特征的疾病，它的一個標(biāo)志是大腦中聚集了錯誤折疊的蛋白質(zhì)，具有強大的神經(jīng)毒性作用，如淀粉樣β蛋白（Aβ）和Tau蛋白的積累與AD有關(guān)，α-突觸核蛋白（αSyn）的不溶性纖維與PD有關(guān)，亨廷頓蛋白（Ht）蛋白的聚集誘導(dǎo)亨廷頓氏病。作為這些疾病的罪魁禍?zhǔn)�，錯誤折疊的蛋白質(zhì)已經(jīng)成為診斷成像和治療干預(yù)的主要目標(biāo)。

 

已經(jīng)開發(fā)了各種選擇性結(jié)合Aβ的NIR探針以成像Aβ的積累。NIAD-4是第一批用于體內(nèi)對Aβ斑塊成像的NIR探針之一。當(dāng)結(jié)合到聚集的Aβ蛋白上時，該染料顯示出紅移（吸收超過600nm）和熒光強度的強烈增強（400倍）。雖然靜脈注射后能夠穿過血腦屏障并選擇性結(jié)合Aβ，但無創(chuàng)體內(nèi)成像中發(fā)光不足。AOI-987是一種惡嗪染料，發(fā)射波長較長（Em: 670nm），高度親脂性，能夠穿過血腦屏障，是第一個允許在AD動物模型中觀察體內(nèi)Aβ斑塊的NIR探針。姜黃素類似物CRANAD-2可將發(fā)射轉(zhuǎn)到波長更長的NIR（805nm），并顯示出對Aβ聚集體的高親和力和與Aβ結(jié)合時熒光強度的顯著增強。CRANAD-2能夠穿過血腦屏障并在AD小鼠模型中檢測到Aβ斑塊，但檢測通過熒光反射進行，穿透深度和分辨率較低。通過化學(xué)改進，新熒光染料DANIRs （Em: 665 nm）實現(xiàn)了與Aβ斑塊和Aβ原纖維的高親和力結(jié)合，良好的血腦屏障透過性，以及在APPswe/ PSEN1雙轉(zhuǎn)基因小鼠中檢測Aβ的優(yōu)異能力。通過用¹⁸ F放射性標(biāo)記DANIRs開發(fā)了多模式成像探針。除了Aβ，還開發(fā)了能夠檢測τ聚集體的熒光劑，如基于硼二吡咯甲烷的NIR熒光化合物（BODIPY）。這種熒光探針可有效穿透BBB，并檢測到tau纏結(jié)。這些新的探針能夠使用光學(xué)成像來檢測/量化疾病模型中錯誤折疊蛋白質(zhì)的大腦沉積物，將有可能加速對藥物生產(chǎn)的評估，改善臨床前模型中這些毒性實體的清除/消除。
 

 

4.3.2 腦腫瘤
 

在腦腫瘤中，膠質(zhì)母細(xì)胞瘤是最惡性的，有高度血管生成和浸潤特性，最常見于成人。其在分子水平的特征是存在多種途徑突變和遺傳改變。即使非常積極地治療，包括腫瘤切除、放療和化療，膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者的中位生存期僅約為18個月。最常用于診斷膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的成像方式是MRI、CT和PET。腫瘤具有強烈的增殖表型，因此需要高水平葡萄糖攝取。這導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞質(zhì)膜上葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白（GLUTs）的上調(diào)，該特性已被用于成像，使用葡萄糖類似物18 FDG（2-fluoro-2-deoxyglucose）作蹤劑來觀察腫瘤活性的PET成像。在尋找放射性脫氧葡萄糖（DG）的替代物時，一種與2-DG共軛的NIR染料IRDye800CW 2-DG （Ex: 785 nm，Em: 810nm）在異種移植原位模型中顯示出優(yōu)異的腫瘤靶向能力。CT和MRI聚焦于腫瘤大小和精確解剖定位，而代謝成像可提供腫瘤組織功能狀態(tài)的獨特信息，代謝NIR熒光劑看評估腫瘤生物學(xué)的特征，如缺氧、壞死和血管生成，并可作為臨床前和臨床研究之間的轉(zhuǎn)化平臺。

 

通過血腦屏障和血液腫瘤屏障（BTB）進入腫瘤方面的策略包括使用包裹在膠束中的疏水熒光團（IR-780），通過高通透性和滯留效應(yīng)（EPR）機制改善其在實體腫瘤中的藥代動力學(xué)特征和積累。與正常腦組織相比，IR-780碘化物在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤腫瘤細(xì)胞線粒體中存在固有優(yōu)先積累。此外這種成像探針易于修飾，可在母體結(jié)構(gòu)中引入有效的抗腫瘤藥物，如氮芥（NM）。這種分子設(shè)計為NM提供了更高的腫瘤特異性，降低了其非特異性毒性，并為開發(fā)用于同時腫瘤靶向、診斷成像和治療的治療劑開辟了新的途徑。

 

其他達到并透過腦腫瘤的方法包括使用受體介導(dǎo)的細(xì)胞轉(zhuǎn)運（RMT）機制穿過血腦屏障，如由轉(zhuǎn)鐵蛋白包被的脂質(zhì)體組成納米制劑，可將包封的多西紫杉醇和QDs運輸?shù)侥[瘤中；通過聚焦超聲暫時打開血腦屏障以促進IR-800-稀土納米粒子綴合物的腫瘤滲透，以及裝載用于腫瘤成像和光熱治療的光敏NIR-IIb發(fā)射染料IR792的工程巨噬細(xì)胞支架，等等。
 

 

5 結(jié)論
 

包括分子影像學(xué)在內(nèi)的影像學(xué)技術(shù)的進步對提高診斷的準(zhǔn)確性和時機、理解及監(jiān)測疾病過程、降低風(fēng)險、幫助外科手術(shù)以及評價藥物療效和毒性至關(guān)重要。體內(nèi)成像已納入臨床前研究，以支持藥物發(fā)現(xiàn)和開發(fā)并降低風(fēng)險，特別是神經(jīng)系統(tǒng)疾病中。與PET/SPECT相比，光學(xué)成像可提供實時圖像及良好的分子和空間信息，而不需要電離輻射、放射化學(xué)專業(yè)知識和高度專業(yè)化的設(shè)備。對于臨床前體內(nèi)研究，從可見光到NIR-Ⅰ/SWIR成像的轉(zhuǎn)變是解決較短光學(xué)波長吸收、散射和自發(fā)熒光問題的關(guān)鍵一步，導(dǎo)致圖像分辨率和穿透深度空前提高。與此同時，材料科學(xué)、化學(xué)合成和納米技術(shù)領(lǐng)域的進展推動了NIR-Ⅰ/SWIR光譜中新有機熒光團和納米粒子的發(fā)現(xiàn)。到目前為止，這些SWIR發(fā)射體已經(jīng)能透過完整的顱骨以微米級分辨率對腦血管進行詳細(xì)可視化，監(jiān)測創(chuàng)傷性損傷后血腦屏障通透性的動態(tài)變化，評估與腫瘤生長和血管生成相關(guān)的代謝變化，量化AD轉(zhuǎn)基因模型中的淀粉樣斑塊，以及監(jiān)測腫瘤特異性抗原。以上例子說明了新興成像技術(shù)在加速藥物發(fā)現(xiàn)和開發(fā)方面的潛力。雖然仍處于起步階段，但SWIR成像領(lǐng)域正在快速發(fā)展。開發(fā)生物相容性好、亮度更高、符合安全性和藥理學(xué)要求的SWIR發(fā)射體仍然是SWIR成像未來臨床轉(zhuǎn)化和應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)。
 

 

參考文獻：Moreno, M.J., B.Ling, and D.B.Stanimirovic."In vivo near-infrared fluorescent optical imaging for CNS drug discovery." Expert Opinion on Drug Discovery 120(2020):1-13.