用于体内成像的可激活多模态探针

两种或两种以上成像模态相结合的多模态成像,能够结合不同成像方法的优势,并对它们的缺陷进行补充,从而提供疾病部位高空间分辨率的解剖信息以及分子水平和时间分辨尺度上高灵敏度的生物学信息。   多模态成像随多模态探针发展，特别是可激活的多模态成像探针，在与分子靶点相互作用时可产生不同成像模式信号。构建信号激活型分子影像探针应用于活体上无损、精确检测疾病标志物对疾病的早期诊断和疗效实时评价具有重要意义    

图1 已报道的可激活的多模态探针的三种信号反应模式示意图

2022年10月27日，南京大学化学化工学院叶德举教授课题组在Angew Chem Int Ed Engl期刊发表了题为“Activatable Multimodal Probes for In Vivo Imaging and Theranostics”的文章。叶德举教授课题组从事的研究方向主要是面向疾病标志物开展多模态分子影像探针设计、活性检测以及细胞和动物活体成像研究。本综述总结了用于体内成像和癌症治疗的可激活多模态探针的最新进展，重点介绍了它们的设计原理、信号激活机制和生物医学应用。同时还简要讨论了可激活多模态探针目前面临的挑战和未来发展的前景。

DOI:10.1002/anie.202209512

缩写: 荧光成像（fluorescence imaging, FI），磁共振成像（magnetic resonance imaging. MRI），单光子发射计算机断层扫描（single photon emission computed tomography, SPECT），正电子发射断层扫描（positron emission tomography, PET），超声波成像（ultrasound imaging, USI），计算机断层扫描（computed tomography, CT），光声成像（photoacoustic imaging, PAI）。

01   用于体内成像的可激活的多模态探针

1.1. 可激活的多模态探针 - 一种模态成像信号激活

设计可激活的多模态成像探针的一个简单方法是将一种显示“off-on”成像信号的成像模态与同一分子结构或纳米结构中显示一个或多个“always-on”成像信号的其他成像模态合理地结合起来。在这种情况下，探针中只有一种模式的成像信号可以对感兴趣的分子目标做出反应而开启，而探针中的其他模式的成像信号则对目标无响应，并显示始终开启的成像信号。由于“off-on”和“always-on”成像信号属于不同的成像模式，能够避免相互干扰，“always-on”成像信号可用于跟踪探针在体内的传递和分布，而“off-on”成像信号可用于检测分子目标。因此，这种可激活的多模态探针只有一种模态成像信号被激活，而其他模态成像信号始终处于“always-on”状态，便于对各种分子目标进行体内成像。

2009年，Achilefu和同事报道了一种近红外荧光成像（NIRF）/PET双模探针，64Cu- LS498，它由近红外荧光染料LS-276、近红外荧光淬灭剂IRdye QC-1、放射性64Cuchelated tetraazacyclodanetetraacetic acid (DOTA)螯合物和含有caspase-3可裂解底物DEVD的肽连接体组成（图2a）。作者应用64Cu-LS498对活体小鼠的外源性caspase-3活性进行了NIRF/PET双模成像。研究发现，与含有64Cu-LS498和牛血清白蛋白（BSA）的皮下植入管的NIRF信号相比，64Cu-LS498和caspase-3的皮下植入管明显增强，但它们之间的PET信号也同样强烈（图2c）。然而，作者没有应用64Cu- LS498对体内的内源性caspase-3活性进行成像，而且64Cu-LS498通过全身给药在体内的表现也不清楚。

图2 caspase-3可激活的NIRF/PET双模探针64Cu-LS498

为了实现体内caspase-3活性的多模态成像，Ye教授等人最近设计了一种近红外荧光基团，即三唑-IR780，作为控制原位自组装的大环化支架，这对设计caspase-3可激活的PA/PET双模态成像探针[18F]-IR780-1是有利的（图3a）。[18F]-IR780-1是一种亲水的无环化合物，在855 nm处显示出强的PET信号和弱的PA信号。当与凋亡肿瘤细胞中的caspase-3和GSH相互作用时，[18F]-IR780-1中的DEVD肽和二硫键可以被裂解，产生未被包埋的D-Cys残基，它可以与CHQ发生快速的分子内缩合反应，形成大环状产物[18F]-IR780-MC。[18F]-IR780-MC作为一个刚性和疏水的大环，可以促进分子间的相互作用（如疏水作用和π-π堆积），并容易自组装成含有放射性[18F]和NIR三唑-IR780的纳米颗粒[18F]-IR780-NPs。将[18F]-IR780-1及其探针IR780-1共同静脉注射到HeLa肿瘤小鼠体内后，用多柔比星（DOX）处理的肿瘤的放射性摄取量达到2.56%ID/mL，远远高于生理盐水处理的肿瘤（1.18%ID/mL）（图3b和c）。PA成像结果显示，DOX处理的肿瘤在1小时内的PA强度增强比生理盐水处理的肿瘤高2.4倍，在8小时内进一步增加到21.7倍（图3d和e）。

图3.[18F]-IR780-1与caspase-3用于PA和PET成像

1.2. 可激活多模态探针-多模态成像信号激活

与上述只能开启一种模式成像信号的可激活多模态探针不同，最近还报道了能够针对感兴趣的分子目标同时开启两种或多种模式成像信号的多模态探针。由于探针中的多模态成像信号可以同时被激活，这种可激活的多模态探针可以提供互补的成像信号，结合灵敏度和空间分辨率，提高体内成像的准确性。

例如，Pu教授等人报告了一种可激活的过氧亚硝酸盐（ONOO-）近红外/PA双模探针（CySO3CF3），其方法是将水溶性近红外半氰基染料与三氟甲基酮进行笼络（图4 a）。CySO3CF3显示出对ONOO-的高灵敏度（检测限低至53 nM），它被成功地应用于通过近红外和PA双模成像监测皮下4T1肿瘤的ONOO-。在静脉注射CySO3CF3后3小时，4T1肿瘤中的近红外荧光和PA强度分别增加了5.3和2.1倍。此外，作者证明，从肿瘤区域提取的体内PA光谱图与水溶液中的CySO3CF3相似，证实增强的NIRF和PA双峰成像信号是由4T1肿瘤中的ONOO-激活CySO3CF3产生的（图4 b-d）。

图4. CySO3CF3与ONOO-相互作用后激活NIRF信号和PA信号

2021年，Ohe教授等人通过设计改性近红外花菁染料的π共轭系统，报道了一种pH激活的NIRF/PA双模探针（CypHRGD）。在类似吲哚菁绿（ICG）的支架上，他们在一个苯并吲哚氮的侧链上引入一个亲核的巯基，并在第二个苯并吲哚氮的另一个侧链上引入一个水溶性的磺酸基（图5 a）。此外，还进一步引入了一个与cRGD肽相连的大体积的的苯基，以提高生物相容性，同时减弱活化的CypHRGD在生物学上的聚集。在中性条件下，CypHRGD的环状结构占主导地位，ICG的长π共轭被阻断，在近红外区域显示出弱的吸收和荧光发射，PA信号也很弱。由于环闭形式的表观pKa为4.9，CypHRGD中的硫基可以在酸性的肿瘤微环境中被质子化，将分子转移到π共轭恢复后的环开形式。因此，近红外吸收得以恢复，这大大增强了近红外荧光和PA信号。因此，pH控制的开环/闭环过程可以对近红外荧光和PA成像信号提供快速和选择性的“off-on”，使其能够在活体小鼠中有力地检测肿瘤异物（图5 b）。

图5. CypHRGD的化学结构和在酸性pH下激活NIRF和PA信号

1.3. 可激活多模态探针-多成像模态信号逆向切换

第三种可激活的多模态成像探针被设计为产生一种模态的成像信号，但其他成像模态信号在与生物目标相互作用时被补偿性地关闭。不同模式成像信号的反向切换可以让研究人员相互验证成像结果，这对克服体内使用可激活探针的单一模式成像的假阳性结果有益的。

例如，Ye教授等人报道了一种刺激反应性的拆分策略，该策略被用来开发一种GSH可激活的FL/19F-MRS/1HMRI三模态探针3，用于肿瘤和肝脏组织中GSH的体内/外成像（图6 a）。使用相同的分子支架，作者进一步开发了肝脏靶向和GSH反应性的三模式纳米探针（GdNPs-Gal），通过将肝脏靶向的小分子探针（1-Gal）和GSH反应性的基于GdIII的小分子MRI探针（1-Gd）以最佳分子比（1-Gd/1-Gal ≈ 5：1）进行分子共组装（图6 b）。体内研究表明，与健康小鼠相比，GdNPs-Gal在静脉注射后4小时能在小鼠的炎症性肝脏产生更明亮的MRI对比（图6 c，d）。对切除的肝脏组织切片进行体内荧光成像和对肝脏组织匀浆进行19FMRS分析显示，相对于未处理的健康小鼠，LPS处理的炎症小鼠的两种信号都要弱得多，这证实了GSH在操纵三模态信号中的关键作用（图6 e，f）。

图6. 3在还原环境中的转化，导致荧光信号增强，19F-MRS信号和r1弛豫率降低。

02   用于诊疗的可激活的多模态探针  

在过去的几十年里，由于能够同时实现多模态成像、治疗甚至疗效监测，将多模态成像和多功能治疗方法结合起来开发多模态治疗探针的做法备受关注。因此，许多可激活的多模态治疗探针已经被开发出来，用于通过多模态成像引导肿瘤治疗提高抗肿瘤效果。2018年，Pu教授等人采用近红外半胱氨酸染料（CyOH）开发了一种β-半乳糖苷酶（β-gal）可激活的NIRF/PA双模治疗探针（CyGal-P），用于可激活的双模成像指导下的肿瘤光热治疗（PTT）。CyGal-P最初显示出微弱的FL和PA双峰信号，因为CyOH荧光团中的ICT过程被笼子组阻断，它也显示出微弱的光热特性。在有β-gal的情况下，CyGal-P中的β-半乳糖基团被去除，产生了未包被的产物CyOH-P，它显示出明显增强的近红外、PA和光热信号（图7a）。作者还发现，在CyGal-P中引入PEG链，不仅可以提高水溶性，还可以提高被β-gal去笼后的光热稳定性。体内研究表明，CyGal-P可以有效地传递到肿瘤，并在给药后被肿瘤细胞中过量表达的β-gal激活，同时开启NIRF/PA双模成像信号，增强PTT效应，有效检测和治疗肿瘤（图7b-e）。

图7. CyGal-P和与β-半乳糖苷酶（βGal）作用后的化学转换。

2020年，Ye教授等人采用氧化还原触发的拆分策略，开发了肿瘤靶向、氧化还原反应性光敏剂纳米组件（NP-RGD），用于NIRF/MR双模成像引导的肿瘤PDT。NP-RGD是由一个可清除GSH的小分子化合物的分子自组装形成的，它由一个cRGD配体、一个DOTA Gd螯合物、一个光敏剂（pheophorbide a，PPa）、一个oxyluciferin连接体和一个二硫键组成（图8 a）。NP-RGD显示出非近红外FL，低1O2生成能力和高r1松弛性（20.0 ± 1.7 mM-1s-1）。在被GSH还原后，NP-RGD发生了分解，导致荧光和顺磁性的氨基荧光素分子的释放，以及能够进一步与内源性白蛋白结合的疏水PPa。这个过程可以在677 nm处开启近红外荧光，并恢复PPa的1O2生成能力，以进行肿瘤PDT。通过具有高灵敏度和空间分辨率的NIRF/MR双模成像，可以实时监测NP-RGD向皮下U87MG肿瘤的输送和PPa的瘤内释放，指导精确的PDT消融U87MG肿瘤而无明显的副作用（图8 b-d）。

图8 所提出的1-RGD自组装形成纳米探针NP-RGD的示意图，以及细胞内GSH和白蛋白对增强FL和PDT的级联激活。

总结与展望

多模态成像结合了不同成像方式的优势，能够提供具有高灵敏度和空间分辨率的综合成像信号，以检测体内的生物目标和过程，这在基础生物医学研究和临床诊断中显示出巨大的前景。

在这篇综述中，作者总结了用于体内成像和癌症诊疗的可激活多模态探针的最新进展，重点讨论了不同可激活探针的一般设计原则。为简单起见，我们根据切换多模态成像信号的不同方法，将可激活的多模态成像探针分为三大类型，其中包括。(1）只激活一种模式的成像信号；（2）多种模式的成像信号同时激活；（3）多种模式的成像信号反向切换。还详细讨论了不同成像模式的合理整合，以实现高灵敏度、高空间分辨率和/或高穿透深度的优势互补，用于不同分子目标的体内成像。

由于某些成像方式（如PET和MRI）之间的灵敏度存在很大差异，未来需要着重开发可激活的多模态成像探针，以平衡体内成像所需的探针浓度。此外，由于探针浓度在高度动态的体内环境中被动态改变，可激活的多模态探针（1）提供关于探针在目标组织中的摄取、积累和激活的信息和/或（2）将不同的成像信号关联起来以实现对生物目标的定量测量，这在未来将是非常需要的。最后，转化为临床成像需要可激活的多模态探针的低全身毒性和免疫原性。应该更多地关注这些探针的生物相容性研究，这将需要探针设计的创新。可以预见，随着SPECT/CT、PET/CT、PET/MRI和多光谱光声断层扫描（MSOT）等混合成像系统的快速发展和广泛应用，可激活的多模态探针将成为促进在完整的生物系统或人体中检测和研究生物分子的有力工具。

参考文献： [1] Wang Y, Hu Y, Ye D. Activatable Multimodal Probes for In Vivo Imaging and Theranostics. Angew Chem Int Ed Engl. 2022 Dec 12;61(50):e202209512. doi: 10.1002/anie.202209512. Epub 2022 Oct 27. PMID: 36151870 [2] Zhen X, Zhang J, Huang J, Xie C, Miao Q, Pu K. Macrotheranostic Probe with Disease-Activated Near-Infrared Fluorescence, Photoacoustic, and Photothermal Signals for Imaging-Guided Therapy. Angew Chem Int Ed Engl. 2018 Jun 25;57(26):7804-7808. doi: 10.1002/anie.201803321. Epub 2018 May 23. PMID: 29665259. 

作者：阿卜 编辑人：Transparent 转自：医药速览 2022-12-23 推文用于传递知识，如因版权等有疑问，请于本文刊发30日内联系医药速览。 原创内容未经授权，禁止转载至其他平台。 

©2021 医药速览 保留所有权利