基于PET/NIRF的双模态成像探针：进展、趋势与应用展望
本文作者为李向鹏（Xiang-Peng Li，哈尔滨医科大学肿瘤医院PET-CT/MRI科、国家卫生健康委分子探针与靶向诊疗重点实验室）、吴炯城（Jiong-Cheng Wu，哈尔滨医科大学肿瘤医院PET-CT/MRI科、国家卫生健康委分子探针与靶向诊疗重点实验室）、赵昌浩（Chang-Hao Zhao，哈尔滨医科大学肿瘤医院PET-CT/MRI科、国家卫生健康委分子探针与靶向诊疗重点实验室）、杨会可（Hui-Ke Yang，哈尔滨医科大学解剖学教研室）、张高（Gao Zhang，香港大学牙医学院）、何良灿（Liang-Can He，哈尔滨工业大学医学与健康学院、微系统与微结构制造教育部重点实验室、哈尔滨工业大学郑州研究院）、李博昭（Bo-Zhao Li，内蒙古大学生物医学研究院）、徐万海（Wanhai Xu，哈尔滨医科大学肿瘤医院PET-CT/MRI科、国家卫生健康委分子探针与靶向诊疗重点实验室）及侯达永（Da-Yong Hou，哈尔滨医科大学肿瘤医院PET-CT/MRI科、国家卫生健康委分子探针与靶向诊疗重点实验室）。该综述论文于2026年1月发表于国际期刊 *Trends in Analytical Chemistry*（第197卷，文章号118706）。
论文主题与核心要点
本文旨在全面综述以正电子发射断层扫描（Positron Emission Tomography， PET）和/或近红外荧光（Near-Infrared Fluorescence， NIRF，特别是NIR-II窗口）为核心构建的双模态成像探针的设计策略、最新进展及其在肿瘤诊断与治疗监测中的生物医学应用。文章强调了双模态成像通过整合两种互补成像技术的优势，能够克服单一模态成像的局限性，从而为精准临床诊疗提供更强大的工具。文章系统梳理了探针从分子到纳米尺度的化学构建方法、协同成像机制以及体内代谢特性，并分析了其临床转化面临的挑战与未来发展方向。
核心要点一：多模态成像融合是精准肿瘤诊疗的必然趋势，PET与NIRF优势互补
文章开篇即指出，临床对精确诊断和治疗监测的需求推动了分子成像技术的蓬勃发展。然而，计算机断层扫描（CT）、磁共振成像（MRI）、超声、核医学成像（PET/SPECT）、光学成像（包括内窥镜、光学相干断层扫描OCT、近红外成像）等单一模态技术提供的信息仍有限。双模态成像通过结合两种互补技术，能够提供更准确的诊断和研究工具。本文重点聚焦PET和NIRF（特别是NIR-II区）的结合。 * NIRF的优势与局限：NIRF，尤其是NIR-II窗口（1000-1700 nm），具有深层组织穿透、微米级空间分辨率、毫秒级时间分辨率、无电离辐射、高信噪比、成本相对较低以及自荧光干扰低等显著优势，已成为现代成像研究热点，尤其适用于术中实时导航和微小病灶检测。但其局限在于组织穿透深度最终受限于光散射，信号容易受到组织自身背景荧光干扰，并且难以提供三维解剖信息。 * PET的优势与局限：PET是一种高灵敏度的功能分子成像技术，能够基于机体代谢特性提供病灶特异性信息，在早期病变检测和提供三维异常表现信息方面优势显著。PET/CT已成为肿瘤分期、再分期和治疗反应评估的金标准。然而，PET也存在局限性，包括患者暴露于电离辐射、软组织对比度有限、时空分辨率相对较低，且缺乏实时成像能力。 * 互补性整合：因此，设计将PET与NIRF（或其他如MRI、CT、光声成像等）相结合的双模态探针至关重要。例如，PET可进行术前全身高灵敏度功能定位和定量，而NIRF则可实现术中实时、高分辨率的病灶边界可视化，两者结合形成了“术前定位规划-术中实时导航-术后疗效评估” 的完整诊疗闭环。这种整合能够克服各自的短板，满足未满足的临床需求，如提高肿瘤切除完整率、降低辐射剂量、实现诊疗一体化等。
核心要点二：以NIRF为核心的双模态探针设计策略多样，应用场景广泛
文章第二大部分系统回顾了以NIRF为核心，分别与MRI、光声成像（Photoacoustic Imaging， PAI）、CT结合的双模态探针。 * NIRF/MRI双模态探针：此类探针将NIRF的高灵敏度、实时追踪能力与MRI优异的软组织对比度和深层穿透能力相结合。设计策略主要包括： 1. 偶联靶向分子：将MRI造影剂（如钆Gd³⁺螯合物）通过连接体与靶向肿瘤细胞表面受体的特异性NIR荧光探针（如吲哚菁绿ICG）偶联。例如，Ji等人设计的ICG-Gd-DEN@DC-G16-11探针，可穿透血脑屏障靶向脑胶质瘤，实现术前MRI诊断和术中荧光导航。 2. 基于功能蛋白构建：利用红色荧光蛋白（RFP）等生物相容性好的荧光报告基因与可螯合Gd³⁺的镧系元素结合标签（LBT）连接，构建高生物安全性的探针。 3. 肿瘤微环境激活型探针：设计“智能”探针，使其在到达肿瘤微环境（如高表达碱性磷酸酶ALP、硝基还原酶NTR的缺氧区域）后被特异性激活，实现信号的“关-开”切换或原位自组装放大。例如，Ye等人设计的P-CYFF-GD探针可在ALP作用下原位自组装，同时放大荧光和MRI信号，用于肝癌模型的成像导航。Zhou等人设计的FCY7-NO₂探针能响应肿瘤缺氧微环境中的NTR，实现NIR和化学交换饱和转移（CEST）MRI双重信号放大成像。 * NIRF/PA双模态探针：PAI结合了光学成像的高对比度和超声成像的深层穿透力。NIRF/PA探针可实现功能互补：PAI提供深层结构和功能信息（如血氧饱和度），NIRF提供高灵敏度分子信息和实时成像能力。设计材料涵盖广泛： 1. 小分子染料：通过合理的分子设计（如D-π-A结构），合成同时具备NIR-II荧光发射和强光吸收（用于PAI）特性的分子。例如，Peng等人设计的CYQN-BTT探针，可用于肿瘤的NIR-II荧光/光声双模态成像并指导光动力/光热治疗。 2. 有机纳米材料：包括具有聚集诱导发光（Aggregation-Induced Emission， AIE）特性的材料。AIE发光团（AIEgen）在聚集态下发光增强，非常适合构建高亮度、高稳定性的纳米探针。例如，Sun等人基于AIEgen构建的ZSY-TPE探针，以及Liu等人设计的AIE@R837 NPs，均实现了NIR-II/PA成像引导的肿瘤联合治疗。 3. 纳米聚合物与杂化纳米材料：利用半导体聚合物纳米颗粒（SPN）、金属有机框架（MOF）、无机-聚合物杂化体系等，可编程地整合多种功能，实现多刺激响应和优异的生物相容性。例如，Cheng等人设计的以掺杂镧系元素纳米晶体（DCNP）为NIR-II荧光核心、聚多巴胺（PDA）为PAI壳层的探针，即使在胃肠道等恶劣环境中也能提供高质量的成像。 * NIRF/CT双模态探针：CT提供高分辨率的三维解剖结构和深度信息，而NIRF提供实时的分子功能信息和边界描绘。设计此类探针常利用临床已知的造影剂： 1. 基于碘的造影剂：将含碘CT造影剂（如2,3,5-三碘苯甲酸TIBA）与NIR荧光染料（如Cy5.5）共同装载或连接于靶向载体（如透明质酸HA）上，形成自组装纳米结构，实现成像与药物递送（如阿霉素DOX）的结合。 2. 基于高原子序数金属的造影剂：利用金（Au）、铂（Pt）、钽（Ta）、铋（Bi）等金属纳米颗粒，其X射线衰减系数远高于碘，可在低剂量下获得高对比度CT图像。这些金属纳米颗粒常同时具备光热转换能力，可用于构建诊疗一体化平台。例如，Lie等人设计的WLPD-Au25平台结合了WS₂的光热性能、金纳米颗粒的CT造影能力及靶向功能，实现了成像引导下的核靶向治疗。
核心要点三：以PET为核心的双模态探针拓展了分子成像的深度与广度
第三部分聚焦于以PET为核心，分别与MRI、PAI、切伦科夫发光成像（Cerenkov Luminescence Imaging， CLI）及拉曼成像（Raman Imaging）结合的双模态探针。 * PET/MRI双模态探针：这是真正的“一站式”分子-结构-功能融合平台。PET提供飞摩尔级分子灵敏度，MRI提供亚毫米级软组织分辨率和多参数功能信息（扩散、灌注、波谱），且辐射剂量显著低于PET/CT。构建策略包括在同一个靶向载体（如纳米颗粒、抗体）上同时耦联PET核素（如⁶⁸Ga， ⁶⁴Cu）和MRI造影元素（如Gd³⁺， Mn²⁺， 超顺磁性氧化铁SPIO）。例如，Xia团队开发的FAPI-PEG-MNs探针，整合了⁶⁴Cu-PET、Mn²⁺-MRI和近红外吸收/光热治疗功能，用于胶质母细胞瘤的多模态诊疗。 * PET/PA双模态探针：PET提供全身定量的药代动力学和剂量学信息，而PAI能够实时、高分辨率地读取肿瘤微环境的局部功能信息（如氧合状态、光热转换效率）。这种结合可用于精确校准治疗剂量。设计上，可将PET核素标记在具有强光吸收的纳米材料（如基于钼的多金属氧酸盐、金纳米棒、还原氧化石墨烯）上。例如，Ye团队构建的酶触发大环自组装纳米探针[¹⁸F]-IR780-1，可用PET高灵敏度定位全身凋亡灶，用PAI高分辨率勾勒肿瘤边界，用于化疗后早期疗效评估。 * PET与其他模态的结合： 1. PET/CLI：CLI直接利用PET核素产生的切伦科夫辐射进行光学成像，无需外源性激发光源，成本低、操作简便。PET提供准确的体内分布和剂量信息，CLI则用于术中小动物水平或术中的快速验证和导航。两者共享核素，简化标记流程。 2. PET/拉曼成像：拉曼成像能提供无标记的分子“指纹”化学信息，但信号弱、穿透浅。PET可首先全身锁定肿瘤，进而引导拉曼进行分子指纹确认和边界精修，突破拉曼的深度限制，填补PET的化学信息盲区。例如，Xiao团队构建的PET/拉曼双模态探针，实现了术前PET全身定位、术中拉曼高灵敏度边界描绘（可检测微米级转移灶）及图像引导下的光热手术。
核心要点四：PET/NIRF双模态探针是实现诊疗一体化的关键工具，设计策略涵盖分子至纳米尺度
第四部分是文章的核心，详细阐述了将PET与NIRF整合在同一探针平台上的多种设计策略及其在肿瘤切除手术引导和疗效监测中的具体应用。 * 设计策略总览：通常通过将发射正电子的放射性核素（如¹⁸F， ⁶⁸Ga， ⁶⁴Cu）和近红外荧光团（如Cy5.5， ICG， IRDye800CW）共同连接到一个通用平台上实现。该平台可以是小分子、肽、抗体、抗体片段（如纳米抗体）、适配体或各类纳米材料（无机、有机、杂化）。 * 引导肿瘤切除手术： 1. 小分子靶向探针：将靶向基团（如PSMA抑制剂、叶酸FA）、PET螯合剂（DOTA/NOTA）和NIR染料直接化学合成。例如，Li团队开发的⁶⁸Ga-P3探针，用于前列腺癌的术前PET/CT分期和术中实时荧光导航，切除阳性边界预测准确率高。Hong团队利用点击化学一步法合成了靶向整合素αvβ₃的小分子探针⁶⁸Ga-CHS2，实现了PET全身定位和NIR-II术中可视化。 2. 抗体/抗体片段靶向探针：利用抗体或通过噬菌体展示等技术筛选出的高亲和力纳米抗体（Nanobody）作为靶向核心，进行双标记。例如，Zhu团队针对Claudin 18.2靶点，分别构建了¹²⁴I-5C9（PET）和FD1080-5C9（NIR-II）探针，用于胃癌的术前定位和术中导航。Zeglis团队采用预靶向策略，先注射携带荧光团的抗体-反式环辛烯（TCO）偶联物，再注射短半衰期⁶⁴Cu标记的四嗪（Tz）配体，两者在肿瘤部位发生快速生物正交反应，显著降低了辐射剂量并缩短了PET与手术的间隔时间。 3. 肽靶向探针：利用小分子量、穿透快、免疫原性低的肽作为靶向核心。例如，Cheng等人设计的靶向HER2的肽探针[⁶⁸Ga]DOTA-ZC02-ICG。Warram团队设计了由基质金属蛋白酶-14（MMP-14）底物肽和高亲和力结合肽融合而成的可激活型探针，仅在MMP-14高表达的胶质瘤中释放强荧光，同时实现PET精确定位。 4. 无机/有机纳米平台：利用介孔二氧化硅纳米颗粒（MSN）、量子点（QD）、脂质体、聚合物胶束等作为载体，同时负载或表面耦联PET核素和NIR染料。这些平台通常具有长循环、高负载、易功能化、以及潜在的治疗功能（如光热、载药）。例如，Cai团队构建的⁶⁴Cu-MSN-800CW-TRC105(Fab)探针、Ohta团队开发的⁶⁴Cu-DOTA-InP/ZnSe/ZnS量子点探针、以及Reiner团队报道的⁸⁹Zr标记的脂质体探针，均在动物模型中展示了优异的PET/NIRF双模态成像性能。 * 诊断与治疗疗效监测：许多PET/NIRF双模态探针被进一步设计为诊疗一体化（Theranostic）平台，即同一探针兼具诊断、导航和治疗功能。 1. 集成光热治疗（PTT）：将具有光热转换能力的NIR染料（如IR808、吡咯衍生物Pyro、AIE分子）与PET核素标记结合。例如，Shi团队构建的⁶⁴Cu-Pyro-3PRGD2探针和He团队开发的⁶⁸Ga-DOTA-IR808探针，均实现了PET术前定位、NIRF术中导航以及激光照射下的肿瘤光热消融。 2. 集成放疗增敏或药物递送：探针本身可作为放射增敏剂，或负载化疗药物，在成像引导下实施协同治疗。
核心要点五：领域面临挑战与未来发展方向明确，跨学科合作是推动临床转化的关键
文章在结论部分肯定了近年来PET/NIR-II双模态探针从体外验证到体内、临床前乃至早期临床验证所取得的快速进展。通过将各种NIR-II发光单元与不同正电子核素共价或自组装整合，研究者已实现了术前PET全身分期与术中NIR-II实时导航的闭环流程。大量研究表明，此类探针在肿瘤边界识别、微转移检测和前哨淋巴结定位方面的准确性显著优于单模态方法。 然而，其临床转化仍面临多重瓶颈： 1. 靶向异质性：需要开发亲和力更高、免疫原性更低、对实体瘤穿透性更强的靶向模块。 2. 药代动力学不平衡：需解决两种模态信号在体内动力学不匹配的问题，例如通过开发可激活或级联放大的NIR-II探针，结合超短半衰期核素，实现低剂量、高对比度成像。 3. 信号解耦与融合：需要发展深度学习与多模态融合算法，实现PET、NIR-II与CT/MRI等多源图像的实时配准与定量分析。 4. 生产工艺与质量控制：涉及放射性核素的GMP级标记、NIR光热毒性评估、大规模生产的质量控制和标准化流程建立。
未来发展方向包括： 1. 靶向升级：利用高通量筛选技术开发新型高亲和力靶向模块。 2. 信号放大与智能响应：发展可激活、级联放大的“智能”探针。 3. 诊疗深度整合：将光热、光动力、放疗增敏或载药功能更深度地整合到同一框架中，完成诊断-手术-同步治疗的全链条。 4. 算法与系统集成：推进多模态图像融合与实时导航系统开发。 5. 推进临床转化：建立标准化流程，推动更多基于PET/NIR-II双模态探针的早期临床试验。
论文的意义与价值
本综述论文具有重要的学术价值和指导意义。它系统性地梳理和归纳了PET/NIRF双模态成像探针这一前沿交叉领域的知识体系，从成像原理、探针设计化学、构建策略、应用实例到挑战展望，为相关领域的研究人员（包括化学、材料科学、生物医学工程、核医学、肿瘤外科等）提供了一份全面的“路线图”和丰富的参考文献库。文章不仅总结了现有成就，更重要的是清晰指出了领域发展的关键瓶颈和未来突破口，强调了跨学科合作在推动这类复杂探针从实验室走向临床过程中的核心作用。通过这篇综述，读者能够深刻理解双模态成像探针在推动肿瘤精准诊疗范式变革中的巨大潜力，并为自己的研究寻找创新思路和合作方向。最终，作者展望通过逐步突破上述瓶颈，PET/NIR-II双模态探针有望成为继¹⁸F-FDG PET/CT之后，在胃癌、前列腺癌、乳腺癌等多种实体瘤精准诊疗中的新一代分子成像范式。