本文是一篇发表在《有机化学》(Chinese Journal of Organic Chemistry)上的学术综述文章，标题为“近红外荧光手术导航探针的研究进展”。第一作者为张文艳，通讯作者为刘会玲。作者单位包括甘肃中医药大学第一临床医学院和甘肃省人民医院。文章于2024年3月20日在线发表，并获得了甘肃省人民医院基金和国家自然科学基金的资助。
文章的核心议题是探讨用于肿瘤外科手术导航的近红外荧光(Near-Infrared Fluorescence, NIRF)成像探针的研究进展。文章指出，外科手术是超过80%癌症患者的主要治疗方式，而完全切除癌变组织对预后至关重要。然而，传统手术依赖医生的视觉和触觉，难以精确识别肿瘤边界和微小转移灶，导致术后复发率高。荧光引导手术（Fluorescence-guided surgery, FGS）作为一种新兴的术中导航手段，通过使用能区分肿瘤与正常组织的显影剂（即荧光探针），并在外部光源激发下发出荧光，为医生提供实时、精准的视觉引导。近红外荧光成像因其组织穿透能力强、背景荧光干扰低、生物损伤小、操作简便、灵敏度高等优势，在该领域展现出巨大潜力。
文章首先阐述了开发高质量近红外荧光探针的必要性。尽管吲哚菁绿（Indocyanine Green，ICG）等探针已获美国食品药品管理局（FDA）批准用于临床，但它们通常缺乏肿瘤靶向特异性，在癌组织和健康组织中均能产生荧光，导致背景信号高、信噪比差。因此，当前研究的重点在于开发具有更高特异性、灵敏度及临床转化价值的荧光探针。文章系统性地将目前的研究策略分为四大类：被动靶向型探针、主动靶向型探针、可激活型（响应型）探针以及近红外二区（NIR-II，1000-1700 nm）探针，并对每一类进行了深入阐述。
第一大类：被动靶向型荧光探针 这类探针主要依赖实体瘤组织特有的“增强的渗透性和滞留效应”（Enhanced Permeability and Retention effect，EPR效应）在肿瘤部位富集。文章指出，菁染料（如Cy系列、ICG）是常见的NIRF染料，具有结构易调、摩尔吸光系数高等优点，但也存在光稳定性差、水溶性低、易与血浆蛋白非特异性结合等问题。为此，研究人员通过多种策略对其进行改良。在分子结构层面，引入刚性桥环（如IRdye800CW）、设计电荷平衡的染料、或采用更稳定的C-O烷基键取代C-O芳基键，以提高光稳定性和量子产率，并减少非特异性结合。在纳米技术层面，利用纳米颗粒（如人血清白蛋白纳米粒、脂质体、胶束）封装疏水性染料（如IR780），可以显著提高染料的水动力稳定性、光稳定性，并利用纳米颗粒的特性实现更长的体内循环时间和更好的肿瘤被动积累。例如，将ICG封装在牛血清白蛋白纳米复合物或聚己内酯（PCL）胶束中，能有效增强其在肿瘤部位的积累和成像效果。然而，文章也指出被动靶向的局限性：EPR效应因肿瘤类型和位置而异，不稳定；且在炎症等病理状态下，血管通透性也会增加，导致探针在肿瘤与炎症组织间的区分度有限。
第二大类：主动靶向型荧光探针 为了克服被动靶向的非特异性问题，主动靶向探针通过将荧光团与能够特异性识别肿瘤生物标志物的配体（如抗体、多肽、小分子）偶联，实现对癌组织的精准识别。文章详细介绍了三类偶联物。 * 抗体偶联物：抗体因其高特异性和稳定性被广泛应用。例如，将西妥昔单抗、贝伐单抗等抗体与IRDye800CW荧光团偶联，可靶向表皮生长因子受体（EGFR）、血管内皮生长因子（VEGF）等，相关探针已进入临床试验。文章强调了此类探针面临的挑战：1) 荧光团光谱与临床仪器预设光学窗口不匹配。对此，有研究通过硫原子取代IRDye800CW中位碳，开发出新型染料，使其发射峰与仪器窗口更吻合，提高了肿瘤背景比（Tumor-to-Background Ratio, TBR）。2) 抗体偶联的随机性可能影响其抗原结合能力。通过位点特异性偶联技术，如利用半胱氨酸-马来酰亚胺反应将荧光团定位于单域抗体（纳米抗体）的特定位置，可以生成更均一、性能更优的探针。3) 抗体分子量大，肿瘤组织穿透性差。使用抗体片段（如单链抗体片段、Fab片段）可以改善穿透速度和成像时效性。 * 肽偶联物：与抗体相比，多肽配体具有分子量小、肿瘤穿透能力强、成本低、免疫原性低等优点。例如，将特异性靶向肽（如RGD环肽，靶向整合素）与荧光染料（如Cy5.5）偶联，已证明在荧光引导手术中安全有效。文章重点讨论了提高肽偶联物性能的策略。针对IRDye800CW等染料的缺陷（如化学不稳定性、易自聚集、聚阴离子电荷导致非特异性结合），研究人员设计了新型染料。例如，通过引入电荷平衡和空间屏蔽结构（如在染料上连接亲水的三乙二醇链作为“屏蔽臂”），可以显著减少染料的自聚集、降低与血清蛋白的非特异性结合、并提高光稳定性。将这种优化后的染料与靶向肽（如cRGDfK）偶联，能在小鼠肿瘤模型中产生非常高的TBR。 * 小分子偶联物：以叶酸、前列腺特异性膜抗原（PSMA）配体等为代表的小分子，具有分子量更小、能快速分布到靶点的优势，可产生更高的信号背景比（Signal-to-Background Ratio, SBR）。文章详细介绍了两个成功案例：1) OTL38：由叶酸类似物通过酪氨酸连接子与近红外染料S0456偶联而成，靶向叶酸受体α（FRα）。酪氨酸连接子的使用避免了副产物形成，并增强了荧光性能。OTL38已完成多项临床试验，并于2021年获FDA批准用于卵巢癌的NIRF引导手术。2) OTL78：由高亲和力的PSMA靶向配体DUPA、聚乙二醇-二肽连接子与S0456染料构成，其中的二肽（苯丙氨酸-酪氨酸）设计旨在增强与PSMA蛋白的结合亲和力。OTL78在前列腺癌手术导航中展现出巨大潜力。
第三大类：可激活型（响应型）荧光探针 不同于始终“常亮”的探针，可激活型探针本身荧光被淬灭，只有在肿瘤微环境（Tumor Microenvironment, TME）中特定的生物标志物（如异常浓度的分子、酶或pH）触发下才会“开启”荧光，从而极大降低背景信号，提高成像对比度。文章分析了三种主要的激活机制： * 氧化还原响应：利用肿瘤细胞内高浓度的谷胱甘肽（GSH）或活性氧（ROS）。例如，设计含有二硫键的连接子，其可被GSH还原断裂，从而释放荧光团并恢复荧光。有研究将鬼臼毒素（PPT）、近红外染料半花菁（CyOH）和靶向分子生物素通过硫代乳酸连接子（对GSH和ROS双响应）连接，形成的探针能精准定位并照亮肿瘤组织，成功指导了小鼠肝癌模型的肿瘤切除。 * 酶响应：利用肿瘤中过度表达的特定酶（如γ-谷氨酰转肽酶GGT、β-半乳糖苷酶β-gal、组织蛋白酶、硝基还原酶NTR）来激活探针。经典的策略是通过酶促反应切断探针上的“掩蔽”基团或连接子，从而恢复荧光。文章介绍了多种设计：例如，针对β-gal的超灵敏探针，通过酶切触发自消除反应，释放荧光染料CSoH-Cl，实现了高灵敏度、高选择性的深层肿瘤成像与手术导航。针对醛脱氢酶1A1（ALDH1A1，肿瘤干细胞标志物）的探针，则利用酶促反应将醛基氧化为羧酸根，通过离子相互作用使荧光猝灭剂与荧光团分离，从而“开启”荧光，实现了对肿瘤干细胞的检测。 * pH响应：利用肿瘤微环境偏酸性的特点（pH值通常为6.5-6.9）。通过设计在酸性条件下质子化并导致荧光增强的分子，可以实现对肿瘤的快速、广谱成像。例如，有研究通过在花菁染料中位碳引入不同亲核试剂，调节其亲脂性和表面电荷，筛选出对pH敏感（pH 7.0-4.0）的探针。该探针不仅具有pH响应性，其亲脂阳离子的特性还能通过有机阴离子转运多肽（OATPs）主动进入癌细胞，实现快速（<10分钟）且持久的肿瘤荧光标记。文章还提到，局部给药（如喷雾）策略结合pH响应探针，可以避免静脉给药的全身毒性，实现术中可疑组织的快速识别。
第四大类：近红外二区（NIR-II）荧光探针 文章简要提及，NIR-II成像（1000-1700 nm）相比NIR-I（700-900 nm）具有更深的组织穿透深度、更高的成像分辨率和更少的组织自发荧光等优势，已成为研究热点。开发适用于NIR-II区的荧光探针是推动该技术临床应用的关键方向之一。
文章的价值与意义 这篇综述系统、全面地梳理了近红外荧光手术导航探针领域的最新研究进展，从基本原理到前沿策略进行了层次分明的阐述。它不仅总结了被动靶向、主动靶向（抗体、多肽、小分子）、可激活型（氧化还原、酶、pH响应）以及NIR-II探针等各类探针的设计原理、代表性工作、优势与面临的挑战，还深入探讨了具体的分子工程策略（如染料结构修饰、纳米封装、连接子设计、空间屏蔽）和给药方式（静脉 vs. 局部）对探针性能的影响。文章清晰地指出，未来的发展方向在于开发更具肿瘤特异性、更高信噪比、更快激活速度、更佳生物相容性且易于临床转化的新型探针。本文为相关领域的研究人员提供了宝贵的知识概览和技术思路，对于推动近红外荧光手术导航技术从实验室走向临床、最终实现肿瘤的精准切除具有重要的参考价值和指导意义。