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摘要

分子影像是連接分子生物學(xué)與臨床診斷的橋梁技術(shù)，廣泛應(yīng)用于癌癥診斷、治療監(jiān)測、心血管研究、神經(jīng)病學(xué)研究、藥物開發(fā)、基因治療和細胞追蹤等。其核心技術(shù)包括正電子發(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）、功能性MRI（fMRI）以及本文聚焦的熒光影像（FI）。

一、熒光分子影像的三大類工具

熒光分子影像通過在分子水平上可視化和量化生物過程，為疾病研究提供了獨特視角。選擇何種熒光材料，取決于應(yīng)用場景、所需靈敏度、分辨率及靶點特性。常用材料和抗體可分為三大類（表1）：第一類是熒光染料和探針，它們會在特定波長的光激發(fā)下發(fā)射熒光；第二類是抗體，可以用于可視化生物樣本中的特定蛋白質(zhì)或抗原；第三類是用于光學(xué)相干斷層掃描（OCT）的造影劑或熒光染料。熒光與OCT技術(shù)結(jié)合使用，可增強特定淺表組織、微血管結(jié)構(gòu)、血管造影、腫瘤或炎癥的可視化效果。

表1 熒光分子影像中常見的材料和抗體

二、熒光成像的基本原理

熒光成像基于熒光團的光物理特性（圖1）：熒光團吸收光子后電子躍遷至高能態(tài)，返回基態(tài)時發(fā)射出波長更長的光。熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）技術(shù)正是基于這一原理，成為研究分子相互作用的基礎(chǔ)。

決定成像質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)包括：斯托克斯位移（吸收與發(fā)射光之間的波長差，決定信號分離效果）、熒光壽命（影響微環(huán)境探測能力）和量子產(chǎn)率（決定探針亮度）。此外，樣本的生物學(xué)特性和成像設(shè)備的分辨率同樣影響最終成像效果。

圖 1 使用發(fā)光劑（如綠色熒光探針GFP）和共聚焦顯微鏡進行熒光成像（FI）的原理

（A）熒光分子成像（FMI）原理示意圖

（B）熒光共聚焦顯微鏡以及熒光成像和從樣品記錄圖像的各個階段

表2 分子影像中各種特定熒光染料和材料總結(jié)

三、前沿?zé)晒獠牧?/span>

近年來涌現(xiàn)了幾類新型熒光材料，為熒光分子影像提供了更多的工具。

BODIPY 染料及其衍生物具有超高熒光量子產(chǎn)率（>0.8）、強消光系數(shù)和卓越光穩(wěn)定性，發(fā)射波長可在500-700nm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。通過偶聯(lián)葉酸等靶向基團，可實現(xiàn)腫瘤特異性成像、細胞器追蹤（線粒體/溶酶體），甚至開發(fā)發(fā)射波長>1000nm的近紅外衍生物以提升組織穿透深度，還可與光動力治療結(jié)合實現(xiàn)診療一體化。

近紅外（NIR）熒光染料顯著降低了光散射和組織自發(fā)熒光，提高信噪比。傳統(tǒng)ICG雖廣泛用于前哨淋巴結(jié)活檢和手術(shù)導(dǎo)航，但缺乏靶向性。新型染料，如IR-780和MHI-148，則兼具腫瘤靶向選擇性和低脫靶毒性。

上轉(zhuǎn)換發(fā)光材基于三重態(tài)-三重態(tài)湮沒機制，將低能量的激發(fā)光（如長波長的光）轉(zhuǎn)換為高能量的發(fā)射光（短波長的光），實現(xiàn)深層組織（超過 5 mm）成像。由于生物組織在長波長激發(fā)下幾乎沒有自發(fā)熒光，因此實現(xiàn)了無背景成像。而且長波長激發(fā)功率低，對生物組織的光損傷也更低。

量子點相比于傳統(tǒng)有機染料具有更強的熒光強度和抗光漂白能力。其發(fā)射峰狹窄，適合多色成像，可同時檢測多個靶點。其表面可修飾各種靶向基團，可適用于生物成像、診斷和治療遞送等多種用途。

四、從細胞到臨床：熒光成像的多層次應(yīng)用

熒光分子影像已廣泛應(yīng)用于從體外細胞實驗、體內(nèi)動物模型到臨床研究的各個階段。

在體外細胞水平，雙通道熒光探針可同時檢測衰老細胞中的兩種標(biāo)志酶，精準(zhǔn)區(qū)分正常細胞與衰老細胞；量子點偶聯(lián)抗體實現(xiàn)了對HER2過表達癌細胞的靶向成像。

在體內(nèi)研究中，可激活探針Avidin-ROX成功檢測到小鼠模型中直徑<0.8mm的腹膜卵巢癌微轉(zhuǎn)移灶，靈敏度高達98%。MHI-148染料在肺癌裸鼠模型中注射后1小時即可顯像，腫瘤攝取量最高。還有多種探針實現(xiàn)了對過氧化氫、次氯酸、半胱氨酸等活性分子的活體監(jiān)測。

臨床前及臨床研究中，ICG已應(yīng)用于小兒腫瘤手術(shù)導(dǎo)航，幫助識別CT遺漏的病灶，實現(xiàn)6mm中位安全切緣。西妥昔單抗-800CW探針在口腔癌術(shù)中切緣評估中達到100%靈敏度和85.9%特異性。抗B7-H3抗體-ICG探針則實現(xiàn)了乳腺癌組織的高分辨率術(shù)中評估。

表3 熒光分子影像的一些體外、體內(nèi)和臨床研究總結(jié)

五、熒光成像 vs PET/SPECT

與核醫(yī)學(xué)兩大技術(shù) PET 和 SPECT 相比，熒光成像在淺表、高分辨率成像方面具有獨特優(yōu)勢，可實現(xiàn)細胞級可視化，無輻射且可實時監(jiān)測。但組織穿透深度有限（通常<1cm）是其最大短板。

PET 和 SPECT 憑借放射性示蹤劑實現(xiàn)全身深層成像，靈敏度極高，但空間分辨率較低，且存在輻射暴露。這一對比凸顯了多模態(tài)融合成像（如PET/FI）的必要性，以實現(xiàn)優(yōu)勢互補。

表4 熒光分子影像與 PET 和 SPECT 的對比

六、新技術(shù)突破

近年來涌現(xiàn)的前沿技術(shù)正在突破傳統(tǒng)熒光成像的局限，并拓展到多個學(xué)科領(lǐng)域。

碳點等智能納米探針兼具可調(diào)波長、高量子產(chǎn)率和良好生物相容性；DNA折紙生物傳感器在納米尺度精準(zhǔn)組裝熒光團，實現(xiàn)單分子級識別；上轉(zhuǎn)換技術(shù)和時間門控成像顯著提升深層組織信噪比；人工智能（特別是深度學(xué)習(xí)）有效降低圖像噪聲，突破衍射極限實現(xiàn)超分辨率重建。

這些技術(shù)已廣泛跨界：神經(jīng)科學(xué)中實時監(jiān)測神經(jīng)遞質(zhì)；免疫治療中追蹤免疫細胞狀態(tài)；手術(shù)導(dǎo)航中利用ICG進行血流測量和腫瘤邊界識別；甚至用于農(nóng)業(yè)與環(huán)境科學(xué)中的污染物和病原微生物檢測。

七、挑戰(zhàn)與展望

盡管進展顯著，但穿透深度、光漂白、信噪比、材料毒性及定量準(zhǔn)確性仍是熒光分子影像的核心瓶頸。未來需聚焦于多功能納米探針、可激活探針、多模態(tài)融合、AI 驅(qū)動的圖像分析及優(yōu)化光源等方向，以實現(xiàn)更深層、更精準(zhǔn)、更安全的臨床轉(zhuǎn)化。

原文鏈接：https://doi.org/10.1039/d5ra03102h