IVIS视角 | 活体光学成像助力肿瘤临床前检测

在全球范围内，癌症是主要的公共卫生问题，而中国恶性肿瘤发病和死亡人数位居世界之首。如今，恶性肿瘤发病率和死亡率均呈逐年上升趋，给家庭和社会带来极大的痛苦和负担。肿瘤发病早期在微观分子尺度上变化很小，也没有明显的外在表现，患者很容易忽略肿瘤的存在。因此，找到高灵敏度的临床前检测方案对肿瘤早期筛查有很大帮助，而肿瘤发生、发展和转移的动态可视化监测也将在患者的个性化精准治疗过程中发挥重要的作用。

荧光成像技术具有较高的空间分辨率和灵敏度，生物相容性良好的荧光探针被广泛应用在在临床前检测。其中近红外发射的荧光探针由于组织穿透性更好，快速实时的体内外监测能力而蓬勃发展。由于肿瘤有异常表达的生物标志物，因此研究人员可利用特殊标志物进行肿瘤细胞的特异性识别，从而设计肿瘤临床前检测的有力工具。

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pH激活的近红外荧光探针用于检测肺转移性肿瘤

肿瘤从原发位置扩散到身体其他部位发生转移将影响整体的治疗进程，而肺转移几乎占所有恶性肿瘤转移的一半以上。因此，通过对肺转移的特异性检测可以获得及时可靠的信息来阻止转移进展，从而改善治疗效果。研究人员对亲脂性染料IR780进行改造，通过与pH敏感的磷酸钙相结合获得了一种pH响应的荧光探针——肺转移示踪剂9（PMT9）。Revvity活体光学成像结果表明，PMT9对肺部肿瘤有较高的特异性，可以准确识别原发性肺部肿瘤和肺部转移肿瘤灶（如图1）。

图1 PMT9体内特异性识别原位肺肿瘤

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超灵敏的深近红外（NIR）纳米探针用于肿瘤早期检测

目前通过磁共振成像和正电子发射断层扫描可以对早期肿瘤进行检测，但是极限成像尺寸约为1mm，小于1mm的肿瘤很难被发现。因此，研究人员利用荧光成像极高的灵敏度，进行早期微米级肿瘤灶的检测，为肿瘤早期检测提供了新思路。文献报道了一种可被酸性和乏氧次序激活的荧光纳米探针Ir-D，该探针由可被酸降解的聚乙二醇壳和氧气敏感的铱配合物疏水核构成。在肿瘤部位酸性条件下，酸敏感亚胺断裂使探针的聚乙二醇外壳逐渐脱落，铱配合物疏水核由此暴露出来并发生聚集伴随发出近红外波段荧光。由于酸性和乏氧是肿瘤特异性的微环境，因此该探针可以准确识别体内肿瘤病灶。如图2所示，Ir-D探针在不同种类的皮下瘤、转移瘤以及PDX肿瘤模型中都能实现高灵敏度的成像。

图2 Ir-D探针在不同肿瘤模型中成像

随后，研究人员还进行了探针的灵敏度的测试。在小鼠背部植入不同数量的H22细胞后，尾静脉注射Ir-D荧光探针，实验结果表明，注射探针8h后小鼠背部观察到明显的荧光信号，并且仅注射数百个肿瘤细胞的小鼠信号强度比对照组平均高约2.0倍。为了进一步评估Ir-D对于微小肿瘤灶的检测能力，研究人员将肿瘤类器官植入到小鼠乳腺构建了早期肿瘤模型，并在建模成功后尾静脉注射Ir-D探针，通过Revvity活体光学成像进行观察。实验结果表明Ir-D可以识别到微小肿瘤，组织切片结果显示肿瘤大小仅为260×290μm（如图3）。

图3 Ir-D探针灵敏度检测

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有机分子放射余辉探针用于肿瘤筛查和协同治疗

荧光探针虽然广泛应用在肿瘤早期检测，但是由于背景光和组织自发荧光的干扰，信噪比不是很理想，限制在临床上的应用。因此，能在激发光停止照射后储存能量并缓慢释放光子的余辉探针应运而生，在去除了组织自发荧光的干扰后，余辉探针具有极高的检测灵敏度和信噪比。与荧光激发相比，X射线具有更深的组织穿透性，不但可以将高能量传送到深层肿瘤部位，而且可以在余辉成像的同时起到放射治疗的协同效果。现在对此类探针的研究仍然很少，主要集中在无机纳米磷光体，还没有有机分子在X射线照射后发出余辉的报道。该研究首次阐述了有机分子的放射动力学过程，解释了单线态氧产生及余辉信号的产生原理，该探针可以用来进行体内肿瘤的超灵敏检测。

研究人员基于受体-苯氧基-金刚烷烯骨架的合成方法成功制备余辉动态发光体。X射线辐照IDPA会产生单线态氧，然后原位生成的单线态氧通过环加成反应与IDPA反应转化为二氧杂环丁烷中间体，该中间体逐渐分解并释放光子，产生余辉信号，图4展示了X射线和光学激发穿透深度的差异。

图4 深层组织射电余辉动态过程

随后，研究人员用生物发光标记的U87细胞构建皮下肿瘤模型，通过Revvity活体光学成像进灵敏度检测，实验结果表明尾静脉注射X射线激发的余辉探针可以实现体内微小肿瘤灶的检测，实验检测到肿瘤最小体积1.08mm3，直径0.64mm（如图5所示）。

图5 余辉探针的灵敏度检测

参考文献

1. Jia, Qian, et al. "An Activatable Near‐Infrared Fluorescent Probe for Precise Detection of the Pulmonary Metastatic Tumors: A Traditional Molecule Having a Stunning Turn." Angewandte Chemie (2023): e202313420.

2. Zhou, Sensen, et al. "Acid and Hypoxia Tandem‐Activatable Deep Near‐Infrared Nanoprobe for Two‐Step Signal Amplification And Early Detection of Cancer." Advanced Materials (2023): 2212231.

3. Huang, Jingsheng, et al. "Molecular radio afterglow probes for cancer radiodynamic theranostics." Nature Materials 22.11 (2023): 1421-1429.