技術(shù)突破：光聲成像突破血腦屏障并連續(xù)120分鐘實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腫瘤變化

本研究由Wei Qin、Honghui Li、Jiali Chen、Yang Qiu、Limin Ma、Liming Nie完成，論文題為《Amphiphilic hemicyanine molecular probes crossingthe blood-brain barrier for intracranial optical imaging of glioblastoma》，于2025年1月發(fā)表在《ScienceAdvances》期刊，發(fā)布。

重要發(fā)現(xiàn)
本研究核心是構(gòu)建血腦屏障穿透型光學(xué)探針設(shè)計(jì)策略，并驗(yàn)證IVTPO在GBM顱內(nèi)成像的高效性，實(shí)驗(yàn)圍繞探針設(shè)計(jì)、性能驗(yàn)證、體內(nèi)外成像逐步展開(kāi)。

在探針設(shè)計(jì)與光學(xué)性能優(yōu)化上，團(tuán)隊(duì)合成IVPM、IVTM、IVTPO三種半花菁染料，它們有相同電子受體（吲哚鎓離子），但電子給體為不同芳香胺或噻吩單元。D-π-A結(jié)構(gòu)能促進(jìn)分子內(nèi)電荷從給體向受體轉(zhuǎn)移，讓探針擁有更強(qiáng)光吸收與紅移發(fā)射波長(zhǎng)，適配深層組織成像。同時(shí)，通過(guò)結(jié)構(gòu)調(diào)控，三種探針?lè)肿恿烤�小�?00Da，其中IVTPO的logP為0.41，高于商用硫黃素T（0.16），這種兩親性（疏水骨架結(jié)合親水帶電基團(tuán)）讓它既能與生物膜作用，又能在體液中溶解，為穿透血腦屏障打下基礎(chǔ)。

光學(xué)測(cè)試顯示，IVTPO在二甲基亞砜（DMSO）中吸收峰572nm，摩爾吸光系數(shù)達(dá)12.29×10⁴M⁻¹cm⁻¹（數(shù)值越高成像越靈敏），發(fā)射峰635nm，斯托克斯位移63nm，吸收與發(fā)射光譜重疊少，避免自身熒光干擾；且光穩(wěn)定性遠(yuǎn)超商用AOI987，連續(xù)激光照射90分鐘熒光強(qiáng)度幾乎無(wú)下降，滿(mǎn)足長(zhǎng)時(shí)間實(shí)時(shí)成像需求。

血腦屏障穿透能力驗(yàn)證中，體外用Transwell構(gòu)建血腦屏障模型（上層模擬血液側(cè)，下層模擬腦側(cè)），將IVTPO與EB（陰性對(duì)照）、AOI987（陽(yáng)性對(duì)照）對(duì)比。孵育30分鐘，下層肉眼可見(jiàn)IVTPO擴(kuò)散色，120分鐘時(shí)跨細(xì)胞擴(kuò)散效率達(dá)27%，與AOI987（26%）相當(dāng)，遠(yuǎn)高于EB（僅2%）。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，健康小鼠靜脈注射IVTPO后10-30分鐘，腦內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)熒光；解剖發(fā)現(xiàn)探針不僅在腦血管中，還進(jìn)入腦實(shí)質(zhì)，而注射EB的小鼠腦內(nèi)幾乎無(wú)熒光，證實(shí)IVTPO能穿透完整血腦屏障。

細(xì)胞與體內(nèi)安全性測(cè)試中，選用U87-MG細(xì)胞（人GBM細(xì)胞）和巨噬細(xì)胞為模型，孵育IVTPO后，兩種細(xì)胞內(nèi)均現(xiàn)強(qiáng)熒光，說(shuō)明探針能被腫瘤相關(guān)細(xì)胞有效攝取，為靶向成像提供支撐；孵育24小時(shí)，即便探針濃度達(dá)100μg/ml，用碘化丙啶（PI，標(biāo)記死細(xì)胞）染色也幾乎無(wú)紅色熒光，細(xì)胞毒性極低。對(duì)小鼠連續(xù)30天靜脈注射IVTPO后，取心、肝、脾、肺、腎、腦做病理切片，未發(fā)現(xiàn)水腫、充血、炎癥等異常，驗(yàn)證了體內(nèi)生物安全性，為臨床應(yīng)用排除毒性顧慮。GBM成像與診斷實(shí)驗(yàn)中，先建立GBM荷瘤小鼠模型（腦內(nèi)注射熒光標(biāo)記U87-MG細(xì)胞），再通過(guò)熒光和光聲雙模態(tài)成像觀察。

熒光成像顯示，注射IVTPO后1小時(shí)，腦內(nèi)腫瘤區(qū)域熒光信號(hào)與腫瘤自身生物發(fā)光信號(hào)完全重合，精準(zhǔn)定位腫瘤；解剖發(fā)現(xiàn)，除肝、腎（代謝器官）外，探針主要富集在腦腫瘤，靶向性突出。光聲成像解決傳統(tǒng)熒光成像穿透淺的問(wèn)題，結(jié)合光的高靈敏度與聲音的深穿透性，穿透深度達(dá)幾厘米，透過(guò)完整顱骨就能成像：既能清晰顯示腫瘤位置形態(tài)，還能觀察腫瘤血管細(xì)節(jié)——腫瘤區(qū)域血管直徑注射后顯著增大，正常腦區(qū)無(wú)變化，反映腫瘤血管異常增生；更關(guān)鍵的是，腫瘤早期（BBB未破壞，EB無(wú)法滲漏），IVTPO就能在腫瘤附近腦血管旁檢測(cè)到異常滲漏信號(hào)，對(duì)應(yīng)腫瘤細(xì)胞引發(fā)的微小血管損傷，而EB直到腫瘤晚期BBB嚴(yán)重破壞才滲漏，這意味著IVTPO能更早發(fā)現(xiàn)GBM，為早期診斷爭(zhēng)取時(shí)間。

不同腫瘤階段成像對(duì)比中，早期腫瘤（7-9周）形態(tài)不明顯，EB無(wú)滲漏，但I(xiàn)VTPO可顯示血管旁異常信號(hào)；中期（9-11周）腫瘤形態(tài)清晰，EB仍無(wú)明顯滲漏，IVTPO能呈現(xiàn)腫瘤邊界、形態(tài)及新生血管；晚期（11-13周）BBB破壞，EB開(kāi)始滲漏，但I(xiàn)VTPO成像分辨率更高，能觀察腫瘤血管紊亂結(jié)構(gòu)。定量分析顯示，相同條件下IVTPO光聲信號(hào)強(qiáng)度高于EB，且能連續(xù)120分鐘實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腫瘤變化，為追蹤GBM進(jìn)展提供動(dòng)態(tài)工具。

創(chuàng)新與亮點(diǎn)
01突破“血腦屏障穿透難”的行業(yè)痛點(diǎn)
傳統(tǒng)商用光學(xué)染料（如羅丹明、菁類(lèi)、EB）因分子量大或親脂性不適，幾乎無(wú)法穿透血腦屏障——EB分子量較大，還需結(jié)合血清白蛋白運(yùn)輸，完全被完整血腦屏障阻擋。而本研究通過(guò)D-π-A結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)調(diào)控，讓IVTPO兼具小分子量（<500Da）與適宜兩親性（logP=0.41），既避免親脂性過(guò)強(qiáng)的細(xì)胞毒性，又解決親水性過(guò)強(qiáng)無(wú)法穿透生物膜的問(wèn)題，最終實(shí)現(xiàn)完整血腦屏障的有效穿透，填補(bǔ)“血腦屏障穿透型光學(xué)探針”空白，讓顱內(nèi)腫瘤光學(xué)成像從“不可能”變?yōu)?ldquo;可能”。

02突破“成像深度與分辨率難以兼顧”的技術(shù)瓶頸
傳統(tǒng)熒光成像分辨率高但穿透淺，觀察顱內(nèi)腫瘤需開(kāi)顱手術(shù)——這種有創(chuàng)操作會(huì)破壞血腦屏障，引發(fā)出血、感染，還導(dǎo)致成像失真。本研究采用熒光、光聲雙模態(tài)成像：熒光成像負(fù)責(zé)高分辨率定位，光聲成像借聲波深穿透優(yōu)勢(shì)，將成像深度提升至幾厘米，無(wú)需開(kāi)顱就能透過(guò)完整顱骨觀察顱內(nèi)腫瘤。實(shí)際成像中，不僅能清晰顯示腫瘤宏觀位置，還能分辨直徑15.7μm的微小毛細(xì)血管及腫瘤血管異常增生，實(shí)現(xiàn)“深穿透”與“高分辨率”兼顧，讓非侵入式顱內(nèi)腫瘤成像成為現(xiàn)實(shí)。

總結(jié)與展望
本研究設(shè)計(jì)合成基于D-π-A結(jié)構(gòu)的半花菁探針，篩選出IVTPO最優(yōu)探針，它兼具優(yōu)異光學(xué)性能（高摩爾吸光系數(shù)、良好光穩(wěn)定性、適配熒光、光聲信號(hào)）、高效血腦屏障穿透能力及低毒性，可透過(guò)完整顱骨對(duì)GBM進(jìn)行非侵入式熒光、光聲雙模態(tài)成像，既能精準(zhǔn)定位腫瘤、觀察血管變化，還能在血腦屏障破壞前早期發(fā)現(xiàn)腫瘤相關(guān)滲漏，成像效果與靶向性均優(yōu)于商用EB。

展望未來(lái)，IVTPO有望進(jìn)一步拓展應(yīng)用場(chǎng)景，如結(jié)合影像引導(dǎo)手術(shù)提升腫瘤切除精度，或開(kāi)發(fā)為光動(dòng)力、光熱治療載體實(shí)現(xiàn)“診斷-治療”一體化；同時(shí)，其設(shè)計(jì)策略可指導(dǎo)更多血腦屏障穿透型探針研發(fā)，推動(dòng)顱內(nèi)腫瘤光學(xué)成像技術(shù)臨床轉(zhuǎn)化，為GBM等中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病診療提供更高效、安全的工具。

DOI:10.1126/sciadv.adq5816.