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CNS藥物研發中的體內近紅外熒光成像
閱讀：1049 發布時間：2022-4-29
體內成像技術已成為中樞神經系統（CNS）疾病藥物研發和臨床評估的重要組成部分。650-950nm范圍的近紅外（NIR）熒光成像廣泛用于臨床前體內成像研究，而向短波紅外（SWIR，1000-1700nm）窗口具有更高的組織穿透性和分辨率，有很高的臨床應用潛力。加南大研究人員Maria J. Moreno等以SWIR窗口為重點，綜述了近紅外熒光光學成像模式的新進展。利用PHOTON公司的IR VIVO系列近紅外二區小動物活體成像體統，詳細研究討論了開發新型有機和無機SWIR發射體的優勢和挑戰，特別關注了毒理學和藥理學方面。在成像儀器、算法和新的SWIR發射體的進步的推動下，SWIR成像解決了臨床前研究CSN光學成像模式面臨的主要障礙。生物相容性SWIR發射體的開發和多模式成像模式中SWIR的采用有望將光學成像快速推進到轉化研究和臨床應用中。文章以“In vivo near-infrared fluorescent optical imaging for CNS drugdiscovery”為題發表于Expert Opin Drug Discov。
1-簡介
慢性神經系統（CNS）疾病，包括阿爾茨海默病（AD）、帕金森病（PD）、多發性硬化、卒中和慢性疼痛等，正迅速成為一種不斷升級的流行病，對醫療保健系統都是一個巨大挑戰。相較于其他治療領域，CNS藥物成功率zuidi，很大一部分CNS靶向分子在早期/晚期臨床試驗中失敗，只有6.8%的臨床試驗產品進入市場。CNS疾病藥物開發面臨的障礙與其他治療領域類似：缺乏合適的疾病轉化動物模型、臨床前藥代動力學（PK）/藥效學（PD）關系在劑量選擇方面整合不足、缺乏對治療反應的敏感早期檢測，以及需要在臨床試驗中解決人群異質性的影響。此外大腦和神經精神疾病的復雜性、血腦屏障（BBB）對藥物和成像造影劑的高度限制、安全風險以及臨床試驗中缺乏可幫助患者選擇及早期療效評估的生物標志物，使CNS治療開發困難進一步加劇。
成像方法的整合可幫助解決一些問題。體內成像有助于確定合適的治療目標，評估生物分布和藥代動力學，評估靶點占有率、參與度和劑量反應，以及中靶和脫靶效應，還可能在臨床前和臨床藥理學方面發揮一定作用。
從結構成像到分子成像，成像儀器和技術取得了重大進展，包括計算機斷層掃描（CT）、正電子發射斷層掃描（PET）、單光子發射計算機斷層掃描（SPECT）、磁共振成像（MRI）、超聲波和光學成像。伴隨著新分子靶標的鑒定、多功能造影劑的開發和提取定量數據的分析工具得以加速。PET、SPECT和MRI已被用于臨床前疾病模型和藥物開發評估，特別是CNS領域，但對設施和培訓要求高，在大多數學術甚至工業實驗室中普及性不高。熒光光學成像功能強大、價格合理，是很好的臨床前體內成像替代技術，而其分辨率也隨著發展日益提高。此外熒光成像在臨床應用也顯示出巨大潛力，如熒光血管造影術、轉移性淋巴結標測、心輸出量評估、癌癥定位、手術邊緣評估和圖像引導手術，彌補了光學成像技術傳統上的感知問題。
本文將以短波紅外（SWIR）窗口為重點，綜述近紅外（NIR）熒光光學成像模式的新進展。回顧開發和設置儀器以及新型有機和無機SWIR發射體的優勢和問題，特別強調毒理學和藥理學。討論臨床前成像的未來前景及向神經成像領域臨床轉化的潛力。
2-熒光成像：從NIR到SWIR成像
熒光成像的原理是利用紫外光到紅外光范圍內的光激發分子，分子被激活會發出波長更長的光子，用專門的傳感器能很容易檢測到這些光子。但當光穿透組織層時，光-組織間的相互作用導致光發生吸收、反射、散射和自發熒光，這都會影響圖像捕獲和分析。近紅外（NIR）（700nm-2000nm）光譜中的干擾要小于可見光（400nm-700nm）光譜，因此NIR區被認為是“光學或治療窗口”，此處光具有最大穿透深度，組織透明度高。活組織中，光吸收使信號強度降低，主要是由于內源性發色團，如黑色素、水、脂質、氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白。這些分子的吸收峰在400-900nm，可通過NIR窗口（> 1000nm）成像來避免。組織自發熒光主要由NAD(P)H、膠原、彈性蛋白、色氨酸、酪氨酸、卟啉和FAD等分子產生，而這些分子發射大部分可見光波長的光。幾乎所有生物組織的光散射程度都遵循反比波長關系（λ-α，其中λ為波長，不同組織α= 0.2-4），大腦的波長依賴性強。光散射會增加背景噪聲并影響空間分辨率，而通過NIR波長成像可以顯著減少光散射。綜上所述（圖1），NIR熒光成像的靈敏度、組織穿透深度、空間分辨率均高于傳統的可見光成像，已成為體內研究的shouxuan方式。
圖1 （a）與波長相關的腦組織自發熒光，在較長波長下自發熒光發射減少。處死后立即用IVIS Lumina Ⅲ結合氙燈和2個六色光源對大腦進行離體成像。激發和發射濾波器組:（a）明場；（b）Ex/Em:460±20nm/520±20nm；（c）Ex/Em:520±20nm，570±20nm；（d）Ex/Em:660±20nm，710±20nm；（e）Ex/Em:740±20nm，790±20nm，（f）Ex/Em:740±20nm，850±20nm。（b）水、脂質、氧合血紅蛋白（HbO2）和脫氧血紅蛋白（Hb）的吸收光譜。（c）皮膚、顱骨和腦組織相對于波長λ減少的散射系數μ’s。
過去十年里，NIR外成像的發展主要集中在所謂的“第一個生物窗口”或NIR-Ⅰ（650-950nm）中。“第二個生物窗口”或NIR-II，也稱為短波紅外（SWIR，1000-1700nm）的發現，使得生物樣品透明度方面有了巨大提升，在深度穿透和圖像分辨率方面都有顯著提高。但由于缺乏靈敏的探測器，SWIR成像很困難。用于NIR窗口的硅基探測器在900nm以上產生的信號很低。其他基于鍺(Ge)、銻化銦(InSb)和碲化鎘汞(HgCdTe)的探測器雖然在SWIR范圍內靈敏度更高，但效率很低。基于銦鎵砷（InGaAs）的二極管陣列檢測器可更靈敏地檢測較長波長，使SWIR光譜在體內外成像應用成為可能。結合生物相容性SWIR發射體的發展，如有機染料、單壁碳納米管（SWCNTs）、量子點（QDa）、稀土摻雜納米復合材料和金納米粒子，熒光成像領域發生了*改變，向臨床前和臨床成像轉化又邁進了一步。
3-NIR-Ⅰ和SWIR成像探針
3.1 小有機熒光團
用于體內的商業NIR熒光探針大多是花青衍生物，通常表現出高摩爾消光系數，但熒光量子產率（QY）中等（約1-30%）。典型的例子是吲哚青綠（ICG，Emission:~800nm），目前廣泛用于臨床，包括眼底血管造影術、檢測黑色素瘤患者的前哨淋巴結、乳腺癌、胃癌和血流監測等。水溶液中ICG分子形成J-聚集體并快速熒光降解。然而在血液中，ICG與血漿蛋白特別是球蛋白緊密結合，并在血管中持續循環，成為動態血管和血流成像的優異染料。ICG通過肝膽管迅速消除，并無代謝地釋放到膽汁中，因此可用于觀察肝臟和膽囊功能。ICG與蛋白質結合時會淬滅，最初認為這限制了分子成像應用，但隨后發現該效應可用于開發可激活探針，由熒光沉默染料（ICG）通過可酶切或對pH敏感的接頭附著在蛋白質上。染料從蛋白質上解離后變得不可抑制，僅在目標組織中發光，與傳統的“持續發射”探針相比，背景熒光顯著降低，靈敏度和圖像對比度增強。
ICG存在光穩定性差、水溶性差和QY低（血清中約9.3%）的缺點，因此需要開發新的有機NIR/SWIR熒光團，面臨的挑戰包括開發控制熒光團發射波長所需的復雜化學物質、將非常離散的波長轉移到SWIR光譜，以及大多數新開發分子的QY都很低（0.01-1.4%）。新SWIR染料除改善物理化學特性（如高消光系數和量子產率、低光漂白和快速腎清除）外，還需要經過非常嚴格的毒性和安全性臨床評估。FDA批準的ICG染料最初被認為限制在1000nm的NIR范圍內，但用InGaAs相機分析時顯示出一條擴展到1500nm以上的長發射尾。此外在對比度和圖像分辨率方面，較弱的SWIR“非峰值”發光優于明顯較強的NIR-Ⅰ峰值發光。因此將InGaAs攝像機與當前的臨床成像平臺相結合，有望使SWIR成像向快速跟蹤臨床轉化（圖2）。
圖2 使用IR VIVO (Photon etc, QC, Canada)在以NIR區域用ICG在裸鼠體內成像，顯示透明度和圖像分辨率有所提高：（a）NIR-Ⅰ窗口全身成像；Ex: 780 nm，帶通濾波器:850 nm/50。（b）SWIR窗口全身成像；Ex: 780 nm，長光程濾光片:1250 nm。（c）SWIR窗口小鼠頭部成像；Ex:780nm，長光程濾光器:1250nm。（d）光路和SWIR IR VIVO成像系統主要組件的示意圖。
3.2 有機/聚合物納米粒子
聚集誘導發射發光體（AIEgens）是SWIR發光體的另一種形式，在生物醫學成像中有很大潛力。與大多數聚集誘導猝滅的有機小分子熒光團相反，AIE熒光團在從孤立分子轉變為聚集納米粒子狀態時表現出熒光增強。
使用供體-受體（D-A）方法產生AIE點（BPN和TQ用作供體和受體單元）。TQ-BPN采用兩親性聚合物Pluronic F-127封裝成有機點，所得TQ-BPN量子點具有寬發射光譜（700-1200nm），激發/發射峰在約630/810nm，強拖尾可至1200nm，在NIR和SWIR區的QY分別可達13.9%和2.8%。TQ-BPN點在水和血清中表現出良好的光穩定性，并且在連續635nm激光照射1h后沒有光漂白。此外，與用NIR-I硅基CCD相機成像的小鼠相比，用TQ-BPN點注射并用SWIR InGaAs照相機成像圖像分辨率更高。全身成像顯示有機點循環時間較長（> 12h），肝臟和脾臟是主要積聚器官，這很可能是由于F-127的長PEG鏈。結合顯微血管造影術可顯示800μm深度的小毛細血管（直徑約18.4μm）、提取血液動力學參數（如平均血流速度和血流量），以及監測小鼠大腦中的光血栓性缺血（PTI）和血腦屏障（BBB）損傷。
有研究設計了聚合物點（polymer dots, Pdots），其中phenothiazine、benzothiazole及其衍生物（benzothiazole, BT、naphtho[2,3-c][1,2,5] thiadiazole, NT和benzobisthiadiazole, BBTD）分別用作供體和受體，賦予聚合物在1300-1400nm內的高位移熒光波長。所得Pdots在水溶液中顯示約1.7%的熒光QY，比四氫呋喃（THF）溶液中的原始聚合物高約21倍。使用1319nm長通濾波器透過顱骨對血管內Pdots成像，與使用1250nm長通濾波器相比，顯示出穿透深度和信號背景比顯著改善，證實在1300nm光學區域中大腦具有優異透明度及圖像分辨率。
3.3 量子點（Quantum dots, QDs）
量子點是直徑約2-20nm的小型半導體納米粒子，由元素周期表第Ⅱ-Ⅵ族、第Ⅲ-Ⅴ族和第Ⅳ-Ⅵ族元素構成的核殼結構組成。這些粒子具有高熒光QY（約20–80%）、高光穩定性和通過粒子尺寸操作的可調發射波長（從可見光到SWIR），較大的粒子以較長的波長發射，因此在成像應用中表現優異。量子點一般發射相同的光，與使用的激發波長無關，并且發射光譜非常窄，使得僅用一個光激發源就能同時記錄由量子點混合物發出的不同顏色，這一特性正被用于生物分子（如蛋白質、肽或DNA）的多重光學編碼，并在高通量藥物篩選、基因表達分析和臨床診斷方面具有巨大潛力。
量子點通常在有機溶劑中產生，因此不溶于水。水溶性可通過封裝在二氧化硅或兩親共聚物中，或通過用水溶性配體包覆來實現。盡管成像特性優秀，但其固有毒性是生物應用中的主要關注點。降低毒性的方法包括用ZnS殼表面鈍化或用有機分子/聚合物（如PEG）涂層。然而量子點尺寸較大，超過了腎臟清除的流體動力學半徑截止值（約5.5nm），可在腎臟、肝臟和脾臟中長時間積累，毒性核心物質存在泄漏風險。另外量子點還可改變細胞中的基因表達，會在分子水平上產生意想不到的長期影響。因此生產更穩定的涂層以保護量子點免受外部環境影響，并防止潛在害毒性、開發具有所需光學性能且無毒的新材料，仍然是該領域主要關注的問題。
3.4 單壁碳納米管（single-wall carbon nanotubes, SWCNTs）
單壁碳納米管是一種新型納米材料，以其*的機械、光學、熱學和電學性質引起極大關注。碳納米管是圓柱形石墨空心管，由一個蜂窩狀網格中的碳原子組成，直徑很小，通常在0.5-2nm間，長度從50nm-1mm不等。單壁碳納米管的許多性質取決于結構，其特征在于手性指數（n,m），該指數定義了六邊形碳晶格中圓周矢量的長度和方向。單壁碳納米管可以是半導電的，也可以是金屬的，取決于它們的手性角度和直徑，單壁碳納米管制劑通常包含兩種類型的混合物。半導體單壁碳納米管在SWIR顯示出強烈的光學熒光，在體內成像方面有巨大潛力。但仍需解決其相關的毒性問題（疏水性及易在水中聚集形成束），改善溶解性和生物相容性。解決方法包括用大分子如聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和聚苯乙烯磺酸鹽（PSS）包裹，以及用聚（環氧乙烷）PEO或氨基葡萄糖官能化。另外潛在毒性方面的報道相互矛盾，部分原因是不同實驗室的單壁碳納米管制備、純化和增溶方法缺乏標準化。細胞毒性主要取決于尺寸和表面功能化，與共價修飾的長碳納米管相比，非共價功能化的短碳納米管毒性較低。最重要的問題包括長期吸入后的肺毒性、中度皮膚刺激和炎癥。就其藥代動力學而言，分散在水中的單壁碳納米管盡管分子量較大，但可通過腎小球過濾迅速清除，血液循環半衰期為幾個小時，這也顯著降低了在身體器官中長期積累的風險和潛在相關毒性。盡管如此，單壁碳納米管仍需進一步的生物相容性和毒性評估，以確定其在臨床中的可用性。
4 用于中樞神經系統成像的NIR/SWIR成像
4.1 腦血管成像
腦血管解剖及生理學與神經元功能和腦病理學密切相關。神經血管耦合是功能性磁共振成像的基礎。此外，由腦血管和毛細血管形成的血腦屏障（BBB）是一種動態的物理和分子屏障，控制著外圍和大腦之間的物質和信息交換。
無創成像的首要挑戰是分辨率和穿透深度。MRI和X-光CT是兩種常規腦部臨床成像方式，MRI可敏感地檢測軟組織病變，X-光CT可提供大腦的解剖橫截面圖像。在檢測大腦形態變化方面二者的深度穿透力優秀，但對小血管分辨率不足。基于可見光和NIR-I熒光的成像技術盡管分辨率很高，但活體內腦成像時組織穿透性差、光散射較高，且成像腦脈管系統常需要顱窗，應用上也很受限。隨著SWIR成像系統的發展，利用各種熒光發射體如有機染料（圖3）、單壁碳納米管和量子點，實現了透過完整的小鼠顱骨觀察到直徑小于10μm的腦微血管。使用(SWCNT)-IRDye800共軛物結合800-1700nm發射光，對SWIR區域進一步探索發現了兩個光學子窗口，即NIR-Ⅱa（1.3-1.4μm）和NIR-Ⅱb（1.5-1.7μm），成像指標（包括透明度、分辨率和穿透深度）均有所改善。這是由于頭皮、顱骨和腦組織在這些光學區域的散射系數降低，以及NIR-Ⅱb窗口中水吸收顯著降低。通過使用InGaAs攝像機以高成像速率（5.6fps）在NIR-Ⅱa光譜中成像，可以高時間分辨率記錄血液-大腦灌注，并實現對完整小鼠大腦中血流動力學的實時評估。此外通過將主成分分析（PCA）應用于時間進程圖像，基于血液動力學差異可區分動脈和靜脈。
圖3 SWIR IMA IR顯微鏡（Photon etc, QC, Canada）的光路和主要部件示意。（b）使用IMA IR顯微鏡通過靜脈注射ICG的小鼠的完整顱骨成像的腦脈管系統顯微照片（Ex:808nm，Em:1250nm）。
與NIR-Ⅱa窗口的快速發展相反，NIR-Ⅱb區域成像更具挑戰性，因為在NIR-Ⅱb發光的物質數量有限，且量子產率低（如CdS硫化鎘涂覆的InAs量子點）、水溶液中有的光不穩定性（如PbS或PbSe量子點）。但也有發射波長大于1500nm的大直徑SWCNT在完整小鼠腦中成像腦脈管系統時表現優秀。盡管之前由于水泛音吸收峰而掩蓋了1,400-1,500nm波長，但研究發現在強吸水波長下對比度顯著增加，從而能夠以高分辨率可視化更深的結構。
大多數SWIR熒光團是無機納米材料，在肝臟和脾臟中強烈積聚，存在安全問題和潛在的長期毒性。為此，安全性更高的有機SWIR染料應運而生，首先是由供體-受體-供體（D-A-D）基序構建的CH1055熒光團，該基序可產生約1055nm的發光位移，但QY較低（約0.3%）。對D-A-D結構進行修飾產生了一種新型SWIR染料IRE1，該染料在水溶液中顯示出增強的熒光QY（約0.7%），使得能夠在小鼠中以單血管分辨率監測腦血管變化。
最初在嚙齒動物中進行的SWIR成像現已經擴展到大型動物，包括非人靈長類動物和豬，用于大腦皮層血管造影術。在恒河猴中，用兩個SWIR適配顯微鏡，一個高空間分辨率的共焦激光顯微鏡（< 10μm）和一個高時間分辨率的寬視野顯微鏡（25幀/秒），實現了皮質微血管網絡的三維圖（約500μm深，7μm血管直徑）和血流速度的實時測量。SWIR成像系統在豬身上的空間分辨率和對比分辨率都優于NIR-I臨床級手術顯微鏡。表明SWIR光學成像技術在神經外科和腦血管成像應用領域的臨床應用取得了快速進展。
4.2 腦血管病理成像
除腦部脈管系統的解剖可視化和定量血流圖分析之外，NIR成像還可評估腦腫瘤或腦血管損傷后的血管病理和血腦屏障破壞。如使用NIR-I探針非侵入性時域光學成像，可將光學示蹤劑濃度與其組織深度耦合，測量探針熒光壽命，即探針在返回基態之前處于激發態的時間，與探針濃度無關，但受局部組織環境（包括pH、缺氧或缺血）影響。如評估卒中小鼠模型靜脈注射的不同大小示蹤劑（Cy5.5 vs Cy5.5-albumine）的生物分布、熒光濃度和熒光壽命、評估缺血期間和之后時空上血腦屏障的滲透性變化，以及檢測具有潛在代謝擾動或水腫的區域的周圍（半暗帶）。
CNS疾病實驗模型中SWIR成像已被用于透過完整的小鼠大腦檢測血液循環異常。如在手術誘導的大腦中動脈閉塞（MCAO）卒中模型中，SWCNT作熒光示蹤劑，檢測到與對側相比，受MCAO影響的半球血液灌注顯著減少（80%）。此外在膿毒癥小鼠腦靜脈血栓形成模型中，使用PBs QD100（Em:1100nm；QY = 8%）示蹤劑，量化了施用脂多糖（LPS）使血栓數量減少；通過施用肝素使血栓形成/數量減少。這些結果證明了NIR熒光成像在評價腦血管病理狀態中的價值。
病理學成像也可用光學成像技術實現，腦腫瘤表現出異常的脈管系統，這些異常表型伴隨著基因/蛋白質表達譜的改變、*的血管生物標志物的存在。靶向部分如單克隆抗體（mAbs）、單結構域抗體（sdAbs）和肽與不同造影劑（包括NIR熒光示蹤劑）結合，可觀察體內腫瘤選擇性抗原的表達和分布。胰島素樣生長因子結合蛋白7（IGFBP7）是膠質母細胞瘤血管生物標志物中表達zuifengfu的之一，由腫瘤內皮細胞產生并分泌到基底膜中，與膠原蛋白和層粘連蛋白等細胞外基質蛋白相互作用。IGFBP7參與腫瘤血管的血管生成和周細胞募集，其表達與高級別膠質瘤和不良預后相關。由抗IGFBP7 sdAb連接到腫瘤血管成像造影劑組成的靶向分子成像探針，可有助于腦腫瘤診斷和臨床管理，包括高級別膠質瘤的識別。靶向IGFBP7的sdAb，用NIR-I Cy5.5熒光團標記，能夠在小鼠膠質母細胞瘤原位模型中對腫瘤脈管系統和未受影響的腦區進行分子鑒定和密度評估。基于上述發現開發出的靶向雙峰光學MRI造影劑，抗IGFBP7 sdAbs和Cy5.5被生物結合到釓涂層脂質顆粒的表面，在異種移植膠質母細胞瘤中，與非靶向納米粒子相比，MRI成像對比度增強和熒光信號顯著增加，突出了多模式成像探針的潛在臨床用途。
花青染料具有高親脂性，未結合的Cy5.5或Cy7染料可與腫瘤非特異性結合。因此，開發了新一代NIR-Ⅰ型染料，其理化性質更優秀，包括水溶性、分散性和約800 nm波段的紅移峰。如IRDye 800CW（Ex/Em: 774/ 805 nm）比Cy5.5具有更深的組織穿透性和更高的信號-背景比。IRDye 800CW與RGD序列（精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸）結合，識別整聯蛋白，即在腫瘤血管系統和腫瘤細胞中高度表達的細胞表面受體，成功地鑒定了同基因和異種原位膠質母細胞瘤腫瘤中的腫瘤和腫瘤邊緣。目前，有14項臨床試驗使用NIR-Ⅰ熒光造影劑（ICG和IRDye800CW）對腦部病變進行成像（Table 1）。
4.3 腦部病變成像
血腦屏障的存在限制了大多數成像劑的腦部輸送。血腦屏障由特殊的無穿孔內皮細胞組成，這些細胞具有外排轉運蛋白，可防止不需要的血液成分進入CNS。雖然在維持大腦穩態方面發揮著非常重要的保護作用，但它也是靶向成像探針穿透深部腦組織的主要障礙。為此，利用位于大腦內皮細胞腔表面的受體/轉運體幫助成像劑進入，這些受體/轉運體在配體結合時，通過復雜的囊泡分選途徑內化并到達腔外，這一過程被稱為受體介導的胞吐（RMT），已被用來開發靶向部分（肽、單克隆抗體和sdAbs）。RMT受體包括轉鐵蛋白受體（TfR）、胰島素受體（IR）、低密度脂蛋白受體相關蛋白-1（LRP-1）和TMEM30A。其他替代方法包括聚焦超聲在選擇性大腦區域產生暫時性和可逆的BBB機械開口，或使用巨噬細胞仿生支架增強血腦屏障和腫瘤的穿透。在某些情況下NIR熒光探針可以自然穿過血腦屏障，或者進行化學修飾以增加穿透性。
4.3.1 神經退行性疾病
神經退行性疾病包括一系列以大腦神經元結構或功能逐漸喪失為特征的疾病，它的一個標志是大腦中聚集了錯誤折疊的蛋白質，具有強大的神經毒性作用，如淀粉樣β蛋白（Aβ）和Tau蛋白的積累與AD有關，α-突觸核蛋白（αSyn）的不溶性纖維與PD有關，亨廷頓蛋白（Ht）蛋白的聚集誘導亨廷頓氏病。作為這些疾病的罪魁禍首，錯誤折疊的蛋白質已經成為診斷成像和治療干預的主要目標。
已經開發了各種選擇性結合Aβ的NIR探針以成像Aβ的積累。NIAD-4是第一批用于體內對Aβ斑塊成像的NIR探針之一。當結合到聚集的Aβ蛋白上時，該染料顯示出紅移（吸收超過600nm）和熒光強度的強烈增強（400倍）。雖然靜脈注射后能夠穿過血腦屏障并選擇性結合Aβ，但無創體內成像中發光不足。AOI-987是一種惡嗪染料，發射波長較長（Em: 670nm），高度親脂性，能夠穿過血腦屏障，是第一個允許在AD動物模型中觀察體內Aβ斑塊的NIR探針。姜黃素類似物CRANAD-2可將發射轉到波長更長的NIR（805nm），并顯示出對Aβ聚集體的高親和力和與Aβ結合時熒光強度的顯著增強。CRANAD-2能夠穿過血腦屏障并在AD小鼠模型中檢測到Aβ斑塊，但檢測通過熒光反射進行，穿透深度和分辨率較低。通過化學改進，新熒光染料DANIRs （Em: 665 nm）實現了與Aβ斑塊和Aβ原纖維的高親和力結合，良好的血腦屏障透過性，以及在APPswe/ PSEN1雙轉基因小鼠中檢測Aβ的優異能力。通過用18 F放射性標記DANIRs開發了多模式成像探針。除了Aβ，還開發了能夠檢測τ聚集體的熒光劑，如基于硼二吡咯甲烷的NIR熒光化合物（BODIPY）。這種熒光探針可有效穿透BBB，并檢測到tau纏結。這些新的探針能夠使用光學成像來檢測/量化疾病模型中錯誤折疊蛋白質的大腦沉積物，將有可能加速對藥物生產的評估，改善臨床前模型中這些毒性實體的清除/消除。
4.3.2 腦腫瘤
在腦腫瘤中，膠質母細胞瘤是最惡性的，有高度血管生成和浸潤特性，最常見于成人。其在分子水平的特征是存在多種途徑突變和遺傳改變。即使非常積極地治療，包括腫瘤切除、放療和化療，膠質母細胞瘤患者的中位生存期僅約為18個月。zuichangyong于診斷膠質母細胞瘤的成像方式是MRI、CT和PET。腫瘤具有強烈的增殖表型，因此需要高水平葡萄糖攝取。這導致腫瘤細胞質膜上葡萄糖轉運蛋白（GLUTs）的上調，該特性已被用于成像，使用葡萄糖類似物18 FDG（2-fluoro-2-deoxyglucose）作蹤劑來觀察腫瘤活性的PET成像。在尋找放射性脫氧葡萄糖（DG）的替代物時，一種與2-DG共軛的NIR染料IRDye800CW 2-DG （Ex: 785 nm，Em: 810nm）在異種移植原位模型中顯示出優異的腫瘤靶向能力。CT和MRI聚焦于腫瘤大小和精確解剖定位，而代謝成像可提供腫瘤組織功能狀態的*信息，代謝NIR熒光劑看評估腫瘤生物學的特征，如缺氧、壞死和血管生成，并可作為臨床前和臨床研究之間的轉化平臺。
通過血腦屏障和血液腫瘤屏障（BTB）進入腫瘤方面的策略包括使用包裹在膠束中的疏水熒光團（IR-780），通過高通透性和滯留效應（EPR）機制改善其在實體腫瘤中的藥代動力學特征和積累。與正常腦組織相比，IR-780碘化物在膠質母細胞瘤腫瘤細胞線粒體中存在固有優先積累。此外這種成像探針易于修飾，可在母體結構中引入有效的抗腫瘤藥物，如氮芥（NM）。這種分子設計為NM提供了更高的腫瘤特異性，降低了其非特異性毒性，并為開發用于同時腫瘤靶向、診斷成像和治療的治療劑開辟了新的途徑。
其他達到并透過腦腫瘤的方法包括使用受體介導的細胞轉運（RMT）機制穿過血腦屏障，如由轉鐵蛋白包被的脂質體組成納米制劑，可將包封的多西紫杉醇和QDs運輸到腫瘤中；通過聚焦超聲暫時打開血腦屏障以促進IR-800-稀土納米粒子綴合物的腫瘤滲透，以及裝載用于腫瘤成像和光熱治療的光敏NIR-IIb發射染料IR792的工程巨噬細胞支架，等等。
5 結論
包括分子影像學在內的影像學技術的進步對提高診斷的準確性和時機、理解及監測疾病過程、降低風險、幫助外科手術以及評價藥物療效和毒性至關重要。體內成像已納入臨床前研究，以支持藥物發現和開發并降低風險，特別是神經系統疾病中。與PET/SPECT相比，光學成像可提供實時圖像及良好的分子和空間信息，而不需要電離輻射、放射化學專業知識和高度專業化的設備。對于臨床前體內研究，從可見光到NIR-Ⅰ/SWIR成像的轉變是解決較短光學波長吸收、散射和自發熒光問題的關鍵一步，導致圖像分辨率和穿透深度kongqian提高。與此同時，材料科學、化學合成和納米技術領域的進展推動了NIR-Ⅰ/SWIR光譜中新有機熒光團和納米粒子的發現。到目前為止，這些SWIR發射體已經能透過完整的顱骨以微米級分辨率對腦血管進行詳細可視化，監測創傷性損傷后血腦屏障通透性的動態變化，評估與腫瘤生長和血管生成相關的代謝變化，量化AD轉基因模型中的淀粉樣斑塊，以及監測腫瘤特異性抗原。以上例子說明了新興成像技術在加速藥物發現和開發方面的潛力。雖然仍處于起步階段，但SWIR成像領域正在快速發展。開發生物相容性好、亮度更高、符合安全性和藥理學要求的SWIR發射體仍然是SWIR成像未來臨床轉化和應用的主要挑戰。
參考文獻：Moreno, M.J., B.Ling, and D.B.Stanimirovic."In vivo near-infrared fluorescent optical imaging for CNS drug discovery." Expert Opinion on Drug Discovery 120(2020):1-13.