熒光探針在揭示腦缺血再灌注損傷機(jī)制中的應(yīng)用研究

該綜述聚焦 2020-2025 年有機(jī)小分子熒光探針在腦缺血再灌注損傷（CIRI）機(jī)制研究中的應(yīng)用，核心圍繞活性氧（ROS）、活性硫（RSS）及相關(guān)酶類(lèi)、微環(huán)境參數(shù)（pH、黏度）的檢測(cè)，將探針按單標(biāo)志物激活和微環(huán)境響應(yīng)協(xié)同兩類(lèi)設(shè)計(jì)策略分類(lèi)，強(qiáng)調(diào)探針通過(guò)優(yōu)化響應(yīng)位點(diǎn)（如硼酸苯酯、二硒鍵）和靶向修飾提升血腦屏障（BBB）穿透能力的關(guān)鍵進(jìn)展，同時(shí)指出個(gè)體差異適配、體內(nèi)分布不均、臨床轉(zhuǎn)化等現(xiàn)存挑戰(zhàn)，展望了結(jié)合人工智能與多模態(tài)成像的診療一體化發(fā)展方向，為 CIRI 的機(jī)制解析與精準(zhǔn)診療提供重要工具和參考。

圖1腦缺血損傷級(jí)聯(lián)反應(yīng)機(jī)制：谷氨酸興奮性毒性、炎癥反應(yīng)與血腦屏障的關(guān)聯(lián)

一、思維導(dǎo)圖

二、熒光探針的分類(lèi)與核心應(yīng)用（2020-2025年）

該綜述按設(shè)計(jì)策略將探針?lè)譃閮深?lèi)：

• 單標(biāo)志物激活型探針

這類(lèi)探針以單一生物標(biāo)志物為檢測(cè)目標(biāo)，通過(guò)特異性響應(yīng)位點(diǎn)與目標(biāo)分子作用產(chǎn)生熒光信號(hào)，核心應(yīng)用聚焦于活性氧（ROS）、活性硫（RSS）及相關(guān)酶類(lèi)的精準(zhǔn)檢測(cè)，具體特性如下：

• 檢測(cè)目標(biāo)：涵蓋多類(lèi)與腦缺血再灌注損傷（CIRI）相關(guān)的生物分子，包括 ROS（過(guò)氧化氫 H?O?、次氯酸 HClO、羥基自由基?OH、過(guò)氧亞硝基陰離子 ONOO?、超氧陰離子 O???）、RSS（谷胱甘肽 GSH、半胱氨酸 Cys、高半胱氨酸 Hcy 等生物硫醇），以及酶類(lèi)（硫氧還蛋白還原酶 TrxR1/2、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 NAD (P) H）。

• 核心設(shè)計(jì)：采用特異性響應(yīng)基團(tuán)實(shí)現(xiàn)靶向識(shí)別，如硼酸苯酯（識(shí)別 H?O?）、酰肼（識(shí)別 HClO）、二硒鍵（識(shí)別 RSS）、二硫雜環(huán)戊烷（識(shí)別 TrxR）等；結(jié)合分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（ICT）、鍵能轉(zhuǎn)移（TBET）、熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）、氫原子轉(zhuǎn)移（HAT）等光學(xué)響應(yīng)機(jī)制，提升信號(hào)靈敏度與特異性。

• 關(guān)鍵特性：部分探針具備近紅外成像能力，有效降低生物組織干擾；通過(guò)修飾親疏水平衡基團(tuán)、優(yōu)化分子理化性質(zhì)，提升血腦屏障（BBB）穿透性，部分探針體外 BBB 穿透率達(dá) 57%（如探針 12）；檢測(cè)限極低，最低可達(dá) 3.88 nM（如檢測(cè) O???的探針 14），熒光增強(qiáng)倍數(shù)范圍為 30-425 倍，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)分子的實(shí)時(shí)、原位監(jiān)測(cè)；部分探針具備亞細(xì)胞靶向性（線粒體、溶酶體），進(jìn)一步提升檢測(cè)精準(zhǔn)度。

• 微環(huán)境響應(yīng)協(xié)同型探針

這類(lèi)探針針對(duì) CIRI 過(guò)程中微環(huán)境參數(shù)（pH、黏度）與生物標(biāo)志物的協(xié)同變化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)多參數(shù)同步檢測(cè)，核心應(yīng)用及特性如下：

• 檢測(cè)目標(biāo)：聚焦微環(huán)境參數(shù)與生物標(biāo)志物的協(xié)同監(jiān)測(cè)，包括 pH 與 ONOO?（關(guān)聯(lián)自噬過(guò)程）、黏度與 ROS（O???、H?O?）等。

• 核心設(shè)計(jì)：基于微環(huán)境變化與生物標(biāo)志物的級(jí)聯(lián)反應(yīng)機(jī)制構(gòu)建，如 pH 協(xié)同型探針（探針 26）通過(guò) “ONOO?氧化激活 + 酸性環(huán)境質(zhì)子化增強(qiáng)” 的雙激活機(jī)制，實(shí)現(xiàn)自噬過(guò)程的全程監(jiān)測(cè)；黏度協(xié)同型探針通過(guò)限制二面角旋轉(zhuǎn)響應(yīng)黏度變化，同時(shí)整合 ROS 識(shí)別位點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)獨(dú)立檢測(cè)（如探針 28 通過(guò)不同波長(zhǎng)熒光信號(hào)區(qū)分線粒體黏度與 O???水平）。

• 關(guān)鍵特性：具備高時(shí)空分辨率，可捕捉 CIRI 過(guò)程中微環(huán)境與生物標(biāo)志物的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)；部分探針（如探針 30）采用近紅外熒光發(fā)色團(tuán)， Stokes 位移達(dá) 290 nm，有效減少自吸收干擾；通過(guò)優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)線粒體、溶酶體等亞細(xì)胞靶向，且 BBB 穿透性優(yōu)異，可在活體腦內(nèi)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)成像；熒光響應(yīng)顯著，如探針 30 對(duì)黏度的熒光增強(qiáng)倍數(shù)達(dá) 418 倍，能清晰反映 CIRI 過(guò)程中氧化應(yīng)激與微環(huán)境變化的關(guān)聯(lián)。

三、探針的核心設(shè)計(jì)優(yōu)化與優(yōu)勢(shì)

• 響應(yīng)位點(diǎn)優(yōu)化：通過(guò)引入硼酸苯酯（H?O?識(shí)別）、二硒鍵（RSS 識(shí)別）、酰肼（HClO 識(shí)別）等特異性響應(yīng)基團(tuán)，提升探針對(duì)目標(biāo)分子的選擇性。

• BBB穿透性提升：通過(guò)修飾親疏水平衡基團(tuán)（如三乙二醇單甲醚）、優(yōu)化分子量和電荷，部分探針實(shí)現(xiàn)高效 BBB 穿透，如探針 12 的體外 BBB 穿透率達(dá) 57%，探針 13 的Papp 值達(dá) 1.4623×10?? cm/s。

• 光學(xué)性能升級(jí)：采用近紅外熒光發(fā)色團(tuán)、比率型成像、化學(xué)發(fā)光 / 生物發(fā)光技術(shù)，降低生物組織干擾，提升信號(hào)信噪比；部分探針 Stokes 位移達(dá) 155 nm（探針 6）、290 nm（探針 30），有效減少光譜重疊。

• 功能拓展：部分探針實(shí)現(xiàn) “檢測(cè) - 標(biāo)記”“成像 - 治療” 協(xié)同，如探針 11 在檢測(cè) ONOO?的同時(shí)釋放 CO 發(fā)揮抗氧化保護(hù)作用。

四、現(xiàn)存挑戰(zhàn)

個(gè)體差異適配難題：小分子探針靈敏度極高，但生理狀態(tài)下 ROS 濃度動(dòng)態(tài)范圍廣，易出現(xiàn)信號(hào)飽和，需開(kāi)發(fā)可調(diào)反應(yīng)閾值的智能系統(tǒng)。

體內(nèi)分布不均問(wèn)題：探針的藥代動(dòng)力學(xué)（分子量、電荷、溶解度）調(diào)控不足，導(dǎo)致目標(biāo)位點(diǎn)富集量不足，影響檢測(cè)準(zhǔn)確性。

微環(huán)境適應(yīng)性有限：現(xiàn)有探針多針對(duì)單一微環(huán)境參數(shù)（pH / 黏度），對(duì) CIRI 過(guò)程中動(dòng)態(tài)變化的復(fù)雜微環(huán)境（多參數(shù)協(xié)同變化）適配性不足。

臨床轉(zhuǎn)化瓶頸：探針的長(zhǎng)期生物相容性、規(guī)?；铣晒に嚒Ⅲw內(nèi)代謝與清除機(jī)制尚未完全明確，缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的臨床轉(zhuǎn)化評(píng)估體系。

五、未來(lái)展望

技術(shù)融合創(chuàng)新：結(jié)合人工智能實(shí)現(xiàn)探針?lè)肿釉O(shè)計(jì)優(yōu)化與篩選，加速研發(fā)周期；融合多模態(tài)成像技術(shù)，提升 CIRI 病理機(jī)制解析的精準(zhǔn)度。

功能一體化發(fā)展：開(kāi)發(fā) “成像 - 診斷 - 治療 - 監(jiān)測(cè)” 一體化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn) CIRI 的精準(zhǔn)診療協(xié)同。

臨床轉(zhuǎn)化推進(jìn)：建立統(tǒng)一的探針療效與生物安全性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，明確規(guī)?；铣膳c體內(nèi)代謝機(jī)制，推動(dòng)探針從預(yù)臨床研究向臨床應(yīng)用轉(zhuǎn)化。

應(yīng)用場(chǎng)景拓展：實(shí)現(xiàn)手術(shù)中腦組織結(jié)構(gòu)活性的實(shí)時(shí)評(píng)估，為 CIRI 相關(guān)疾病的個(gè)體化治療提供技術(shù)支撐。

4.關(guān)鍵問(wèn)題

問(wèn)題 1：近五年（2020-2025 年）CIRI 研究中，單標(biāo)志物激活型熒光探針的核心檢測(cè)目標(biāo)及代表性響應(yīng)機(jī)制是什么？

答案：核心檢測(cè)目標(biāo)包括三類(lèi)：①ROS（H?O?、HClO、·OH、ONOO?、O??·）；②RSS（GSH、Cys、Hcy等生物硫醇）；③酶類(lèi)（硫氧還蛋白還原酶 TrxR1/2、NAD (P) H）。代表性響應(yīng)機(jī)制包括：硼酸苯酯與 H?O?的親核攻擊 - 酯鍵斷裂反應(yīng)、二硒鍵與 RSS 的硒硫交換反應(yīng)、酰肼與 HClO 的氧化反應(yīng)，以及分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（ICT）、鍵能轉(zhuǎn)移（TBET）、熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）、氫原子轉(zhuǎn)移（HAT）等光學(xué)響應(yīng)機(jī)制。

問(wèn)題 2：為解決 BBB 穿透性差的關(guān)鍵問(wèn)題，熒光探針采取了哪些優(yōu)化策略？這些策略帶來(lái)了哪些具體效果？

答案：優(yōu)化策略主要包括：①修飾親疏水平衡基團(tuán)（如三乙二醇單甲醚）；②優(yōu)化分子理化性質(zhì)（分子量、電荷、脂水分配系數(shù) Log P）；③引入腦靶向基團(tuán)（如組胺受體激動(dòng)劑藥效團(tuán)）。具體效果：部分探針實(shí)現(xiàn)高效 BBB 穿透，如探針 12 的Log P=2.04，體外 BBB 穿透率達(dá) 57%；探針 13 的 Log P=2.02，Papp 值達(dá) 1.4623×10?? cm/s；探針 14 的 BBB 滲透率達(dá) 1.436×10?? cm?s?1，可有效富集于腦內(nèi)損傷區(qū)域并實(shí)現(xiàn)目標(biāo)分子成像。

問(wèn)題 3：當(dāng)前 CIRI 相關(guān)熒光探針面臨的核心轉(zhuǎn)化瓶頸是什么？未來(lái)突破方向有哪些？

答案：核心轉(zhuǎn)化瓶頸包括：①長(zhǎng)期生物相容性未明確，缺乏規(guī)?；铣晒に?；②體內(nèi)代謝途徑與清除機(jī)制研究不足，潛在生物安全性風(fēng)險(xiǎn)；③缺乏統(tǒng)一的療效與生物安全性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，難以從預(yù)臨床向臨床轉(zhuǎn)化。未來(lái)突破方向：①開(kāi)展探針長(zhǎng)期生物相容性、體內(nèi)代謝機(jī)制的系統(tǒng)研究，優(yōu)化規(guī)模化合成工藝；②建立標(biāo)準(zhǔn)化的探針性能評(píng)估體系（包括靈敏度、特異性、生物安全性等指標(biāo)）；③開(kāi)發(fā) “診療一體化” 探針平臺(tái)，結(jié)合光動(dòng)力治療等功能，提升臨床應(yīng)用價(jià)值；④融合人工智能與多模態(tài)成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)探針?lè)肿拥木珳?zhǔn)設(shè)計(jì)與病理機(jī)制的深度解析。

原文鏈接：10.1021/cbmi.5c00254

（來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)版權(quán)屬原作者 謹(jǐn)致謝意）