花青染料（cyanine）作为构建荧光探针的重要核心，还具有一定的光疗潜力。此外，cyanine与其他治疗剂偶联（共价结合），不仅可以提高治疗效果，而且拓宽了对于治疗模式的选择。我们此前曾分享过北京大学戴志飞教授团队关于cyanine用于生物医学影像探针研究的综述性文章（详情请见 花青偶联物用于生物医学影像探针的研究 ）。在此基础上，戴教授团队进一步关注了cyanine-治疗剂偶联物在癌症治疗诊断学中运用的进展，并进行了详细的分类与整理，希望此次的分享能够为相关领域科研工作者们的研究提供助益。

• 癌症治疗诊断学的概念

异质性、转移性和治疗抵抗等因素的共同作用，使癌症成为世界范围内导致死亡的一种主要疾病。为应对这些挑战，研究人员逐步开发出一种将“诊断成像”与“治疗干预”相结合的新型模式，称为癌症治疗诊断学，要求治疗诊断试剂应当作为一个独立的集成系统，同时具备治疗和诊断能力。这样的系统通常由治疗剂和造影剂组成，有时还会进一步添加用以增强肿瘤靶向效果的“弹头”。除具备基本的治疗效果外，该系统还可以从复杂的生物系统中提取实时诊断信息，因此具有令人期待的应用前景。

cyanine是聚甲炔染料家族的一个子类，与其他荧光染料相比，具有高摩尔吸收率、窄吸收/发射带、紫外/可见光（UV/Vis）及近红外（NIR）范围的光谱分布，优良的生物相容性和低毒性等优点。具备光转换能力的cyanine本身可作为光疗剂用于研究。而与其他强效治疗剂偶联，则可进一步提高药物的治疗效果，拓宽治疗模式。当需要在生命系统中发挥作用、特别是需要进行体内表征时，最好选择NIR生物窗范围（> 650 nm）发射的cyanine用于偶联，因为该波段的荧光信号具有深层组织穿透性、光毒性较小、光散射减少以及自发荧光最小等固有优势。

在cyanine-治疗剂偶联物中，cyanine主要作为诊断工具来发挥作用。根据偶联物的治疗模式，可将其分为化疗、光疗和靶向治疗等类型，此外还包括可用于递送治疗剂的cyanine纳米载体等，分述如下。

化疗是一种利用抗癌药物（化疗药物）治疗癌症的传统方法。抗癌药物的抗肿瘤作用源于对快速分裂细胞的毒性，因为肿瘤通常以不受控制的增殖为特征。由于无法区分其他快速分裂细胞（非选择性），化疗可引起恶心、呕吐、骨髓抑制、脱发等诸多不良反应。为避免这些缺陷，将抗癌药物与具有肿瘤亲和性的七甲炔cyanine偶联、用于肿瘤靶向递送是一种合理的解决办法。在治疗过程中，cyanine-化疗剂偶联物还可以提供评估化疗状态的信息。

目前，已报道的可用于cyanine偶联物配方的化疗药物有：抗代谢药（如，甲氨蝶呤、吉西他滨），烷化剂（如，氮芥、顺铂、替莫唑胺），拓扑异构酶抑制剂（如，喜树碱），有丝分裂抑制剂（如，紫杉醇）等。其结合过程通常会利用药物分子上的先天反应基团来促进生物相容性酯或酰胺键的形成。

此外，通过在肿瘤部位给与内部或外部刺激，选择性激活前体药物的策略，可以达到降低脱靶毒性和提高化疗效果的目的。内部刺激，包括肿瘤细胞或肿瘤微环境中固有的条件，如低pH、缺氧、ROS、过度表达的酶等；外部刺激，包括人为施加的光照、温度等条件。

以前体药物策略设计cyanine-化疗剂偶联物，可将其转变为具有“应激性”的治疗诊断剂（在正常组织中保持无活性，在肿瘤部位被激活并分解释放药物），如此一来，不仅可以起到可控的化疗效果，还可以监测药物的生物分布和活化情况。

cyanine染料在偶联和非偶联状态下会表现出不同的光谱特征，更加支持了利用前体药物进行激活/监测的机制。例如，GSH水平在各种癌症中升高的特点，经常被用作前体药物设计中的内部刺激因素，可以此来设计能够被GSH切割的二硫键接头结构：如，将IR780通过含二硫键的接头与甲氨蝶呤偶联，在GSH促进裂解后，cyanine和甲氨蝶呤之间的分子内电荷转移被破坏，导致654 nm处的初始峰消失，在802 nm处出现新的吸收峰，而750nm处的荧光峰也会转移到808 nm处。因此可对其同时进行生物分布（λex = 640 nm ）和生物活化（λex = 745 nm ）的监测。对其他指标的分析表明，与单独的甲氨蝶呤相比，该前体药物具有更加优异的肿瘤靶向能力和更好的抗肿瘤效果。

图1. 静脉注射偶联药物后，在指定时间点、通过生物分布(640 nm)和活化(745 nm)通道分别监测MCF-7异种移植小鼠模型的体内NIRF成像（左）以及正常器官和肿瘤的离体NIRF成像（右）结果。

另一方面，在一些设计中，利用光照可以使药物从cyanine偶联物中释放，有利于对前体药物的激活进行控制。NIR光因其深层组织穿透力和最小的光细胞毒性而尤其适合应用此策略。例如，一种基于光裂解cyanine支架进行药物释放的笼状喜树碱前体药物，其聚甲炔链发生光氧化裂解，诱导笼状链发生自我消解并最终释放药物。通过820 nm发射光通道可追踪前体药物的生物分布；而在680 nm光照下，前体药物发生分解，产生535 nm的新发射峰，可用于评估药物的活化状态。

图1. 静脉注射偶联药物后，在指定时间点、通过生物分布(640 nm)和活化(745 nm)通道分别监测MCF-7异种移植小鼠模型的体内NIRF成像（左）以及正常器官和肿瘤的离体NIRF成像（右）结果。

另一方面，在一些设计中，利用光照可以使药物从cyanine偶联物中释放，有利于对前体药物的激活进行控制。NIR光因其深层组织穿透力和最小的光细胞毒性而尤其适合应用此策略。例如，一种基于光裂解cyanine支架进行药物释放的笼状喜树碱前体药物，其聚甲炔链发生光氧化裂解，诱导笼状链发生自我消解并最终释放药物。通过820 nm发射光通道可追踪前体药物的生物分布；而在680 nm光照下，前体药物发生分解，产生535 nm的新发射峰，可用于评估药物的活化状态。

图3. 将IR-808与PEG/BPEI双功能化的NGO结合得到偶联物，右图显示其在肿瘤靶向成像和协同光疗中的效用。

靶向治疗：cyanine作为偶联接头

分子生物学和泛组学分析（如基因组学、蛋白质组学）的进步，有助于识别癌细胞中各种异常或过度表达的分子靶标。针对这些靶标进行药物设计，可以特异性地阻断肿瘤进展并减少不良反应，这构成了靶向治疗的概念。

目前已有许多肿瘤相关靶点得到验证并用于药物研发。对于这些靶点，有两种主要类型的靶向治疗物可用于cyanine偶联，包括单克隆抗体（mAb）和小分子抑制剂。其中，cyanine-mAbs偶联物在相关报道中主要作为荧光探针用于靶向分子成像。另一方面，将源自mAb的抗体-药物偶联物（ADC）与cyanine结合成为治疗诊断剂，正逐渐成为新的研究亮点。

在ADC中，抗体作为靶向弹头，用于准确地递送化疗药物。通常，偶联结构中的接头对于ADC的性能有着至关重要的作用，需要具备两个基本特性：①在体循环中保持稳定，以避免脱靶药物释放；②在ADC内化时快速切割以释放药物。将cyanine骨架作为ADC结构中的接头是一种开创性的设计思路，可以通过NIR光触发的光氧化裂解实现对于药物的按需释放。


图4. NIR光触发药物从ADC中释放的机制，其中七甲炔cyanine作为接头。将A431肿瘤植入小鼠背部两侧，注射偶联药物两天后，仅对左侧肿瘤进行不同剂量的690 nm光照射，活体NIRF成像结果如图所示。
另一方面，小分子抑制剂通常会中断细胞内的信号转导，这种抑制作用主要是由于其占据了目标蛋白的功能域。大多数小分子抑制剂靶向蛋白激酶，如达沙替尼就是一种临床可用的酪氨酸激酶抑制剂（TKI），可用于治疗慢性粒细胞白血病和急性淋巴细胞白血病。利用达沙替尼构建的cyanine偶联物，可以增强药物向肿瘤靶向递送的效果。

cyanine偶联物作为纳米载体

与上述直接和治疗剂结合的情况相比，cyanine还可以被选择性地制成纳米载体偶联物，用于传递治疗剂，包括化疗剂、基因等。根据纳米载体的结构和组成，可以通过静电/疏水相互作用、共价或非共价的方式来固定或封装药物。这些纳米治疗剂具有显著的肿瘤选择性，包括被动靶向、通过配体介导的相互作用进行主动靶向，以及通过内在或外在刺激触发药物释放。

多样化的纳米载体平台，也为cyanine的偶联提供了巨大的可能性，例如，将cyanine染料与亲水聚合物分子偶联，在水溶液中可自组装为双层纳米粒子结构，可有效地装载甲氨蝶呤（包封率＞40%），并表现出显著的抗肿瘤活性。

在肿瘤靶向基因递送方面，有研究团队构建了一种IR783-b2kPEI偶联物作为荧光纳米载体，其中聚阳离子PEI支架负责与带负电荷的核酸产生互作。该载体显示出良好的向核胞内转运特性，并被认定为是一种有效的肿瘤靶向转染剂，可在小鼠异种移植模型中同时检测NIRF信号以及通过荧光素酶监测基因表达。

图5. IR783-b2kPEI偶联物与表达荧光素酶的pGL3质粒复合，用于转染G361肿瘤异种移植小鼠；尾静脉注射该复合物后24 h，对解剖肿瘤进行NIRF成像（上图）和生物发光成像（下图）。

技术展望
      通过戴教授及其团队成员的辛勤工作，我们可以较为清晰地了解到目前已有的、可参与癌症治疗诊断系统偶联设计的治疗剂及其相应的偶联策略，在此表示诚挚的感谢！
      在利用荧光成像技术进行癌症治疗诊断系统研发的过程中，荧光信号的有限穿透深度降低了大多数cyanine偶联物的诊断价值。此外，cyanine的光稳定性较差，无法进行长时间实时监测等阻碍，使其更适合在连续时间点内进行成像。另一方面，对于传统的平面荧光成像结果，其有效性会受到z轴信息不足的影响。因此，研究人员还需要利用更加先进的成像技术来解决上述问题。
       对此，戴教授着重提到了一种新型的“临床前多模态活体成像平台FLECT/CT”，将其作为优秀的下一代成像解决方案予以介绍：该成像平台可以在单次采集的过程中，同步收集活体小鼠的CT和荧光数据，以进行全角度的3D断层成像，使研究人员可以最大限度地利用从成像结果中获取的信息。





图6. FLECT/CT系统利用激光激发已进行NIR标记的样品，以探测器环环绕的方式在样品周围收集发射光信号。随着机体位置的不断改变，完成从单层采集到3D采集再到重建与可视化分析的全方位扫描过程。同轴一体的CT模块为光学信号提供精确的解剖学参考。

若您想要了解更多关于 FLECT/CT系统的内容，或预约使用FLECT/CT设备进行相关实验，欢迎您通过以下方式联系我们：

孙元元（技术部）
Tel：13810818543
柴丹（销售部）
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张婷瑞（应用工程师）
Tel：13910490151
联系邮箱：sales@bio-one.cn

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https://www.trifoilimaging.com
http://www.bio-one.cn/cn/product/ygdccx/ygdccx.htm

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