本研究由Wei Qin、Honghui Li、Jiali Chen、Yang Qiu、Limin Ma、Liming Nie完成，论文题为《Amphiphilic hemicyanine molecular probes crossingthe blood-brain barrier for intracranial optical imaging of glioblastoma》，于2025年1月发表在《ScienceAdvances》期刊，发布。

重要发现
本研究核心是构建血脑屏障穿透型光学探针设计策略，并验证IVTPO在GBM颅内成像的高效性，实验围绕探针设计、性能验证、体内外成像逐步展开。

在探针设计与光学性能优化上，团队合成IVPM、IVTM、IVTPO三种半花菁染料，它们有相同电子受体（吲哚鎓离子），但电子给体为不同芳香胺或噻吩单元。D-π-A结构能促进分子内电荷从给体向受体转移，让探针拥有更强光吸收与红移发射波长，适配深层组织成像。同时，通过结构调控，三种探针分子量均小于500Da，其中IVTPO的logP为0.41，高于商用硫黄素T（0.16），这种两亲性（疏水骨架结合亲水带电基团）让它既能与生物膜作用，又能在体液中溶解，为穿透血脑屏障打下基础。

光学测试显示，IVTPO在二甲基亚砜（DMSO）中吸收峰572nm，摩尔吸光系数达12.29×10⁴M⁻¹cm⁻¹（数值越高成像越灵敏），发射峰635nm，斯托克斯位移63nm，吸收与发射光谱重叠少，避免自身荧光干扰；且光稳定性远超商用AOI987，连续激光照射90分钟荧光强度几乎无下降，满足长时间实时成像需求。

血脑屏障穿透能力验证中，体外用Transwell构建血脑屏障模型（上层模拟血液侧，下层模拟脑侧），将IVTPO与EB（阴性对照）、AOI987（阳性对照）对比。孵育30分钟，下层肉眼可见IVTPO扩散色，120分钟时跨细胞扩散效率达27%，与AOI987（26%）相当，远高于EB（仅2%）。体内实验中，健康小鼠静脉注射IVTPO后10-30分钟，脑内出现强荧光；解剖发现探针不仅在脑血管中，还进入脑实质，而注射EB的小鼠脑内几乎无荧光，证实IVTPO能穿透完整血脑屏障。

细胞与体内安全性测试中，选用U87-MG细胞（人GBM细胞）和巨噬细胞为模型，孵育IVTPO后，两种细胞内均现强荧光，说明探针能被肿瘤相关细胞有效摄取，为靶向成像提供支撑；孵育24小时，即便探针浓度达100μg/ml，用碘化丙啶（PI，标记死细胞）染色也几乎无红色荧光，细胞毒性极低。对小鼠连续30天静脉注射IVTPO后，取心、肝、脾、肺、肾、脑做病理切片，未发现水肿、充血、炎症等异常，验证了体内生物安全性，为临床应用排除毒性顾虑。GBM成像与诊断实验中，先建立GBM荷瘤小鼠模型（脑内注射荧光标记U87-MG细胞），再通过荧光和光声双模态成像观察。

荧光成像显示，注射IVTPO后1小时，脑内肿瘤区域荧光信号与肿瘤自身生物发光信号完全重合，精准定位肿瘤；解剖发现，除肝、肾（代谢器官）外，探针主要富集在脑肿瘤，靶向性突出。光声成像解决传统荧光成像穿透浅的问题，结合光的高灵敏度与声音的深穿透性，穿透深度达几厘米，透过完整颅骨就能成像：既能清晰显示肿瘤位置形态，还能观察肿瘤血管细节——肿瘤区域血管直径注射后显著增大，正常脑区无变化，反映肿瘤血管异常增生；更关键的是，肿瘤早期（BBB未破坏，EB无法渗漏），IVTPO就能在肿瘤附近脑血管旁检测到异常渗漏信号，对应肿瘤细胞引发的微小血管损伤，而EB直到肿瘤晚期BBB严重破坏才渗漏，这意味着IVTPO能更早发现GBM，为早期诊断争取时间。

不同肿瘤阶段成像对比中，早期肿瘤（7-9周）形态不明显，EB无渗漏，但IVTPO可显示血管旁异常信号；中期（9-11周）肿瘤形态清晰，EB仍无明显渗漏，IVTPO能呈现肿瘤边界、形态及新生血管；晚期（11-13周）BBB破坏，EB开始渗漏，但IVTPO成像分辨率更高，能观察肿瘤血管紊乱结构。定量分析显示，相同条件下IVTPO光声信号强度高于EB，且能连续120分钟实时监测肿瘤变化，为追踪GBM进展提供动态工具。

创新与亮点
01突破“血脑屏障穿透难”的行业痛点
传统商用光学染料（如罗丹明、菁类、EB）因分子量大或亲脂性不适，几乎无法穿透血脑屏障——EB分子量较大，还需结合血清白蛋白运输，完全被完整血脑屏障阻挡。而本研究通过D-π-A结构精准调控，让IVTPO兼具小分子量（<500Da）与适宜两亲性（logP=0.41），既避免亲脂性过强的细胞毒性，又解决亲水性过强无法穿透生物膜的问题，最终实现完整血脑屏障的有效穿透，填补“血脑屏障穿透型光学探针”空白，让颅内肿瘤光学成像从“不可能”变为“可能”。

02突破“成像深度与分辨率难以兼顾”的技术瓶颈
传统荧光成像分辨率高但穿透浅，观察颅内肿瘤需开颅手术——这种有创操作会破坏血脑屏障，引发出血、感染，还导致成像失真。本研究采用荧光、光声双模态成像：荧光成像负责高分辨率定位，光声成像借声波深穿透优势，将成像深度提升至几厘米，无需开颅就能透过完整颅骨观察颅内肿瘤。实际成像中，不仅能清晰显示肿瘤宏观位置，还能分辨直径15.7μm的微小毛细血管及肿瘤血管异常增生，实现“深穿透”与“高分辨率”兼顾，让非侵入式颅内肿瘤成像成为现实。

总结与展望
本研究设计合成基于D-π-A结构的半花菁探针，筛选出IVTPO最优探针，它兼具优异光学性能（高摩尔吸光系数、良好光稳定性、适配荧光、光声信号）、高效血脑屏障穿透能力及低毒性，可透过完整颅骨对GBM进行非侵入式荧光、光声双模态成像，既能精准定位肿瘤、观察血管变化，还能在血脑屏障破坏前早期发现肿瘤相关渗漏，成像效果与靶向性均优于商用EB。

展望未来，IVTPO有望进一步拓展应用场景，如结合影像引导手术提升肿瘤切除精度，或开发为光动力、光热治疗载体实现“诊断-治疗”一体化；同时，其设计策略可指导更多血脑屏障穿透型探针研发，推动颅内肿瘤光学成像技术临床转化，为GBM等中枢神经系统疾病诊疗提供更高效、安全的工具。

DOI:10.1126/sciadv.adq5816.