肝缺血再灌注损伤（HIRI）是肝脏手术、移植等临床场景中常见的并发症，常导致急性肾损伤（AKI），但传统成像技术难以同时无创监测这两种互相关联的疾病。本研究开发了一种单分子近红外化学发光报告器CAR，通过级联激活机制，实现了对HIRI及其诱导的AKI的高灵敏度、无串扰双重成像。CAR探针在肝脏中特异性响应超氧阴离子（O₂⁻）后自剪切释放次级报告器，后者在肾脏中检测N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶（NAG），从而提供延长的成像窗口和尿液分析能力，为深入理解肝-肾轴病理机制提供了新工具。

本研究成果由Bankang Ruan、Weiliang Deng、Jingjing Che、Shujuan Yi、Jie Liu、Weiping Xu、Yuyan Jiang、Ya zhou、Pan Xie、Huhai Zhang、Hongwen Zhao和Jiaguo Huang共同完成。论文题为“Unimolecular near-infrared chemiluminescent reporter for cascaded multiplex imaging of ischemia-reperfusion injury in the liver-kidney axis”，于2025年在《Nature Communications》期刊在线发表。

重要发现
01探针设计与化学发光团库构建
研究团队首先合成了一类基于半菁骨架的化学发光团（HCLs），通过将双环二氧杂环丁烷与扩展π共轭的吲哚衍生物结合，实现了发射波长从725 nm到1025 nm的可调控近红外发光。其中，HCL1（发射峰725 nm）和HCL5（发射峰1025 nm）因光谱重叠最小被选为构建CAR探针的基础单元。理论计算表明，HCLs的HOMO-LUMO能隙随共轭扩展而减小，与发射波长红移趋势一致，为长波长化学发光探针设计提供了理论依据。

创新与亮点
本研究的核心创新在于突破了传统探针单靶点响应的局限，首次设计出可级联激活的单分子双模态探针。这一设计解决了互关联疾病成像中探针药代动力学不匹配的难题，通过“触发-释放”逻辑实现了多器官信号的同步捕获。

在技术层面，团队通过扩展HCLs的共轭体系，将化学发光发射波长推至1025 nm的NIR-II窗口，显著提升了组织穿透深度。实验表明，HCL5的化学发光信号在3 cm厚组织下仍可检测，信噪比是可见光探针的10倍以上。这种长波长发光特性为深部病灶成像提供了可能。

在实际应用价值上，CAR探针不仅为HIRI诱导的AKI提供了早期诊断工具，还开辟了“尿液指纹”分析的新途径。临床中，医生可通过尿液样本快速评估肝损伤严重程度，无需复杂影像设备。此外，该探针设计策略可推广至其他关联疾病模型（如化疗相关性肾损伤、肠-肝轴疾病），为精准医疗提供分子影像支持。

总结与展望
本论文开发的CAR探针通过巧妙的级联设计，实现了对肝-肾轴疾病的高信噪比、长时程成像，突出了单分子探针在复杂病理环境中的独特优势。未来工作可围绕三方面展开：一是进一步优化探针药代动力学，提升其在大型动物模型中的成像效果；二是拓展探针响应靶点，用于感染、肿瘤等疾病的多 biomarker 同步监测；三是推动临床转化，开发配套便携式检测设备，实现床旁快速诊断。总体而言，该研究为光学分子影像领域提供了新范式，有望推动活体诊断技术的革新。

DOI:10.1038/s41467-025-62348-y.