花青染料（cyanine）作為構建熒光探針的重要核心，還具有一定的光療潛力。此外，cyanine與其他治療劑偶聯（共價結合），不僅可以提高治療效果，而且拓寬了對于治療模式的選擇。我們此前曾分享過北京大學戴志飛教授團隊關于cyanine用于生物醫學影像探針研究的綜述性文章（詳情請見 花青偶聯物用于生物醫學影像探針的研究 ）。在此基礎上，戴教授團隊進一步關注了cyanine-治療劑偶聯物在癌癥治療診斷學中運用的進展，并進行了詳細的分類與整理，希望此次的分享能夠為相關領域科研工作者們的研究提供助益。

• 癌癥治療診斷學的概念

異質性、轉移性和治療抵抗等因素的共同作用，使癌癥成為世界范圍內導致死亡的一種主要疾病。為應對這些挑戰，研究人員逐步開發出一種將“診斷成像”與“治療干預”相結合的新型模式，稱為癌癥治療診斷學，要求治療診斷試劑應當作為一個獨立的集成系統，同時具備治療和診斷能力。這樣的系統通常由治療劑和造影劑組成，有時還會進一步添加用以增強腫瘤靶向效果的“彈頭”。除具備基本的治療效果外，該系統還可以從復雜的生物系統中提取實時診斷信息，因此具有令人期待的應用前景。

cyanine是聚甲炔染料家族的一個子類，與其他熒光染料相比，具有高摩爾吸收率、窄吸收/發射帶、紫外/可見光（UV/Vis）及近紅外（NIR）范圍的光譜分布，優良的生物相容性和低毒性等優點。具備光轉換能力的cyanine本身可作為光療劑用于研究。而與其他強效治療劑偶聯，則可進一步提高藥物的治療效果，拓寬治療模式。當需要在生命系統中發揮作用、特別是需要進行體內表征時，最好選擇NIR生物窗范圍（> 650 nm）發射的cyanine用于偶聯，因為該波段的熒光信號具有深層組織穿透性、光毒性較小、光散射減少以及自發熒光最小等固有優勢。

在cyanine-治療劑偶聯物中，cyanine主要作為診斷工具來發揮作用。根據偶聯物的治療模式，可將其分為化療、光療和靶向治療等類型，此外還包括可用于遞送治療劑的cyanine納米載體等，分述如下。

化療是一種利用抗癌藥物（化療藥物）治療癌癥的傳統方法。抗癌藥物的抗腫瘤作用源于對快速分裂細胞的毒性，因為腫瘤通常以不受控制的增殖為特征。由于無法區分其他快速分裂細胞（非選擇性），化療可引起惡心、嘔吐、骨髓抑制、脫發等諸多不良反應。為避免這些缺陷，將抗癌藥物與具有腫瘤親和性的七甲炔cyanine偶聯、用于腫瘤靶向遞送是一種合理的解決辦法。在治療過程中，cyanine-化療劑偶聯物還可以提供評估化療狀態的信息。

目前，已報道的可用于cyanine偶聯物配方的化療藥物有：抗代謝藥（如，甲氨蝶呤、吉西他濱），烷化劑（如，氮芥、順鉑、替莫唑胺），拓撲異構酶抑制劑（如，喜樹堿），有絲分裂抑制劑（如，紫杉醇）等。其結合過程通常會利用藥物分子上的先天反應基團來促進生物相容性酯或酰胺鍵的形成。

此外，通過在腫瘤部位給與內部或外部刺激，選擇性激活前體藥物的策略，可以達到降低脫靶毒性和提高化療效果的目的。內部刺激，包括腫瘤細胞或腫瘤微環境中固有的條件，如低pH、缺氧、ROS、過度表達的酶等；外部刺激，包括人為施加的光照、溫度等條件。

以前體藥物策略設計cyanine-化療劑偶聯物，可將其轉變為具有“應激性”的治療診斷劑（在正常組織中保持無活性，在腫瘤部位被激活并分解釋放藥物），如此一來，不僅可以起到可控的化療效果，還可以監測藥物的生物分布和活化情況。

cyanine染料在偶聯和非偶聯狀態下會表現出不同的光譜特征，更加支持了利用前體藥物進行激活/監測的機制。例如，GSH水平在各種癌癥中升高的特點，經常被用作前體藥物設計中的內部刺激因素，可以此來設計能夠被GSH切割的二硫鍵接頭結構：如，將IR780通過含二硫鍵的接頭與甲氨蝶呤偶聯，在GSH促進裂解后，cyanine和甲氨蝶呤之間的分子內電荷轉移被破壞，導致654 nm處的初始峰消失，在802 nm處出現新的吸收峰，而750nm處的熒光峰也會轉移到808 nm處。因此可對其同時進行生物分布（λex = 640 nm ）和生物活化（λex = 745 nm ）的監測。對其他指標的分析表明，與單獨的甲氨蝶呤相比，該前體藥物具有更加優異的腫瘤靶向能力和更好的抗腫瘤效果。

圖1. 靜脈注射偶聯藥物后，在指定時間點、通過生物分布(640 nm)和活化(745 nm)通道分別監測MCF-7異種移植小鼠模型的體內NIRF成像（左）以及正常器官和腫瘤的離體NIRF成像（右）結果。

另一方面，在一些設計中，利用光照可以使藥物從cyanine偶聯物中釋放，有利于對前體藥物的激活進行控制。NIR光因其深層組織穿透力和最小的光細胞毒性而尤其適合應用此策略。例如，一種基于光裂解cyanine支架進行藥物釋放的籠狀喜樹堿前體藥物，其聚甲炔鏈發生光氧化裂解，誘導籠狀鏈發生自我消解并最終釋放藥物。通過820 nm發射光通道可追蹤前體藥物的生物分布；而在680 nm光照下，前體藥物發生分解，產生535 nm的新發射峰，可用于評估藥物的活化狀態。

圖1. 靜脈注射偶聯藥物后，在指定時間點、通過生物分布(640 nm)和活化(745 nm)通道分別監測MCF-7異種移植小鼠模型的體內NIRF成像（左）以及正常器官和腫瘤的離體NIRF成像（右）結果。

另一方面，在一些設計中，利用光照可以使藥物從cyanine偶聯物中釋放，有利于對前體藥物的激活進行控制。NIR光因其深層組織穿透力和最小的光細胞毒性而尤其適合應用此策略。例如，一種基于光裂解cyanine支架進行藥物釋放的籠狀喜樹堿前體藥物，其聚甲炔鏈發生光氧化裂解，誘導籠狀鏈發生自我消解并最終釋放藥物。通過820 nm發射光通道可追蹤前體藥物的生物分布；而在680 nm光照下，前體藥物發生分解，產生535 nm的新發射峰，可用于評估藥物的活化狀態。

圖3. 將IR-808與PEG/BPEI雙功能化的NGO結合得到偶聯物，右圖顯示其在腫瘤靶向成像和協同光療中的效用。

靶向治療：cyanine作為偶聯接頭

分子生物學和泛組學分析（如基因組學、蛋白質組學）的進步，有助于識別癌細胞中各種異常或過度表達的分子靶標。針對這些靶標進行藥物設計，可以特異性地阻斷腫瘤進展并減少不良反應，這構成了靶向治療的概念。

目前已有許多腫瘤相關靶點得到驗證并用于藥物研發。對于這些靶點，有兩種主要類型的靶向治療物可用于cyanine偶聯，包括單克隆抗體（mAb）和小分子抑制劑。其中，cyanine-mAbs偶聯物在相關報道中主要作為熒光探針用于靶向分子成像。另一方面，將源自mAb的抗體-藥物偶聯物（ADC）與cyanine結合成為治療診斷劑，正逐漸成為新的研究亮點。

在ADC中，抗體作為靶向彈頭，用于準確地遞送化療藥物。通常，偶聯結構中的接頭對于ADC的性能有著至關重要的作用，需要具備兩個基本特性：①在體循環中保持穩定，以避免脫靶藥物釋放；②在ADC內化時快速切割以釋放藥物。將cyanine骨架作為ADC結構中的接頭是一種開創性的設計思路，可以通過NIR光觸發的光氧化裂解實現對于藥物的按需釋放。


圖4. NIR光觸發藥物從ADC中釋放的機制，其中七甲炔cyanine作為接頭。將A431腫瘤植入小鼠背部兩側，注射偶聯藥物兩天后，僅對左側腫瘤進行不同劑量的690 nm光照射，活體NIRF成像結果如圖所示。
另一方面，小分子抑制劑通常會中斷細胞內的信號轉導，這種抑制作用主要是由于其占據了目標蛋白的功能域。大多數小分子抑制劑靶向蛋白激酶，如達沙替尼就是一種臨床可用的酪氨酸激酶抑制劑（TKI），可用于治療慢性粒細胞白血病和急性淋巴細胞白血病。利用達沙替尼構建的cyanine偶聯物，可以增強藥物向腫瘤靶向遞送的效果。

cyanine偶聯物作為納米載體

與上述直接和治療劑結合的情況相比，cyanine還可以被選擇性地制成納米載體偶聯物，用于傳遞治療劑，包括化療劑、基因等。根據納米載體的結構和組成，可以通過靜電/疏水相互作用、共價或非共價的方式來固定或封裝藥物。這些納米治療劑具有顯著的腫瘤選擇性，包括被動靶向、通過配體介導的相互作用進行主動靶向，以及通過內在或外在刺激觸發藥物釋放。

多樣化的納米載體平臺，也為cyanine的偶聯提供了巨大的可能性，例如，將cyanine染料與親水聚合物分子偶聯，在水溶液中可自組裝為雙層納米粒子結構，可有效地裝載甲氨蝶呤（包封率＞40%），并表現出顯著的抗腫瘤活性。

在腫瘤靶向基因遞送方面，有研究團隊構建了一種IR783-b2kPEI偶聯物作為熒光納米載體，其中聚陽離子PEI支架負責與帶負電荷的核酸產生互作。該載體顯示出良好的向核胞內轉運特性，并被認定為是一種有效的腫瘤靶向轉染劑，可在小鼠異種移植模型中同時檢測NIRF信號以及通過熒光素酶監測基因表達。

圖5. IR783-b2kPEI偶聯物與表達熒光素酶的pGL3質粒復合，用于轉染G361腫瘤異種移植小鼠；尾靜脈注射該復合物后24 h，對解剖腫瘤進行NIRF成像（上圖）和生物發光成像（下圖）。

技術展望
      通過戴教授及其團隊成員的辛勤工作，我們可以較為清晰地了解到目前已有的、可參與癌癥治療診斷系統偶聯設計的治療劑及其相應的偶聯策略，在此表示誠摯的感謝！
      在利用熒光成像技術進行癌癥治療診斷系統研發的過程中，熒光信號的有限穿透深度降低了大多數cyanine偶聯物的診斷價值。此外，cyanine的光穩定性較差，無法進行長時間實時監測等阻礙，使其更適合在連續時間點內進行成像。另一方面，對于傳統的平面熒光成像結果，其有效性會受到z軸信息不足的影響。因此，研究人員還需要利用更加先進的成像技術來解決上述問題。
       對此，戴教授著重提到了一種新型的“臨床前多模態活體成像平臺FLECT/CT”，將其作為優秀的下一代成像解決方案予以介紹：該成像平臺可以在單次采集的過程中，同步收集活體小鼠的CT和熒光數據，以進行全角度的3D斷層成像，使研究人員可以最大限度地利用從成像結果中獲取的信息。





圖6. FLECT/CT系統利用激光激發已進行NIR標記的樣品，以探測器環環繞的方式在樣品周圍收集發射光信號。隨著機體位置的不斷改變，完成從單層采集到3D采集再到重建與可視化分析的全方位掃描過程。同軸一體的CT模塊為光學信號提供精確的解剖學參考。

若您想要了解更多關于 FLECT/CT系統的內容，或預約使用FLECT/CT設備進行相關實驗，歡迎您通過以下方式聯系我們：

孫元元（技術部）
Tel：13810818543
柴丹（銷售部）
Tel：13810910943
田建華（應用工程師）
Tel：18302907782
張婷瑞（應用工程師）
Tel：13910490151
聯系郵箱：sales@bio-one.cn

您還可以通過訪問以下網站了解更多關于FLECT/CT系統的詳細介紹：

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

      北京博益偉業儀器有限公司，作為TriFoil Imaging在中國的銷售服務商和技術服務中心，致力于將其優越的活體三維熒光斷層掃描成像產品推薦給更多潛在的用戶，為廣大科研及醫療工作者的研究過程提供有力助力。歡迎您關注我們的微信公眾號以查看更多相關報道。歡迎您就產品、應用及實驗等感興趣的方面與我們交流。