陳 華,覃君霞,譚必穗,王 孜

(1.廣西師范大學(xué)化學(xué)與藥學(xué)學(xué)院,廣西桂林 541004;2.安康市中心醫(yī)院,陜西安康 725000)

隨著腫瘤的急劇生長,其內(nèi)部血液供應(yīng)嚴(yán)重不足,導(dǎo)致氧氣的輸送受到很大程度的抑制,最終使得腫瘤內(nèi)微環(huán)境明顯乏氧。因此,乏氧是所有實體瘤的共同特征,它的存在也是引起腫瘤局部復(fù)發(fā)和遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移的根源,并最終導(dǎo)致治療失敗[1]。實體瘤乏氧與腫瘤細(xì)胞內(nèi)生物還原酶的活性密切相關(guān),多種生物還原酶通常會過度表達(dá)[2,3]。此外,乏氧通常也會導(dǎo)致腫瘤其他微環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化,如pH值降低、間質(zhì)流體壓力升高、糖酵解和還原能力增強等[4]。因此,探索腫瘤演進(jìn)過程中乏氧的發(fā)生發(fā)展規(guī)律,實現(xiàn)乏氧腫瘤的準(zhǔn)確可視化,對惡性腫瘤的早期診斷與篩查具有重要的指導(dǎo)意義。

準(zhǔn)確的乏氧成像不僅可以幫助臨床醫(yī)生盡早發(fā)現(xiàn)潛在的腫瘤患者,還能幫助臨床醫(yī)生制定合適的治療策略,從而改善治療效果。臨床上,將氧微電極插入易于接近的腫瘤部位以評估其乏氧水平被認(rèn)為是一種“金標(biāo)準(zhǔn)”,然而該方法是一種侵入性技術(shù),具有較大創(chuàng)傷性,不利于實時原位成像。作為識別乏氧腫瘤組織的主要手段,磁共振成像和核醫(yī)學(xué)檢測技術(shù)具有無創(chuàng)性,但這些技術(shù)存在乏氧水平誤報、對比度差、費用昂貴以及輻射污染等缺點。非侵入性分子成像正成為生命科學(xué),以及臨床診斷和指導(dǎo)治療必不可少的工具,而實現(xiàn)精準(zhǔn)成像的關(guān)鍵因素是新型探針化學(xué)的創(chuàng)新。乏氧分子探針能夠?qū)δ[瘤細(xì)胞內(nèi)的乏氧環(huán)境進(jìn)行特異性實時監(jiān)測,分析相關(guān)腫瘤細(xì)胞的乏氧情況,具有高選擇性、可重復(fù)性和快速響應(yīng)等優(yōu)點[5,6],在腫瘤乏氧可視化研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[7,8]。本文系統(tǒng)總結(jié)和評述了可激活腫瘤乏氧分子探針的最新進(jìn)展,包括基于硝基還原酶(Nitroreductase,NTR)、基于偶氮還原酶和基于氫醌還原酶(Quinone Oxidoreductase,hNQO1)的乏氧分子探針(圖1),并分析了各種成像探針在乏氧腫瘤精確檢測中的優(yōu)缺點。同時,總結(jié)了目前腫瘤乏氧分子探針應(yīng)用過程中存在的問題,并對其未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望,以期進(jìn)一步促進(jìn)乏氧分子探針在腫瘤診療方面的應(yīng)用。

圖1 腫瘤乏氧相關(guān)標(biāo)志物

1 基于硝基還原酶的乏氧分子探針

NTR大量存在于腫瘤細(xì)胞、組織及實體腫瘤中,因此NTR的濃度可以很好地反映腫瘤的乏氧程度,進(jìn)而作為判斷是否發(fā)生癌變的依據(jù)之一,這在臨床上有著十分重要的意義[9-11]。近年來,研究人員利用芳香硝基基團(tuán)作為乏氧敏感單元,已經(jīng)設(shè)計開發(fā)了多種乏氧分子探針,因此基于NTR的腫瘤乏氧分子探針逐漸成為研究熱門。在乏氧微環(huán)境下,NTR通過將芳香硝基還原為氨基,繼而引發(fā)探針波長或發(fā)光強度的變化[12-17]。

早在2015年,Sha課題組開發(fā)了一種具有高靈敏度和高選擇性的新型“開啟型”乏氧分子探針1[18],該探針由受保護(hù)的酚羥基基團(tuán)和對硝基芐基部分組成(圖2),苯酚部分作為潛在供體與兩個苯并吲哚受體偶聯(lián)。研究人員發(fā)現(xiàn)探針1分子中的硝基單元在NTR作用下可快速轉(zhuǎn)化為氨基,隨后進(jìn)行裂解反應(yīng)并釋放出游離苯酚部分,探針1檢測過程中表現(xiàn)出獨特的顏色變化和熒光強度的增強。該檢測方法簡單快速,已成功應(yīng)用于乏氧HeLa腫瘤細(xì)胞中NTR的成像,展示出對腫瘤乏氧的潛在診斷能力。

圖2 探針1-4的結(jié)構(gòu)[18-21]

隨后,Yang等[19]設(shè)計合成了新型乏氧分子探針2(圖2),用于體外和體內(nèi)NTR的有效光學(xué)檢測。在NTR的催化下,探針2分子中的吸電子硝基轉(zhuǎn)變?yōu)楣╇娮影被?。此?探針2具有出色的靈敏度和選擇性,其中探針分子中O-C鍵斷裂確保了其選擇性的熒光增強。探針2已成功用于秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditiselegans)、Hi5細(xì)胞以及活體腫瘤模型的乏氧檢測,證明探針2在腫瘤乏氧可視化中具有較好的應(yīng)用潛力。該研究有利于揭示腫瘤乏氧與NTR之間的相互關(guān)系。

黃微等[20]利用親水性穿膜肽構(gòu)建了新型腫瘤乏氧分子探針3(圖2),環(huán)狀精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(cRGD肽)的引入能使探針被整合素過表達(dá)的肺癌細(xì)胞高選擇性大量攝取,為其他腫瘤靶向分子探針的設(shè)計開發(fā)提供了新的思路,為腫瘤早期診斷提供了新的策略。最近,Wang等[21]開發(fā)了一種小分子NTR探針4(圖2)。探針4的合成步驟簡單,合成產(chǎn)率較高,可用于A549細(xì)胞中NTR的定性和定量檢測。此外,探針4還可以解析NTR濃度與乏氧程度之間的關(guān)系,Wang等[21]研究表明高壓氧輔助化療可顯著降低NTR濃度,是目前第一個用于高壓氧輔助化療期間的熒光分子探針工具。

Liu課題組設(shè)計合成了一種多功能熒光團(tuán),它具有更大的π偶聯(lián)結(jié)構(gòu),這使得其吸收和熒光發(fā)射波長紅移[22]。該熒光團(tuán)可以通過在母體中引入硝基芐基吸電子基團(tuán)進(jìn)一步構(gòu)筑乏氧分子探針5(圖3),探針5可以通過電子轉(zhuǎn)移過程淬滅其熒光發(fā)射。在與NTR反應(yīng)后,探針5中的硝基被還原,然后通過重排和消除反應(yīng)釋放熒光團(tuán),從而增強探針的熒光信號。因此,探針5可用于細(xì)胞和活體水平的乏氧可視化成像研究。

圖3 探針5-8的結(jié)構(gòu)[22-25]

王海艷[23]以硝基為熒光猝滅團(tuán),以半花菁染料為母體,設(shè)計合成了乏氧分子探針6(圖3),探針6擁有寬線性響應(yīng)范圍(0.002-1.000 μg/mL)、低檢出限(1.0 ng/mL)和高選擇性,但探針6以半花菁染料為母體,其合成產(chǎn)率相對偏低,對后續(xù)推廣應(yīng)用限制較大。下一步的工作將以提高半花菁染料產(chǎn)率為核心來進(jìn)一步實現(xiàn)探針6的實際轉(zhuǎn)化應(yīng)用。

Ji課題組合成了用于NTR 檢測的四環(huán)喹喔啉骨架探針7(圖3)[24]。探針7對NTR表現(xiàn)出很好的敏感性和選擇性。與NTR一起孵育后,探針7可以發(fā)生硝基還原反應(yīng),然后生成氨基化合物,實現(xiàn)顯著的熒光增強和較大的斯托克斯位移。此外,探針7還能對乏氧條件下Hela細(xì)胞內(nèi)的NTR酶活性進(jìn)行實時監(jiān)測,是一種非常有潛力的NTR酶活性監(jiān)測分子工具。

2021年,Hong課題組基于量子化學(xué)計算設(shè)計了一種癌細(xì)胞選擇性和乏氧響應(yīng)探針8(圖3)[25]。相對于缺乏葉酸或硝基芐基部分的對照物,探針8能對乏氧提供快速熒光“關(guān)閉-開啟”反應(yīng)。體外共聚焦成像、流式分析以及CT26實體瘤小鼠的體內(nèi)近紅外光學(xué)成像,為探針更容易被葉酸受體陽性CT26癌細(xì)胞攝取的論點提供了支持,并且在乏氧條件下能提供優(yōu)于對照的熒光“關(guān)閉-開啟”信號?；谶@些研究結(jié)果,Hong課題組認(rèn)為探針8可以作為一種腫瘤靶向型乏氧激活探針,在體外和活體內(nèi)直接監(jiān)測癌癥的發(fā)生和發(fā)展[25]。

本課題組在經(jīng)典的含氧半花菁染料分子中,基于能量平衡策略巧妙地調(diào)控了輻射躍遷和非輻射躍遷之間的能量分布,構(gòu)建了近紅外熒光/光聲雙比率型半花菁染料分子骨架[26]。硫原子的引入使得該半花菁類染料展現(xiàn)出近紅外熒光/光聲雙比率性能。基于這種新型含硫半花菁染料分子骨架,本課題組設(shè)計合成了第一例近紅外熒光/光聲雙比率型NTR探針9(圖4),這使得腫瘤的乏氧深度精準(zhǔn)定量可視化成為可能。

圖4 探針9的結(jié)構(gòu)和響應(yīng)示意圖[26]

2 基于偶氮還原酶的乏氧分子探針

偶氮還原酶是在一系列原核生物和真核生物中表達(dá)的還原型黃素酶,常指黃素單核苷酶[27]。偶氮還原酶可以還原偶氮化合物,這種還原過程高度依賴于乏氧的程度。因此,除了芳香族硝基化合物之外,偶氮衍生物也可以是另一種潛在的乏氧感應(yīng)單元。偶氮衍生物對光具有明顯的敏感性,在藥物遞送和生物檢測中可以作為酶的獨特響應(yīng)候選物[28]。在光激發(fā)后,偶氮衍生物中偶氮鍵超快的構(gòu)象變化使其本身熒光猝滅[29]。因此大多數(shù)偶氮衍生物通常是非熒光的,常用作熒光團(tuán)的猝滅劑,但可以通過偶氮還原酶還原裂解偶氮鍵為氨基[30],使其熒光恢復(fù)。

2010年,日本科學(xué)家Kiyose等[31]報道了近紅外乏氧分子探針10(圖5)。在常氧狀態(tài)下,探針10的偶氮鍵不會被還原,其熒光被淬滅;在乏氧環(huán)境下,偶氮被還原后吸收減弱,熒光共振能量轉(zhuǎn)移效率下降,引發(fā)探針較大的熒光增強。探針10可用于乏氧細(xì)胞的熒光成像、活小鼠肝臟和腎臟缺血實時監(jiān)測。但該淬滅劑不易進(jìn)行進(jìn)一步的化學(xué)修飾,限制了探針10的生物應(yīng)用。

圖5 探針10-13的結(jié)構(gòu)[31-34]

Qian課題組報道了一種“開啟”型乏氧熒光探針11(圖5)[32]。由于羅丹明B對偶氮-萘二甲酰亞胺單元具有熒光共振能量轉(zhuǎn)移效應(yīng),所以探針11本身的熒光非常微弱。在乏氧條件下,由于淬滅結(jié)構(gòu)的崩解,偶氮鍵消失,探針11在581 nm處的熒光逐漸增強。循環(huán)伏安還原電位和產(chǎn)物質(zhì)譜驗證結(jié)果表明,探針11可以快速被還原。共聚焦熒光成像顯示,探針11在乏氧細(xì)胞和常氧細(xì)胞之間的熒光強度差異可達(dá)9倍,表明該探針在乏氧腫瘤細(xì)胞檢測中有很大的應(yīng)用價值。

2019年,Tan課題組合成了含有偶氮的乏氧激活型熒光探針12(圖5)[33]。探針12在乏氧狀態(tài)下的熒光強度較常氧狀態(tài)下增加了約11倍。進(jìn)一步的抑制劑實驗結(jié)果表明,偶氮還原酶并不是唯一可以參與偶氮鍵還原過程的生物還原酶。探針12在腫瘤細(xì)胞的不同乏氧狀態(tài)中表現(xiàn)出較高的氧敏感性,可作為體內(nèi)乏氧檢測的潛在分子工具。

Wu課題組開發(fā)了一種可以特異性響應(yīng)腫瘤乏氧的熒光和光聲雙模態(tài)探針13(圖5)[34]。偶氮基團(tuán)在乏氧條件下被裂解,釋放出活性藥物,同時探針13在710 nm附近顯示出強烈的熒光?；罨臒晒鈭F(tuán)可用于熒光和光聲雙模態(tài)檢測、腫瘤乏氧成像,釋放的藥物可以高效抑制荷瘤小鼠模型中的腫瘤。這項工作不僅可以為腫瘤乏氧提供熒光和光聲雙模態(tài)成像,還可以實現(xiàn)腫瘤的有效抑制。因此,該診療一體化探針的構(gòu)建可以為發(fā)展其他腫瘤生物標(biāo)志物探針和腫瘤治療提供一定的參考。

Zhou課題組基于偶氮鍵設(shè)計開發(fā)了新型腫瘤診療探針14(圖6)[35]。在偶氮還原酶的作用下, 探針14在620 nm處呈現(xiàn)紅色熒光發(fā)射,同時釋放抗腫瘤藥物,從而達(dá)到乏氧成像和腫瘤治療的綜合效果。此外,探針14在裸鼠腫瘤抑制實驗中成功地抑制了實體瘤的生長。探針14作為一種新的熒光工具,可以快速確定腫瘤的位置和邊緣,在臨床癌癥治療中顯示出較大的潛力。

圖6 探針14和15的結(jié)構(gòu)[35,36]

Ribagorda課題組報道了基于BODIPY熒光團(tuán)與偶氮基團(tuán)結(jié)合的乏氧分子探針15(圖6)[36]。探針15可以在還原條件下(包括細(xì)菌和人源偶氮還原酶)逐漸開啟其熒光發(fā)射特性。使用固定化的細(xì)菌偶氮還原酶可以有效評估偶氮乏氧分子探針15的傳感性能。熒光顯微鏡成像實驗結(jié)果表明,偶氮乏氧分子探針15可用于可視化活細(xì)胞內(nèi)的乏氧微環(huán)境。

3 基于氫醌還原酶的乏氧分子探針

hNQO1是一種同源二聚體黃素酶,可促進(jìn)各種醌衍生物還原為對苯二酚形式。目前已知hNQO1對細(xì)胞氧化損傷具有一定的抗氧化修復(fù)作用,但是hNQO1過表達(dá)也會導(dǎo)致代謝紊亂和癌癥發(fā)生。與正常組織相比,在許多癌癥組織中可以觀察到更高水平的hNQO1。醌基是乏氧敏感基團(tuán),作為有效的乏氧識別單元之一,近幾年來逐漸被引入乏氧分子探針的構(gòu)建和設(shè)計當(dāng)中。

2013年,McCarley課題組基于萘酰亞胺衍生物與醌基底物共價結(jié)合合成了一種乏氧分子探針16(圖7)[37]。熒光發(fā)光抑制是通過萘酰亞胺報告基團(tuán)和共價連接的醌基酶底物之間獨特的光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移來實現(xiàn)的,通過快速去除醌淬滅劑可以恢復(fù)染料的熒光。該探針可通過肉眼、流式、光學(xué)成像快速區(qū)分hNQO1陰性和陽性細(xì)胞系,也能夠快速識別不同類型的腫瘤細(xì)胞,展示了其靈敏度和選擇性都較高的突出特點。2015年,該課題組在上述熒光探針16的基礎(chǔ)上,又發(fā)展了一種用于檢測hNQO1的探針17(圖7)[38]。探針17與hNQO1響應(yīng)后的熒光亮度提高了136倍。此外,探針17在10 min內(nèi)即可將hNQO1陽性細(xì)胞與陰性細(xì)胞區(qū)分開,展示了探針17可用于快速和實時分析的潛力。2016年,McCarley課題組基于半萘酚羅丹明熒光團(tuán)繼續(xù)開發(fā)了一種能夠檢測hNQO1的探針18(圖7)[39]。將探針18分別與hNQO1陽性和hNQO1陰性肺癌細(xì)胞系(HT29)共孵育,結(jié)果僅在hNQO1陽性HT29細(xì)胞系中呈現(xiàn)出明亮的紅色熒光?？梢?該探針及其衍生物在熒光引導(dǎo)手術(shù)成像和癌組織切除術(shù)等方面具有一定的應(yīng)用前景。

圖7 探針16-19的結(jié)構(gòu)[37-40]

大多數(shù)報道的熒光探針容易受到內(nèi)源性熒光物質(zhì)干擾,且穿透深度不足。針對這些問題,Jiang課題組最近設(shè)計了雙光子hNQO1探針19(圖7)[40]。在hNQO1作用下,探針19底物部分被催化還原,熒光團(tuán)釋放出來,502 nm處的綠色熒光逐漸增強。探針19在單雙光子激發(fā)下與hNQO1反應(yīng)前后熒光增強均超過25倍,斯托克斯位移增加超過100 nm。同時,細(xì)胞和組織實驗結(jié)果表明,探針19可對內(nèi)源性hNQO1進(jìn)行成像,且選擇性和靈敏度高,具有極好的組織穿透和染色能力。因此,該探針在癌癥診斷和成像引導(dǎo)手術(shù)中具有很大的應(yīng)用潛力。

Son等[41]設(shè)計了新型乏氧化學(xué)發(fā)光分子探針20(圖8),該探針可以區(qū)分不同癌癥亞型。探針20包含二氧雜環(huán)丁烷部分和醌基響應(yīng)部分。將醌基部分還原為相應(yīng)的對苯二酚形式會產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光信號。從體外細(xì)胞培養(yǎng)分析和體內(nèi)小鼠成像研究的組合推斷,該探針是安全的,幾乎沒有毒性,并且能夠在hNQO1陽性A549肺癌模型中產(chǎn)生“開啟”化學(xué)發(fā)光反應(yīng),可用于識別以hNQO1水平升高為特征的癌細(xì)胞和腫瘤組織。

圖8 探針20-23的結(jié)構(gòu)[41-44]

Kobayashi課題組報道了一種檢測腹膜卵巢癌轉(zhuǎn)移(Peritoneal Ovarian Cancer Metastases,POCM)的乏氧分子探針21(圖8)[42]。探針21在hNQO1作用下展示出強烈的近紅外熒光信號,且對腹膜卵巢癌轉(zhuǎn)移表現(xiàn)出非常高的靈敏度和特異性。同時,研究表明SHIN3腫瘤組織在噴灑探針21后熒光強度顯著增加。由于近紅外光具有更深的組織穿透能力和更小的自發(fā)熒光背景干擾能力,這種新方法有可能識別組織深處的微小病變,表明該探針在POCM的研究上具有潛在的應(yīng)用價值。

Best等[43]報道了一種用于檢測癌癥相關(guān)酶 hNQO1的探針22(圖8)。細(xì)胞熒光成像實驗表明,該探針在hNQO1陽性細(xì)胞系和hNQO1陰性細(xì)胞系中熒光差異明顯,在hNQO1陽性細(xì)胞系中熒光強度隨著hNQO1活性水平的增加而逐漸增加,而在hNQO1陰性細(xì)胞系中熒光很微弱,幾乎沒有變化。該探針具有極高的熒光開啟能力,被用于hNQO1高表達(dá)的結(jié)直腸癌細(xì)胞和卵巢癌細(xì)胞的熒光成像,在成像引導(dǎo)手術(shù)切除病變組織中具有較好的應(yīng)用價值。

最近,Beharry課題組通過酰胺鍵將醌基底物共價連接到熒光母體合成了乏氧熒光探針23(圖8)[44]。通過熒光監(jiān)測反應(yīng)證明,在hNQO1作用下探針23在500 nm處的熒光強度增加了5.5倍。在A549細(xì)胞和H596細(xì)胞的熒光共聚焦實驗中,hNQO1高表達(dá)的A549細(xì)胞中綠色熒光明顯更亮。另外探針23的熒光團(tuán)可以產(chǎn)生單線態(tài)氧,可見該探針在癌癥診療方面具有很大的應(yīng)用前景。

Punganuru等[45]將二氰基異佛爾酮與醌丙酸偶聯(lián)制備得到hNQO1探針24(圖9),該探針能夠在體外和體內(nèi)的模型中監(jiān)測hNQO1活性。在被腫瘤特異性hNQO1激活之前探針保持非熒光狀態(tài)。探針24在響應(yīng)后展示出較大的斯托克斯位移、良好的生物相容性和對hNQO1的高選擇性,可以有效區(qū)分癌細(xì)胞和健康細(xì)胞。研究人員也成功地利用該探針在體外監(jiān)測腦腫瘤細(xì)胞和裸鼠異種移植腫瘤中的內(nèi)源性hNQO1活性。

圖9 探針24-27的結(jié)構(gòu)[45-48]

Tang課題組基于共價組裝策略,通過在單個分子中引入對硝基苯和三甲基鎖醌丙酸基團(tuán),構(gòu)建了雙酶響應(yīng)型探針25(圖9)[46]。該探針僅在NTR和hNQO1共同存在的情況下才能被激活,原位生成熒光染料,產(chǎn)生較大的熒光響應(yīng),從而達(dá)到檢測活細(xì)胞中的內(nèi)源性NTR和hNQO1活性的目的。共聚焦成像實驗表明,探針25能將癌細(xì)胞與正常肝HL-7702細(xì)胞區(qū)分開來,因為癌細(xì)胞中存在相對較高水平的內(nèi)源性生物還原酶。然而探針25相對較短的發(fā)射波長限制了其進(jìn)一步的臨床應(yīng)用。

2022年,Zhao課題組報道了一種用于檢測hNQO1的雙光子探針26(圖9)[47]。將探針26與HeLa、LoVo兩種細(xì)胞進(jìn)行孵育,均顯示出顯著的熒光信號增強現(xiàn)象。將探針26注射到HeLa異種移植荷瘤裸鼠的腫瘤組織中,通過體內(nèi)熒光成像檢測hNQO1活性,0.5 h后腫瘤組織內(nèi)能檢測到強的熒光信號,表明探針26可用于腫瘤內(nèi)源性hNQO1活性測定。

近期,Song課題組報道了一種用于檢測異種移植A549腫瘤中異常表達(dá)的 hNQO1化學(xué)發(fā)光探針27(圖9)[48]。探針27不僅能在雞胸肉組織中(15 mm深度)實現(xiàn)高信噪比成像檢測,而且還能靈敏地檢測到A549細(xì)胞中過表達(dá)的hNQO1。研究表明探針27已成功用于可視化皮下異種移植腫瘤中異常表達(dá)的 hNQO1。這是第一例報道的通過近紅外區(qū)域化學(xué)發(fā)光模式檢測hNQO1活性的工作。

4 展望

本文系統(tǒng)總結(jié)了酶反應(yīng)型腫瘤乏氧分子探針的設(shè)計策略、開發(fā)及腫瘤診療應(yīng)用。值得欣慰的是,在這個研究領(lǐng)域目前已經(jīng)取得了許多實質(zhì)性的進(jìn)展,使得使用現(xiàn)代光學(xué)成像技術(shù)對腫瘤乏氧微環(huán)境進(jìn)行無創(chuàng)成像成為可能。例如,為了提高腫瘤識別的準(zhǔn)確性,研究人員巧妙地構(gòu)建了具有多模式信號輸出或多靶點級聯(lián)響應(yīng)的乏氧分子探針?；谔囟ǖ纳镞€原酶,使用分子探針可以點亮轉(zhuǎn)移性腫瘤的小病變,為準(zhǔn)確手術(shù)切除提供導(dǎo)航,有效降低復(fù)發(fā)風(fēng)險。

雖然近年來用于腫瘤乏氧酶反應(yīng)型分子探針有了長足的發(fā)展,然而大多數(shù)嘗試仍處于概念驗證階段。在將這些概念從實驗室成功轉(zhuǎn)化為臨床技術(shù)之前,該領(lǐng)域的研究人員仍面臨著巨大的挑戰(zhàn),未來仍有許多問題需要解決。(1)近紅外熒光團(tuán)主要集中在近紅外一區(qū)(650-900 nm)。相比之下,近紅外二區(qū)(1 000-1 700 nm)的熒光團(tuán)具有更優(yōu)異的光學(xué)特性,如更深的組織穿透性和更高的信噪比,這將更好地服務(wù)于診斷和醫(yī)療領(lǐng)域。然而,使用近紅外二區(qū)熒光團(tuán)構(gòu)建腫瘤乏氧分子探針的報道很少,這在很大程度上限制了腫瘤發(fā)生、進(jìn)展和增殖的原位研究。(2)在分子水平上腫瘤發(fā)生是由復(fù)雜的分子調(diào)控和多種酶的過表達(dá)引起的。不幸的是,迄今為止開發(fā)的大多數(shù)腫瘤乏氧分子探針都無法區(qū)分腫瘤細(xì)胞類型。因此,基于級聯(lián)反應(yīng)的多靶點酶激活熒光探針將為體內(nèi)特定癌細(xì)胞和腫瘤的鑒定提供策略。(3)針對特定酶的反應(yīng)基團(tuán)和相關(guān)傳感機制的類型有限。特別的是,分子探針很難選擇性地識別同一還原酶家族的不同亞型。研究表明,通過分子對接開發(fā)新的識別位點將有利于構(gòu)建高選擇性的腫瘤乏氧分子探針。(4)由于組織穿透深度不足,使用單一成像模式從體內(nèi)獲得的有效信息受到限制。酶響應(yīng)型多模式探針具有成像模式互補的優(yōu)勢,將成為腫瘤診斷和治療的強有力的分子工具。(5)腫瘤乏氧反應(yīng)型分子探針的應(yīng)用比較簡單,大多僅用于細(xì)胞和小鼠成像。雖然一些探針已經(jīng)用于腫瘤切除,但這只是冰山一角。因此,為了使更多的分子探針獲得批準(zhǔn)并在臨床使用,生物學(xué)家、化學(xué)家和外科醫(yī)生需要跨學(xué)科密切合作,以加速這些探針在醫(yī)學(xué)診斷和癌癥治療中的實際應(yīng)用。希望本文總結(jié)的原理和展望可為腫瘤乏氧分子探針的未來發(fā)展提供有益的見解,并為腫瘤的臨床診斷和治療提供新的應(yīng)用方向。