技術突破：光聲成像突破血腦屏障并連續120分鐘實時監測腫瘤變化

本研究由Wei Qin、Honghui Li、Jiali Chen、Yang Qiu、Limin Ma、Liming Nie完成，論文題為《Amphiphilic hemicyanine molecular probes crossingthe blood-brain barrier for intracranial optical imaging of glioblastoma》，于2025年1月發表在《ScienceAdvances》期刊，發布。

重要發現
本研究核心是構建血腦屏障穿透型光學探針設計策略，并驗證IVTPO在GBM顱內成像的高效性，實驗圍繞探針設計、性能驗證、體內外成像逐步展開。

在探針設計與光學性能優化上，團隊合成IVPM、IVTM、IVTPO三種半花菁染料，它們有相同電子受體（吲哚鎓離子），但電子給體為不同芳香胺或噻吩單元。D-π-A結構能促進分子內電荷從給體向受體轉移，讓探針擁有更強光吸收與紅移發射波長，適配深層組織成像。同時，通過結構調控，三種探針分子量均小于500Da，其中IVTPO的logP為0.41，高于商用硫黃素T（0.16），這種兩親性（疏水骨架結合親水帶電基團）讓它既能與生物膜作用，又能在體液中溶解，為穿透血腦屏障打下基礎。

光學測試顯示，IVTPO在二甲基亞砜（DMSO）中吸收峰572nm，摩爾吸光系數達12.29×10⁴M⁻¹cm⁻¹（數值越高成像越靈敏），發射峰635nm，斯托克斯位移63nm，吸收與發射光譜重疊少，避免自身熒光干擾；且光穩定性遠超商用AOI987，連續激光照射90分鐘熒光強度幾乎無下降，滿足長時間實時成像需求。

血腦屏障穿透能力驗證中，體外用Transwell構建血腦屏障模型（上層模擬血液側，下層模擬腦側），將IVTPO與EB（陰性對照）、AOI987（陽性對照）對比。孵育30分鐘，下層肉眼可見IVTPO擴散色，120分鐘時跨細胞擴散效率達27%，與AOI987（26%）相當，遠高于EB（僅2%）。體內實驗中，健康小鼠靜脈注射IVTPO后10-30分鐘，腦內出現強熒光；解剖發現探針不僅在腦血管中，還進入腦實質，而注射EB的小鼠腦內幾乎無熒光，證實IVTPO能穿透完整血腦屏障。

細胞與體內安全性測試中，選用U87-MG細胞（人GBM細胞）和巨噬細胞為模型，孵育IVTPO后，兩種細胞內均現強熒光，說明探針能被腫瘤相關細胞有效攝取，為靶向成像提供支撐；孵育24小時，即便探針濃度達100μg/ml，用碘化丙啶（PI，標記死細胞）染色也幾乎無紅色熒光，細胞毒性極低。對小鼠連續30天靜脈注射IVTPO后，取心、肝、脾、肺、腎、腦做病理切片，未發現水腫、充血、炎癥等異常，驗證了體內生物安全性，為臨床應用排除毒性顧慮。GBM成像與診斷實驗中，先建立GBM荷瘤小鼠模型（腦內注射熒光標記U87-MG細胞），再通過熒光和光聲雙模態成像觀察。

熒光成像顯示，注射IVTPO后1小時，腦內腫瘤區域熒光信號與腫瘤自身生物發光信號完全重合，精準定位腫瘤；解剖發現，除肝、腎（代謝器官）外，探針主要富集在腦腫瘤，靶向性突出。光聲成像解決傳統熒光成像穿透淺的問題，結合光的高靈敏度與聲音的深穿透性，穿透深度達幾厘米，透過完整顱骨就能成像：既能清晰顯示腫瘤位置形態，還能觀察腫瘤血管細節——腫瘤區域血管直徑注射后顯著增大，正常腦區無變化，反映腫瘤血管異常增生；更關鍵的是，腫瘤早期（BBB未破壞，EB無法滲漏），IVTPO就能在腫瘤附近腦血管旁檢測到異常滲漏信號，對應腫瘤細胞引發的微小血管損傷，而EB直到腫瘤晚期BBB嚴重破壞才滲漏，這意味著IVTPO能更早發現GBM，為早期診斷爭取時間。

不同腫瘤階段成像對比中，早期腫瘤（7-9周）形態不明顯，EB無滲漏，但IVTPO可顯示血管旁異常信號；中期（9-11周）腫瘤形態清晰，EB仍無明顯滲漏，IVTPO能呈現腫瘤邊界、形態及新生血管；晚期（11-13周）BBB破壞，EB開始滲漏，但IVTPO成像分辨率更高，能觀察腫瘤血管紊亂結構。定量分析顯示，相同條件下IVTPO光聲信號強度高于EB，且能連續120分鐘實時監測腫瘤變化，為追蹤GBM進展提供動態工具。

創新與亮點
01突破“血腦屏障穿透難”的行業痛點
傳統商用光學染料（如羅丹明、菁類、EB）因分子量大或親脂性不適，幾乎無法穿透血腦屏障——EB分子量較大，還需結合血清白蛋白運輸，完全被完整血腦屏障阻擋。而本研究通過D-π-A結構精準調控，讓IVTPO兼具小分子量（<500Da）與適宜兩親性（logP=0.41），既避免親脂性過強的細胞毒性，又解決親水性過強無法穿透生物膜的問題，最終實現完整血腦屏障的有效穿透，填補“血腦屏障穿透型光學探針”空白，讓顱內腫瘤光學成像從“不可能”變為“可能”。

02突破“成像深度與分辨率難以兼顧”的技術瓶頸
傳統熒光成像分辨率高但穿透淺，觀察顱內腫瘤需開顱手術——這種有創操作會破壞血腦屏障，引發出血、感染，還導致成像失真。本研究采用熒光、光聲雙模態成像：熒光成像負責高分辨率定位，光聲成像借聲波深穿透優勢，將成像深度提升至幾厘米，無需開顱就能透過完整顱骨觀察顱內腫瘤。實際成像中，不僅能清晰顯示腫瘤宏觀位置，還能分辨直徑15.7μm的微小毛細血管及腫瘤血管異常增生，實現“深穿透”與“高分辨率”兼顧，讓非侵入式顱內腫瘤成像成為現實。

總結與展望
本研究設計合成基于D-π-A結構的半花菁探針，篩選出IVTPO最優探針，它兼具優異光學性能（高摩爾吸光系數、良好光穩定性、適配熒光、光聲信號）、高效血腦屏障穿透能力及低毒性，可透過完整顱骨對GBM進行非侵入式熒光、光聲雙模態成像，既能精準定位腫瘤、觀察血管變化，還能在血腦屏障破壞前早期發現腫瘤相關滲漏，成像效果與靶向性均優于商用EB。

展望未來，IVTPO有望進一步拓展應用場景，如結合影像引導手術提升腫瘤切除精度，或開發為光動力、光熱治療載體實現“診斷-治療”一體化；同時，其設計策略可指導更多血腦屏障穿透型探針研發，推動顱內腫瘤光學成像技術臨床轉化，為GBM等中樞神經系統疾病診療提供更高效、安全的工具。

DOI:10.1126/sciadv.adq5816.