体内成像技术已成为中枢神经系统（CNS）疾病药物研发和临床评估的重要组成部分。650-950nm范围的近红外（NIR）荧光成像广泛用于临床前体内成像研究，而向短波红外（SWIR，1000-1700nm）窗口具有更高的组织穿透性和分辨率，有很高的临床应用潜力。加南大研究人员Maria J. Moreno等以SWIR窗口为重点，综述了近红外荧光光学成像模式的最新进展。利用PHOTON公司的IR VIVO系列近红外二区小动物活体成像体统，详细研究讨论了开发新型有机和无机SWIR发射体的优势和挑战，特别关注了毒理学和药理学方面。在成像仪器、算法和新的SWIR发射体的进步的推动下，SWIR成像解决了临床前研究CSN光学成像模式面临的主要障碍。生物相容性SWIR发射体的开发和多模式成像模式中SWIR的采用有望将光学成像快速推进到转化研究和临床应用中。文章以“In vivo near-infrared fluorescent optical imaging for CNS drugdiscovery”为题发表于Expert Opin Drug Discov。
慢性神经系统（CNS）疾病，包括阿尔茨海默病（AD）、帕金森病（PD）、多发性硬化、卒中和慢性疼痛等，正迅速成为一种不断升级的流行病，对全球医疗保健系统都是一个巨大挑战。相较于其他治疗领域，CNS药物成功率最低，很大一部分CNS靶向分子在早期/晚期临床试验中失败，只有6.8%的临床试验产品进入市场。CNS疾病药物开发面临的障碍与其他治疗领域类似：缺乏合适的疾病转化动物模型、临床前药代动力学（PK）/药效学（PD）关系在剂量选择方面整合不足、缺乏对治疗反应的敏感早期检测，以及需要在临床试验中解决人群异质性的影响。此外大脑和神经精神疾病的复杂性、血脑屏障（BBB）对药物和成像造影剂的高度限制、安全风险以及临床试验中缺乏可帮助患者选择及早期疗效评估的生物标志物，使CNS治疗开发困难进一步加剧。 成像方法的整合可帮助解决一些问题。体内成像有助于确定合适的治疗目标，评估生物分布和药代动力学，评估靶点占有率、参与度和剂量反应，以及中靶和脱靶效应，还可能在临床前和临床药理学方面发挥一定作用。 从结构成像到分子成像，成像仪器和技术取得了重大进展，包括计算机断层扫描（CT）、正电子发射断层扫描（PET）、单光子发射计算机断层扫描（SPECT）、磁共振成像（MRI）、和光学成像。伴随着新分子靶标的鉴定、多功能造影剂的开发和提取定量数据的分析工具得以加速。PET、SPECT和MRI已被用于临床前疾病模型和药物开发评估，特别是CNS领域，但对设施和培训要求高，在大多数学术甚至工业实验室中普及性不高。荧光光学成像功能强大、价格合理，是很好的临床前体内成像替代技术，而其分辨率也随着发展日益提高。此外荧光成像在临床应用也显示出巨大潜力，如荧光血管造影术、转移性淋巴结标测、心输出量评估、癌症定位、手术边缘评估和图像引导手术，弥补了光学成像技术传统上的感知问题。 本文将以短波红外（SWIR）窗口为重点，综述近红外（NIR）荧光光学成像模式的最新进展。回顾开发和设置仪器以及新型有机和无机SWIR发射体的优势和问题，特别强调毒理学和药理学。讨论临床前成像的未来前景及向神经成像领域临床转化的潜力。
荧光成像的原理是利用紫外光到红外光范围内的光激发分子，分子被激活会发出波长更长的光子，用专门的传感器能很容易检测到这些光子。但当光穿透组织层时，光-组织间的相互作用导致光发生吸收、反射、散射和自发荧光，这都会影响图像捕获和分析。近红外（NIR）（700nm-2000nm）光谱中的干扰要小于可见光（400nm-700nm）光谱，因此NIR区被认为是“光学或治疗窗口”，此处光具有最大穿透深度，组织透明度最高。活组织中，光吸收使信号强度降低，主要是由于内源性发色团，如黑色素、水、脂质、氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白。这些分子的吸收峰在400-900nm，可通过NIR窗口（ 1000nm）成像来避免。组织自发荧光主要由NAD(P)H、胶原、弹性蛋白、色氨酸、酪氨酸、卟啉和FAD等分子产生，而这些分子发射大部分可见光波长的光。几乎所有生物组织的光散射程度都遵循反比波长关系（λ-α，其中λ为波长，不同组织α= 0.2-4），大脑的波长依赖性最强。光散射会增加背景噪声并影响空间分辨率，而通过NIR波长成像可以显著减少光散射。综上所述（图1），NIR荧光成像的灵敏度、组织穿透深度、空间分辨率均高于传统的可见光成像，已成为体内研究的首选方式。
（a）与波长相关的脑组织自发荧光，在较长波长下自发荧光发射减少。处死后立即用IVIS Lumina Ⅲ结合氙灯和2个六色光源对大脑进行离体成像。激发和发射滤波器组:（a）明场；（b）Ex/Em:460±20nm/520±20nm；（c）Ex/Em:520±20nm，570±20nm；（d）Ex/Em:660±20nm，710±20nm；（e）Ex/Em:740±20nm，790±20nm，（f）Ex/Em:740±20nm，850±20nm。（b）水、脂质、氧合血红蛋白（HbO2）和脱氧血红蛋白（Hb）的吸收光谱。（c）皮肤、颅骨和脑组织相对于波长λ减少的散射系数μ’s。 过去十年里，NIR外成像的发展主要集中在所谓的“第一个生物窗口”或NIR-Ⅰ（650-950nm）中。“第二个生物窗口”或NIR-II，也称为短波红外（SWIR，1000-1700nm）的发现，使得生物样品透明度方面有了巨大提升，在深度穿透和图像分辨率方面都有显著提高。但由于缺乏灵敏的探测器，SWIR成像很困难。用于NIR窗口的硅基探测器在900nm以上产生的信号很低。其他基于锗(Ge)、锑化铟(InSb)和碲化镉汞(HgCdTe)的探测器虽然在SWIR范围内灵敏度更高，但效率很低。基于铟镓砷（InGaAs）的二极管阵列检测器可更灵敏地检测较长波长，使SWIR光谱在体内外成像应用成为可能。结合生物相容性SWIR发射体的发展，如有机染料、单壁碳纳米管（SWCNTs）、量子点（QDa）、稀土掺杂纳米复合材料和金纳米粒子，荧光成像领域发生了彻底改变，向临床前和临床成像转化又迈进了一步。
用于体内的商业NIR荧光探针大多是花青衍生物，通常表现出高摩尔消光系数，但荧光量子产率（QY）中等（约1-30%）。典型的例子是吲哚青绿（ICG，Emission:~800nm），目前广泛用于临床，包括眼底血管造影术、检测黑色素瘤患者的前哨淋巴结、乳腺癌、胃癌和血流监测等。水溶液中ICG分子形成J-聚集体并快速荧光降解。然而在血液中，ICG与血浆蛋白特别是球蛋白紧密结合，并在血管中持续循环，成为动态血管和血流成像的优异染料。ICG通过肝胆管迅速消除，并无代谢地释放到胆汁中，因此可用于观察肝脏和胆囊功能。ICG与蛋白质结合时会淬灭，最初认为这限制了分子成像应用，但随后发现该效应可用于开发可激活探针，由荧光沉默染料（ICG）通过可酶切或对pH敏感的接头附着在蛋白质上。染料从蛋白质上解离后变得不可抑制，仅在目标组织中发光，与传统的“持续发射”探针相比，背景荧光显著降低，灵敏度和图像对比度增强。 ICG存在光稳定性差、水溶性差和QY低（血清中约9.3%）的缺点，因此需要开发新的有机NIR/SWIR荧光团，面临的挑战包括开发控制荧光团发射波长所需的复杂化学物质、将非常离散的波长转移到SWIR光谱，以及大多数新开发分子的QY都很低（0.01-1.4%）。新SWIR染料除改善物理化学特性（如高消光系数和量子产率、低光漂白和快速肾清除）外，还需要经过非常严格的毒性和安全性临床评估。FDA批准的ICG染料最初被认为限制在1000nm的NIR范围内，但用InGaAs相机分析时显示出一条扩展到1500nm以上的长发射尾。此外在对比度和图像分辨率方面，较弱的SWIR“非峰值”发光优于明显较强的NIR-Ⅰ峰值发光。因此将InGaAs摄像机与当前的临床成像平台相结合，有望使SWIR成像向快速跟踪临床转化（图2）。
聚集诱导发射发光体（AIEgens）是SWIR发光体的另一种形式，在生物医学成像中有很大潜力。与大多数聚集诱导猝灭的有机小分子荧光团相反，AIE荧光团在从孤立分子转变为聚集纳米粒子状态时表现出荧光增强。 使用供体-受体（D-A）方法产生AIE点（BPN和TQ用作供体和受体单元）。TQ-BPN采用两亲性聚合物Pluronic F-127封装成有机点，所得TQ-BPN量子点具有宽发射光谱（700-1200nm），激发/发射峰在约630/810nm，强拖尾可至1200nm，在NIR和SWIR区的QY分别可达13.9%和2.8%。TQ-BPN点在水和血清中表现出良好的光稳定性，并且在连续635nm激光照射1h后没有光漂白。此外，与用NIR-I硅基CCD相机成像的小鼠相比，用TQ-BPN点注射并用SWIR InGaAs照相机成像图像分辨率更高。全身成像显示有机点循环时间较长（ 12h），肝脏和脾脏是主要积聚器官，这很可能是由于F-127的长PEG链。结合显微血管造影术可显示800μm深度的小毛细血管（直径约18.4μm）、提取血液动力学参数（如平均血流速度和血流量），以及监测小鼠大脑中的光血栓性缺血（PTI）和血脑屏障（BBB）损伤。 有研究设计了聚合物点（polymer dots, Pdots），其中phenothiazine、benzothiazole及其衍生物（benzothiazole, BT、naphtho[2,3-c][1,2,5] thiadiazole, NT和benzobisthiadiazole, BBTD）分别用作供体和受体，赋予聚合物在1300-1400nm内的高位移荧光波长。所得Pdots在水溶液中显示约1.7%的荧光QY，比四氢呋喃（THF）溶液中的原始聚合物高约21倍。使用1319nm长通滤波器透过颅骨对血管内Pdots成像，与使用1250nm长通滤波器相比，显示出穿透深度和信号背景比显著改善，证实在1300nm光学区域中大脑具有优异透明度及图像分辨率。
量子点是直径约2-20nm的小型半导体纳米粒子，由元素周期表第Ⅱ-Ⅵ族、第Ⅲ-Ⅴ族和第Ⅳ-Ⅵ族元素构成的核壳结构组成。这些粒子具有高荧光QY（约20–80%）、高光稳定性和通过粒子尺寸操作的可调发射波长（从可见光到SWIR），较大的粒子以较长的波长发射，因此在成像应用中表现优异。量子点一般发射相同的光，与使用的激发波长无关，并且发射光谱非常窄，使得仅用一个光激发源就能同时记录由量子点混合物发出的不同颜色，这一特性正被用于生物分子（如蛋白质、肽或DNA）的多重光学编码，并在高通量药物筛选、基因表达分析和临床诊断方面具有巨大潜力。 量子点通常在有机溶剂中产生，因此不溶于水。水溶性可通过封装在二氧化硅或两亲共聚物中，或通过用水溶性配体包覆来实现。尽管成像特性优秀，但其固有毒性是生物应用中的主要关注点。降低毒性的方法包括用ZnS壳表面钝化或用有机分子/聚合物（如PEG）涂层。然而量子点尺寸较大，超过了肾脏清除的流体动力学半径截止值（约5.5nm），可在肾脏、肝脏和脾脏中长时间积累，毒性核心物质存在泄漏风险。另外量子点还可改变细胞中的基因表达，会在分子水平上产生意想不到的长期影响。因此生产更稳定的涂层以保护量子点免受外部环境影响，并防止潜在害毒性、开发具有所需光学性能且无毒的新材料，仍然是该领域主要关注的问题。
单壁碳纳米管是一种新型纳米材料，以其独特的机械、光学、热学和电学性质引起极大关注。碳纳米管是圆柱形石墨空心管，由一个蜂窝状网格中的碳原子组成，直径很小，通常在0.5-2nm间，长度从50nm-1mm不等。单壁碳纳米管的许多性质取决于结构，其特征在于手性指数（n,m），该指数定义了六边形碳晶格中圆周矢量的长度和方向。单壁碳纳米管可以是半导电的，也可以是金属。
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