光声成像技术突破血脑屏障实现胶质母细胞瘤高分辨颅内成像
关键词：胶质母细胞瘤；血脑屏障；光声成像
胶质母细胞瘤是恶性程度很高的颅内肿瘤，血脑屏障的存在极大限制了外源性分子探针进入脑组织开展原位成像。该研究设计并合成两亲性半花菁类分子探针，依托荧光‑光声双模成像技术，实现完整颅骨条件下小鼠颅内胶质母细胞瘤的在体成像。研究通过调控探针分子量与脂水分配系数优化血脑屏障穿透能力，筛选得到 IVTPO 探针，该探针兼具近红外光学响应、良好光稳定性与低细胞毒性，可穿透完整血脑屏障，对颅内肿瘤病灶开展高分辨成像，为脑肿瘤分子探针开发提供可行设计思路。
该研究重要发现者为 Wei Qin, Honghui Li, Jiali Chen, Yang Qiu, Limin Ma, and Liming Nie，论文标题为《Amphiphilic hemicyanine molecular probes crossing the blood‑brain barrier for intracranial optical imaging of glioblastoma》，发表于《Science Advances》。
重要发现
01探针分子的设计、合成与光学性质表征
研究基于D‑π‑A 分子骨架开展探针分子设计，选取半花菁染料体系，固定吲哚鎓离子作为电子受体，更换不同给电子芳香胺、噻吩单元，得到 IVPM、IVTM、IVTPO 三种探针分子。分子将亲水带电官能团接枝疏水有机骨架，构建两亲分子结构，同时控制分子量小于 500 Da，通过调整脂水分配系数 log P，改善血脑屏障穿透潜力。
研究采用密度泛函理论开展理论计算，计算得到不同给电子基团垂直电离能，电子给体能力排序为D₃>D₂>D₁；更强给电子能力可以增强分子内推‑拉电子效应，实现吸收增强与发射红移。分子二面角计算结果表明，三类探针分子整体构象平面度较高，有利于 π 电子离域，保障光学跃迁性能。
在二甲基亚砜体系内测定探针光学参数，IVTPO 摩尔消光系数可达 12.29×10⁴ M⁻¹ cm⁻¹，最大吸收波长 572nm，最大发射波长 635nm。水溶液体系测试显示，在 25-400 μg/mL 浓度区间，IVTPO 的荧光信号与光声信号强度和探针浓度具备线性对应关系。光稳定性对比实验显示，在同等持续激光照射条件下，商用染料 AOI987 荧光强度出现明显衰减，IVTPO 荧光信号没有显著下降，具备开展长时间光学成像的基础条件。IVTPO 的 log P 为 0.41，高于硫黄素 T，提示其脂溶性与血脑屏障穿透潜力更优。
02体外血脑屏障穿透与细胞生物学评价
研究采用bEnd.3 细胞构建 Transwell 体外血脑屏障单层模型，验证探针跨屏障扩散能力。实验选用伊文思蓝作为阴性对照，AOI987 作为阳性对照。伊文思蓝 120min 下跨膜扩散效率仅 2%；IVTPO 孵育 30min 即可在下层腔室检测到探针信号，定量跨细胞扩散效率 27%，与阳性对照 AOI987 的 26% 水平接近，证明体外条件下具备良好跨血脑屏障能力。
活体小鼠经尾静脉注射IVTPO 后，在 10min 与 30min 时间点即可在脑部检测到明显荧光信号；灌注取脑之后脑组织依旧保留较强荧光，证明探针可以穿透完整血脑屏障进入脑实质，而非仅仅滞留于脑血管内部。
选用巨噬细胞与U87-MG 胶质母细胞瘤细胞评估细胞摄取行为，共聚焦成像证实细胞可通过胞吞作用摄取 IVTPO 探针；延长孵育时间至 12h，细胞质内荧光信号逐步减弱，推测来自细胞代谢作用。细胞毒性实验结果显示，探针浓度 10-100 μg/mL 孵育 24h，几乎检测不到 PI 标记的死亡细胞，细胞毒性可忽略。连续 30 天静脉给药后对心、肝、脾、肺、肾、脑主要脏器开展组织学染色，未观察到水肿、充血、炎症等病理性损伤，证实探针体内生物安全性良好。
03原位胶质母细胞瘤模型的荧光‑光声在体成像
通过脑内注射mCherry 标记 U87-MG 细胞构建胶质母细胞瘤荷瘤小鼠，等待 7-13 天，脑部检测到红色生物发光信号，代表荷瘤模型构建成功。静脉注射 IVTPO 之后，小鼠脑部荧光信号显著升高，荧光分布区域与肿瘤生物发光信号位置重合，信号共定位分析证实探针在肿瘤区域富集。离体器官荧光成像显示，除去肝脏与肾脏代谢器官，探针可以特异性富集在脑肿瘤组织，该富集效应来源于肿瘤的高通透性和滞留效应以及探针本身两亲分子属性。脑组织苏木精‑伊红染色进一步确认肿瘤病理特征。
借助光声显微成像技术，在不打开颅骨的条件下开展原位肿瘤成像。静脉注射IVTPO 后，探针快速灌注进入肿瘤区域血管，肿瘤及周边光声信号明显提升。光声成像能够清晰分辨大脑皮层复杂血管网络、肿瘤形态位置，还可以观测探针的渗漏行为，可分辨尺寸 15.7 μm 的微小毛细血管。对正常脑组织区、瘤周区、肿瘤内部血管开展定量对比，只有肿瘤区域在探针给药后出现血管直径变化，正常与瘤周区域血管直径无明显改变，该特征可以辅助区分肿瘤病灶。研究进一步对早期、中期、晚期不同肿瘤进展阶段小鼠开展时序光声成像，观测不同病程下探针在颅内的信号动态变化，同时完成不同病程荷瘤小鼠主要器官离体荧光定量分析。研究提出 IVTPO 还有望拓展至影像引导手术、光动力与光热治疗方向，相关应用有待后续深入探索。
创新与亮点
该研究针对传统光学成像穿透深度有限、分子探针难以穿过血脑屏障两大难题，基于D‑π‑A 半花菁骨架，通过调控分子量与脂水分配系数，开发出两亲性近红外分子探针 IVTPO。该探针融合荧光‑光声双模成像优势，摆脱传统光学成像深度限制，能够在完整颅骨下直接对小鼠颅内胶质母细胞瘤开展高分辨在体成像，可识别微米级微血管结构，区分肿瘤、瘤周与正常脑组织血管特征。探针低毒、光稳定性优异，可实现肿瘤病灶信号特异性富集，为颅内脑肿瘤的活体分子成像提供全新探针设计策略，也为后续脑肿瘤影像引导诊疗工具开发提供实验基础。
总结与展望
该工作设计合成系列两亲半花菁探针，通过分子层面调控分子量与脂水分配系数，获得兼具血脑屏障穿透能力、良好光学性能与生物安全性的IVTPO 探针，实现完整颅骨下小鼠颅内胶质母细胞瘤荧光‑光声双模活体成像，解析不同病程肿瘤的成像特征。后续可进一步优化分子性能，推动探针向更高成像信噪比方向迭代，同时推进影像引导手术、光介导治疗等拓展应用的验证，为胶质母细胞瘤的基础研究与诊疗工具开发提供支撑。
论文信息
声明：本文仅用作学术目的。
Wei Qin et al. ,Amphiphilic hemicyanine molecular probes crossing the blood-brain barrier for intracranial optical imaging of glioblastoma.Sci. Adv.11,eadq5816(2025).
doi:10.1126/sciadv.adq5816
