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他，四院院士，最新Nature Photonics

来源：科诺科研

在外科手术中，尤其是腹盆腔手术，输尿管损伤是一种严重但常见的并发症。由于输尿管在白光下与周围组织难以区分，术中误伤风险较高。近红外（NIR）荧光成像，特别是NIR-I（800–1,000 nm）和NIR-II（1,000–3,000 nm）窗口的成像技术，因其能减少光散射和自发荧光，为术中导航提供了强大工具。目前临床上唯一广泛使用的NIR染料吲哚青绿（ICG）存在溶解度差、不稳定、高非特异性蛋白结合以及被网状内皮系统摄取等问题。尽管已有研究通过在荧光团上引入多个带电基团来改善水溶性，如IRDye800CW，但这种方法带来了非特异性结合和高成本合成等新问题。因此，开发兼具优异水溶性、生物相容性、稳定性以及高成像性能的新型NIR-I和NIR-II染料，仍是临床应用中一项迫切需求。

鉴于此，香港大学的戴宏杰教授开发了一种新型近中性花菁/α-环糊精轮烷染料——SID-788（超惰性染料）。该染料具有卓越的水溶性（约29 mg ml⁻¹）、极低的血清蛋白及组织非特异性结合与滞留，可在数小时内通过肾脏完全排泄，并表现出优异的稳定性。利用这种染料，研究团队在NIR-II宽场成像以及临床批准的NIR-I腹腔镜和机器人手术系统中，成功实现了小鼠和猪的高性能输尿管成像。该设计可支持高达标准成像剂量（0.5 mg kg⁻¹）500倍的安全给药剂量，为其临床转化铺平了道路。

合成与光学表征

SID-788的合成通过三步简便反应完成，总产率适中。其结构经核磁共振（NMR）、液质联用（LC-MS）和高分辨质谱确认，关键步骤是一个α-环糊精（α-CD）分子穿入七碳聚甲川链，形成互锁结构（图1a、1b）。研究显示，该单电荷染料在室温下的水溶性高达约29 mg ml⁻¹，远超ICG。在稳定性测试中，SID-788在胎牛血清（FBS）中表现出比IRDye800CW和ZW800-1更高的稳定性（图1c）。在磷酸盐缓冲液（PBS）中，SID-788的荧光衰减最小，归因于α-CD的封装保护了花菁桥免于氧化和亲核攻击。重要的是，SID-788在PBS和FBS中表现出相同的光稳定性，是唯一一种未因血清蛋白结合而增强稳定性的染料（图1d）。光谱特性方面，SID-788在788 nm处有吸收峰，摩尔消光系数高达1.94×10⁵ M⁻¹ cm⁻¹，发射峰在815 nm，其尾部延伸至NIR-II窗口（1,000–1,400 nm）。在模拟组织实验中，SID-788在4 mm厚度下仍保持显著荧光，而ZW800-1和IRDye800CW在2 mm外即无法检测，显示了其卓越的亮度、穿透深度以及与临床激光器的兼容性。

图 1 | SID 的合成与光学表征

体内超惰性行为与快速肾排泄

SID-788在水、PBS和FBS中均以分子形式分散，无聚集或蛋白结合。小鼠静脉注射后，NIR-II视频成像显示，1分钟内即可观察到强烈的膀胱信号，30分钟后体内循环信号基本消失，体侧荧光半衰期仅为10.6分钟（图2a、2b）。相比之下，水解的IRDye800CW和ZW800-1表现出更长的半衰期（分别为95.8分钟和19.8分钟）及明显的肝脏或肠道信号。对注射SID-788后24小时内收集的小鼠尿液进行LC-MS分析，检测到约94.0%的原始形式染料，未观察到明显代谢产物（图2c）。细胞实验进一步证实，SID-788在两种细胞系中均无任何非特异性结合，荧光分布与PBS对照组几乎一致。

图 2 | SID-788 体内

急慢性毒性评估

为评估生物安全性，研究人员对小鼠静脉注射了不同剂量的SID-788（最高达250 mg kg⁻¹，为成像剂量的500倍）。所有小鼠均未出现异常行为或痛苦迹象。即使在500倍超高剂量下，小鼠仅出现因超高染料浓度引起的短暂皮肤黄绿色变，并在30分钟内随尿液排出而消失（图3a）。24小时后的血清生化分析（包括肝功能指标ALT、AST、ALP、ALB，肾功能指标CREA）、血液学指标（WBC、Lym、Neu、RBC、HGB）以及主要器官的组织切片（H&E染色）均显示，所有指标均处于正常生理范围，未见组织损伤或炎症浸润（图3b–3d）。在为期两周的重复给药慢性毒性试验中，小鼠同样表现出良好的耐受性，无累积毒性效应。

图 3 | SID-788的大剂量耐受性和生物安全性评估

小鼠输尿管成像

在小鼠开放手术模型中，静脉注射SID-788（0.5 mg kg⁻¹）后40秒内，即可在NIR-II窗口（>1,300 nm）观察到肾脏和输尿管的清晰荧光信号。与NIR-I窗口（850–1,000 nm，信背比SBR为3.0）相比，更长波长的NIR-II成像（>1,300 nm）提供了更锐利、对比度更高的图像，SBR高达9.8（图4b、4c）。而等摩尔剂量的ZW800-1在相同窗口下SBR仅为3.5。主成分分析（PCA）成功区分了快速动脉灌注、慢速静脉回流和尿液排泄三种血流动力学过程（图4d）。

图 4 | 小鼠NIR-II输尿管成像

使用临床腹腔镜和机器人系统进行的猪输尿管NIR成像

为实现临床转化，研究人员在猪模型中使用了临床NIR-I腹腔镜（HyPixel UX5）进行成像。静脉注射SID-788（0.15 mg kg⁻¹）后，输尿管在腹膜下清晰可见，成像窗口长达约4小时，最佳信背比（SBR）可达约7（图5b–5e）。基于种间换算，人体等效剂量约为0.10 mg kg⁻¹。此外，研究团队在荧光腹腔镜机器人系统下模拟了输尿管梗阻与恢复手术。注射SID-788后，夹闭的输尿管在梗阻部位上游因尿液积聚而显示强烈荧光，而下游无信号；松开夹钳后，下游荧光信号立即恢复，证实了染料在评估输尿管通畅性方面的巨大潜力（图6b、6c）。

图 5 | 使用临床近红外I型腹腔镜对猪输尿管中的SID-788进行近红外成像

图 6 | 在猪模型中，使用SID-788荧光输尿管成像引导的机器人手术

总结与展望

本研究成功合成并验证了SID-788——一种由α-CD穿入花菁染料构成的超惰性近红外荧光轮烷染料。其独特的互锁结构赋予了染料卓越的水溶性、光稳定性、化学稳定性以及近乎完美的生物相容性，实现了体内超低非特异性吸附和快速完全的肾脏清除，避免了其他染料常见的肝胆摄取和组织滞留问题。该策略已显示出通用性，可用于合成多种新型可溶性生物成像染料。未来，通过在SID-788分子末端引入功能基团，可将其与抗体或靶向配体偶联，用于癌症、免疫细胞、神经等的分子成像。这类新型染料凭借其超惰性、高生物相容性和可修饰性，有望在基础研究和临床转化中发挥关键作用，尤其是在使用开放式系统、腹腔镜及机器人系统进行的NIR-I和NIR-II成像引导手术中，为诊断、预后和术中导航提供强大工具。

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