南开大学熊虎研究员团队近年来重要工作概览

熊虎，南开大学化学学院特聘研究员、博士生导师。2009年6月毕业于郑州大学，获理学学士学位；2014年7月于中国科学院上海有机化学研究所获理学博士学位，师从唐勇院士和谢作伟院士；2014年9月至2018年11月，于美国德克萨斯大学西南医学中心从事博士后研究工作，合作导师为Daniel J. Siegwart；2018年12月作为引进人才入职南开大学化学学院，主要从事活体光学传感与成像方面的研究工作：1）开发了系列激活型近红外小分子荧光探针，并通过调控其亲疏水性（LogP）和“双钥匙锁”等策略，实现非肝器官中靶标的高信噪比荧光传感分析；2）发展了系列点亮型生物发光探针，并通过CAR技术调控器官选择性光学成像分析。代表性工作发表在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、ACS Cent. Sci.等国际著名期刊上。

本文选取熊虎研究员近五年来在肿瘤光学成像领域的相关文章来介绍该课题组所取得的成果。

（一）高亮度pH激活型BODIPY探针的创制及骨转移癌荧光成像

癌症转移是造成癌症患者死亡的主要原因，严重威胁人类健康。骨、肝脏和肺是癌症患者最常见的肿瘤转移部位。虽然原发性骨癌在所有癌症中的比例不足0.2%，但70%的恶性肿瘤患者均易产生骨转移，尤其是乳腺癌和前列腺癌患者。如何对骨转移癌进行早期精准检测是该领域的研究热点与难点。熊虎课题组利用轴向取代基效应设计合成了一系列高亮度pH激活型近红外BODIPY探针，可以对深部组织中的早期乳腺癌骨转移进行非侵入性活体荧光成像（图1）。这些轴向取代基一方面可以调节探针的pKa，另一方面通过限制非辐射键旋转和抑制BODIPY分子发生H聚集提高探针的亮度，水中量子产率高达22.8%。双膦酸基团修饰的探针BODO-3-PO₃H₂可以成功靶向和可视化深部组织中的乳腺癌骨转移瘤，信噪比高达 8/1，并在早期检测中优于X 射线（ACS Cent. Sci. 2021, 7, 2039–2048）。

图1. 高亮度pH激活型近红外BODIPY探针用于骨转移癌荧光成像

（二）基于BOIMPY的具有高亮度和超过1000 nm吸收的NIR-II生物成像荧光探针

近红外二区（NIR-II，1000-1700 nm）荧光成像由于其更高的空间分辨率、更深的组织穿透和更低的体内自发荧光，在生物成像和疾病诊断中具有很大的前景。现有的大部分供体-受体-供体（D-A-D）型荧光团最大吸收波长仍小于850 nm，这在很大程度上削弱了它们在深层组织穿透和高成像分辨率方面的能力。熊虎课题组报道了一种明亮的基于BOIMPY的D-A-D型NIR-II荧光探针（NK1143），它在1005/1143 nm处具有峰值吸收/发射，并可以用于体内高分辨生物成像（图2）。NK1143、SC12（分子间位阻调节分子）和DSPE-PEG2000的共组装纳米探针（NK1143-SC12-NPs）可有效抑制NK1143在水溶液中发生H聚集，通过协同空间位阻调节策略使荧光团亮度提高了53倍。该纳米探针具有 8 mm的光学穿透深度，可进行体内高分辨率血管成像，在980 nm激光激发下显示出7.8/1的高信噪比。更重要的是，NK1143-SC12-NPs可以快速被动靶向并清晰地显示多种类型的皮下肿瘤和肠转移瘤，并成功用于荧光引导手术切除（ACS Nano, 2022, 16, 17424–17434）。

图2. 近红外二区BOIMPY探针用于高分辨生物成像

（三）吸电子取代基（-NO₂）增强BODIPY探针的NIR-II荧光

目前NIR-II染料制备策略主要包括扩展π-共轭骨架和增强电子供体（D）和受体（A）。然而，由于共轭体系大和分子间π–π相互作用，多数NIR-II荧光探针都存在聚集引起的发射猝灭（ACQ）问题。熊虎课题组发展了一种构建高亮度NIR-II J-聚集体的吸电子取代基策略，用于活体的动态成像和信息加密（图3）。通过在BODIPY骨架的3,5-位和meso位引入吸电子取代基（如F、NO₂）来构建高亮度NIR-II J-聚集体：（1）增加分子间静电排斥效应，以削弱面对面堆积并增加滑移距离，（2）降低π-共轭体系的π-电子密度，以促进分子间紧密堆积并加强分子间相互作用。值得注意的是，具有更高静电斥力和更强分子间氢键的NOBDP-NO₂能够形成高度有序的J-型BODIPY聚集体，并在1065 nm处表现出明亮的固态荧光。利用该类BODIPY分子可以进行高分辨淋巴结实时成像和高级编码信息加密（Angew. Chem. Int. Ed., 2023, 62, e202313166）。

图3. 吸电子取代基策略构建高亮度NIR-II J-聚集体及生物应用

（四）“双钥匙-锁” NIR-II非对称花菁染料用于肝外疾病的高对比度光学诊疗

七甲川花菁染料因其独特的共轭结构和突出的光学性能，在生物成像和疾病诊断分析中备受青睐。然而常用的花菁染料大部分都是对称结构的“常亮”型染料（如ICG、IR-820等）。这样的结构也决定了它们具有较小的斯托克斯位移（<50 nm）和较差的光学/化学稳定性。此外，“常亮”型花菁染料会在分析过程中连续发出荧光信号并且很容易在肝脏中积累，从而显示出较高的肝脏背景荧光。这样会导致肝脏和疾病组织之间的信号对比度下降，不利于肝外疾病的准确诊断和治疗。那么，如何设计一个策略来解决上述的问题呢？熊虎课题组通过“双钥匙-锁”策略设计合成了一系列pH/粘度协同激活的NIR-II非对称花菁染料，实现了在肝外疾病中的高对比度可激活光学诊疗（图4）。该类探针具有较低的pKa（<4.0），仅在溶酶体pH（钥匙1）下呈现出微弱的NIR-II荧光。然而，在疾病组织中，其NIR-II荧光可以完全开启并通过细胞内粘度（钥匙2）显著增强，这样就提高了疾病组织和正常组织之间的信号对比度。

图4. “双钥匙-锁”非对称花菁染料的响应机制和肝外疾病模型分析

利用该类不对称花菁染料可以进行高信噪比肝/肠转移瘤成像、急性胃炎成像以及光热杀菌。他们将探针NSCy-975与葡萄糖胺官能化的聚乙二醇和二硫键连接的抗癌药物共价偶联，得到靶向型诊疗一体化探针NSCy-1050（图4C）。探针NSCy-1050能够在肿瘤中有效富集并选择性激活，肿瘤和肝脏荧光信号比高达19.5/1。更重要的是，通过联合pH激活的光热疗法和GSH激活的化学疗法，肿瘤生长受到显著抑制（Angew. Chem. Int. Ed., 2023, 62, e202309768）。

（五）生物发光成像精确描绘肝、脾、肠道中癌症转移灶边界

萤火虫发光是自然界当中一类非常有趣的生物发光现象，它体内的发光细胞中含有荧光素和荧光素酶两种化学物质，荧光素在荧光素酶的作用下，发生氧化反应，形成“生物发光”光源。与荧光成像相比，生物发光成像具有不需要外部光源激发和信噪比超高的优势。然而，人体或小动物的组织细胞中并无可以产生荧光素酶的报告基因，那么如何利用生物发光进行疾病诊疗呢？熊虎课题组利用模块化策略设计合成了一类生物可降解小分子脂质材料，通过改善脂质纳米颗粒（LNPs）内涵体逃逸和mRNA释放环节，显著提高mRNA体内递送效率，并实现了癌症转移灶精准成像（图5）。该类材料能够非常高效地递送荧光素酶mRNA，并在癌细胞中表达产生更多的荧光素酶蛋白，实现通过生物发光成像将肿瘤细胞与正常细胞进行区分，信噪比高达60/1（J. Am. Chem. Soc., 2023, 145, 24302–24314）。

图5. 生物发光用于癌症转移灶精准成像

以上为熊虎研究员课题组近年来具有代表性的工作成果，其它更多具体详细的信息请参考该课题组的网站：https://www.x-mol.com/groups/Xiong_Hu  。此外，该课题组欢迎有志于科研，并对其研究方向感兴趣的同学联系报考硕士/博士以及博士后岗位。

熊虎研究员课题组成员