内容提要
小分子激活探针（SMAPs）可通过分子结构设计，实现对不同生物标志物的识别。针对近红外（NIR）区域（900-1880nm）的SMAPs，与可见光（400-700 nm）SMAPs相比，近红外光波长更长，在生物组织中的散射和吸收更低，穿透深度显著优于可见光，且自体荧光弱、成像信噪比高，适用于深层组织观察与高灵敏度检测。经修饰后，近红外SMAPs能更快速地响应与体内生理参数相关的各类肿瘤及炎症变化，可精准检测癌症转移、实现靶向性更佳的治疗方案，并改善癌症预后。本文根据不同生物标志物类型，介绍了近红外I区（700-900 nm）/近红外II区（900-1880 nm）SMAPs的触发机制、其在癌症成像与治疗中的应用，以及新兴的多模态引导成像与肿瘤治疗方案。
基于生物标志物响应的近红外小分子激活探针
近红外SMAPs分子探针仅在被生物标志物选择性激活时才产生可观察信号。生物标志物包括但不限于神经递质、激素、细胞因子等，在生物体内信息传递中发挥关键作用。以荧光信号分子激活探针为例，未与信号分子结合时，荧光团可能因与淬灭基团靠近而无法发射荧光；当信号分子结合后，分子构象发生改变，荧光团与淬灭基团分离，荧光信号释放，从而实现对信号分子的检测。在细胞信号转导研究中，信号分子激活探针可用于实时监测细胞内信号分子的动态变化；在疾病诊断领域，部分疾病会导致信号分子异常表达或分泌，信号分子激活探针可检测这些异常信号分子，辅助疾病早期诊断。例如，肿瘤细胞中特定生长因子信号分子会过度表达，通过使用靶向这类生长因子的激活探针，可在肿瘤早期检测到异常信号。本文主要介绍几类常见的生物标志物响应型近红外SMAPs，包括氧化还原物种激活型、酶物种激活型、配位物种激活型及肿瘤微环境激活型。
氧化还原物种激活型
生物氧化还原物种是生物体内的重要组成部分，主要包括活性氧（ROS）、活性硫（RSS）、活性氮（RNS）等。其中，ROS中的超氧阴离子（O₂⁻）、单线态氧（¹O₂）、过氧化物（O₂²⁻）属于高活性ROS，对生理与病理状态下的氧化还原平衡至关重要；RSS的主要成分是过硫化物（H₂S₂）与硫化氢（H₂S）；RNS的主要成分是过氧亚硝酸盐（ONOO⁻）与一氧化氮（NO），这类探针通过直接氧化反应激活，如监测O₂⁻的探针含酚羟基，监测¹O₂的探针含硫醚/胺基等，反应后分子结构、共轭体系或电子云分布改变，进而改变荧光性质。
活性硫激活型
硫是RSS类物质的组成成分，对生物系统至关重要，参与多种信号转导通路。典型的RSS包括小分子生物巯基、H₂S、H₂S₂及多硫化氢（H₂Sₙ，n≥2）。其中，用于检测H₂S的近红外SMAPs基于H₂S的强亲核性与还原性开发，其通用反应机制分为三类：亲核加成反应；还原反应；金属配位反应。
Chen团队提出了一种用于内源性H₂S长期成像与实时监测的方法，设计了H₂S响应型SMAP（Cy796），其结构中引入呋喃基团实现光激活RNA共价交联。在H₂S存在下，吸收与发射光谱均发生蓝移，荧光量子产率（QY）从7.42%提升至27.70%，同时¹O₂产率降低，有效避免¹O₂介导的氧化性荧光淬灭。Zhang等人开发了一种新型水溶性近红外SMAP（CySO₃N₃），用于实时监测细胞损伤与修复过程中H₂S的动态变化。在多器官检测领域，Song等人开发了H₂S激活的近红外II区化学发光单分子探针（CD-950），该探针具有供体-受体-供体（D-A-D）结构，以苯并[1,2-c,4,5-c']双([1,2,5]噻二唑)（BBTD）为近红外II区荧光团受体，以Schaap二氧杂环丁烷为化学发光供体。Shen等人报道了一种由H₂S₂介导的新型二硫醇形成反应，并基于该反应构建了首个近红外II区荧光（FL）/光声（PA）双模态SMAP（NIR-II-H₂S₂），可精准定量显示脂多糖（LPS）/二甲双胍（MET）诱导的肝损伤中H₂S₂的波动，该探针通过双比率信号（荧光I₈₅₀/I₁₀₀₀增强107倍）精准定量H₂S₂的动态变化，且与肝损伤指标（谷丙转氨酶（ALT）/谷草转氨酶（AST））及胱硫醚γ-裂解酶（CSE）表达水平呈强相关性。
活性氮激活型
RNS是一类由氮元素组成、化学性质较活泼的物质，在生物体与化学反应中均发挥重要作用，研究人员可将RNS作为病变诊断与成像的信号分子。常见的活性氮物种主要为NO与ONOO⁻。现有NO激活机制可分为：以邻苯二胺为NO识别受体单元，实现光致电子转移（PeT）过程；荧光探针与NO反应生成强荧光产物；荧光探针与NO发生S-亚硝基化反应；荧光探针识别NO后发生分子内ICT过程。在细胞水平，Zhao等人开发合成了双响应近红外II区SMAP（BOD-NH-SC），用于实时追踪活细胞中NO与H₂S的动态变化。该探针通过S-亚硝基化与反亚硝基化机制，在NO存在下激活645nm处的近红外荧光（NFL），可通过循环反应实现荧光信号的反复切换。在器官与活体成像水平，Liu等人基于供体-受体-供体（D-A-D）结构构建了近红外SMAP（LS-NO），用于实时检测炎症性肠病（IBD）中的NO动态变化。该探针以二氨基苯并噻二唑为NO响应基团，通过增强ICT机制设计引入三唑环修饰，实现近红外荧光特性。Wu等人通过在七甲川花青两端杂环上引入两条亲水性、生物相容性三甘醇链，改善发色团的水溶性与生物相容性，通过近红外II区FLI与3D-磁共振光学断层扫描（MOST）成像检测生物标志物NO；Liu等人报道了一种线粒体靶向的近红外比率型SMAP（NFL-NH₂），用于追踪类风湿关节炎（RA）中的NO，该探针由二氨基苯基识别基团与半花青衍生的荧光团组成。过氧亚硝酸盐（ONOO⁻）是ROS与RNS的关键中间体，由O₂⁻与NO・快速反应生成。ONOO⁻是生物体内活性极强的氧化剂，与癌症、肝损伤、肾损伤等多种病理状态密切相关。基于ONOO⁻的病理作用，研究人员将其应用于近红外SMAPs，实现高灵敏度靶向检测。ONOO⁻激活型近红外SMAPs的机制可分为：氮氧化物脱烷基化机制；硼酸与硼酸酯反应机制；手性化合物氧化反应机制；碳-碳双键断裂反应机制；酰肼氧化反应机制。Mao等人近期报道了一种用于监测细胞焦亡过程中ONOO⁻活性的新型近红外SMAP（Rd700-PN），该探针以THQ-呫吨染料（Rd700）为荧光团，其羟基与吲哚衍生物共轭以实现对ONOO⁻的灵敏响应。Zhang等人报道了一种用于体内检测ONOO⁻特异性炎症的双模态探针，为评估顺铂诱导的急性肾损伤中ONOO⁻含量变化，开发了线粒体靶向的近红外FL/PA探针（SiRho-HD）。在ONOO⁻存在下，SiRho-HD的共轭结构解体，导致719nm处光声强度降低。
酶物种激活型
酶在生理、病理及药理过程中起关键作用，与癌症密切相关，是重要生物标志物。常见的酶物种包括γ-谷氨酰转肽酶（GGT）、碱性磷酸酶（ALP）、β-半乳糖苷酶（β-gal）等。酶激活型近红外SMAPs通过引入特异性识别结构响应不同酶；GGT探针以L-谷氨酸/γ-谷氨酰为识别基团，酪氨酸酶（TYR）探针以酚羟基为识别基团，通过酶催化反应释放荧光团，产生荧光信号。这类探针可实现酶活性的高信噪比、低检测限成像，在癌症早期诊断与治疗监测中至关重要。
配位物种激活型
配位化学的核心是中心金属离子与配体通过配位键形成特异性相互作用。人体内常见的配位中心离子包括Fe³⁺/Fe²⁺、Cu²⁺/Cu⁺、Zn²⁺、Hg²⁺等，近红外SMAPs通过配体（含O、N、S等配位原子）与这些离子配位，触发光致电子转移（PeT）、荧光共振能量转移（FRET）等机制，产生荧光信号变化。Fe²⁺探针以N-氧化物为识别位点，Cu²⁺探针以硫醚/胺基为配位位点，Zn²⁺探针以二吡啶甲基胺（DPA）为多齿配体，Hg²⁺探针以巯基（-SH）及其衍生物为高亲和力识别基团，实现对金属离子的特异性检测，维持体内稳态监测。
肿瘤微环境激活型
肿瘤微环境（TME）的典型特征是异常pH值与缺氧状态，与肿瘤生长、转移及治疗耐药密切相关。肿瘤微环境通常呈酸性，pH响应型探针通过质子化/去质子化改变荧光性质，如基于苯并噻吩吡咯五甲基花青（BTC）的探针BTC1070可定量检测胃内pH，基于FRET技术的近红外II区探针pTAS可动态监测肿瘤微环境pH。缺氧环境下肿瘤易产生治疗耐药性，人体内约50%-60%的实体瘤处于缺氧区域。硝基还原酶（NTR）表达水平与细胞缺氧状态直接相关，是缺氧检测的关键靶标。缺氧激活型探针以硝基咪唑等为缺氧敏感模块，响应NTR后释放荧光团，实现成像与光热治疗。
pH激活型
肿瘤细胞的微环境通常是酸性的，而pH响应近红外SMAPs可以对这种酸性环境产生响应，一些基于FRET原理设计的pH探针在酸性条件下改变荧光团之间的能量转移效率，导致FL信号发生变化，从而实现对肿瘤微环境pH的检测。花青、BODIPY、香豆素、萘甲酰胺和罗丹明的初级骨架作为pH激活探针的基础。BODIPY衍生物具有上级发光和光稳定性，可用作常规的pH激活探针。荧光染料可实现pH检测，并通过在适当的位置添加不同的基团产生新的发光。通过质子化和去质子化pH传感位点，菁和精菁基探针可检测pH。
Zhang等人基于苯并噻唑五甲基花青（BTC）合成了用于检测胃pH的近红外SMAPs。BTC1070的质子化行为和电子物理特性受到其苯并噻唑杂环上的二乙氨基的极大影响。基于FRET技术，Zhang等创建了用于动态视觉监测肿瘤微环境pH的NIR-IISMAP（pTAS）。通过调节供体的摩尔比，实现了pH转变点（pH）的灵活调节（NAB）与前受体（NRh），该传感器具有较高灵敏度和可靠性（变异系数<1%）在体内和体外实验中，并成功监测到肿瘤区域pH值的动态变化（如血管闭塞导致的pH值下降和碳酸氢钠注射导致的pH值升高）本研究为近红外荧光传感器在生物医学领域的应用提供了一种通用的、有效的动态、肿瘤微环境的实时pH监测。Chen等人报道的pH响应性NIRSMAP（Cy-Nap）由Mcl-1蛋白靶向单元（Nap）、七甲川花青荧光团和哌嗪pH响应性片段组成，哌嗪环的质子化导致分子共轭体系的变化，触发FL信号的增强和光热效应的激活。
总结
本文综述了近红外SMAPs在癌症检测与治疗中的研究，基于生物标志物响应分为氧化还原物种、酶物种、配位物种、肿瘤微环境激活型，覆盖癌症发生发展的关键靶标；以荧光/光声（FL/PA）双模态成像为主，兼具高灵敏度与高分辨率，可实现深层组织非侵入性成像；以PTT/PDT双模态治疗为核心，结合免疫治疗，提升肿瘤杀伤效率，减少正常组织损伤。因肿瘤微环境复杂，探针易受干扰，需优化分子设计以提升对靶标的特异性识别；且探针易光漂白，复杂结构探针合成步骤多、稳定性差，缺乏统一的评价标准，临床转化速度慢。未来发展过程中，可引入聚集诱导发光AIE，开发近红外II区探针以提升穿透深度；结合FLI、PAI、MRI等技术，实现癌症精准定位与定量分析；建立探针评价标准，参照FDA药品良好实验室规范（GLP）开展安全性研究。
参考文献
Recent advances in NIR small molecule activable probes for imaging and therapy，Jiashuo Ye，Dayang Wang，Ziyan Wang，Mengyu Cao , Youqing Shen，Bing Yu* ，Hailin Cong*，Coord. Chem. Rev.，2025，543，216904，https://doi.org/10.1016/j.ccr.2025.216904.
