光学成像,如近红外荧光成像,能够以高灵敏度和特异性实现疾病相关生物标志物的非侵入性和实时可视化。然而,近红外荧光成像的穿透深度通常有限,使得光学成像只能观察到浅表的疾病相关分子的变化。尽管荧光成像的穿透深度有限,但和光声技术结合,可以解决穿透深度有限的问题。因此,具有荧光和光声效应互补优势的近红外荧光/光声双模成像有望改善活体疾病相关生物标志物的成像输出。此外,组织自身荧光、光漂白和探针浓度的变化会引起一定的假信号,这使得仅在单通道开启近红外荧光或光声成像不可靠。比率型的检测通过引入参考信号代替绝对的信号输出,极大地提高了信号的稳定性和准确性,对活性分子的准确定量检测具有很大的潜力。因此,近红外荧光/光声双比率分子探针是活体定量分析检测的强有力分子工具。然而,由于以下原因,目前常用的近红外染料还远远不能成为开发高性能近红外荧光/光声双比率型分子探针的理想支架:(1)普通荧光/光声性能易调控的近红外染料,如含氧半花菁,其吸收和发射波长不够长,在构vitamin biosynthesis建近红外双比率探针时无法与目前商业化的活体荧光成像和光声成像仪器相匹配;(2)很多近红外染料是高荧光发射分子,然而其荧光产生途径(辐射跃迁)和光声产生途径(非辐射跃迁)总是相互竞争的,这将不可避免地影响荧光信号与光声信号的输出,所以很难在单个近红外染料母体中平衡荧光与光声的能量分布。本文针对以上近红外荧光/光声双比率分子探针所面临的棘手问题,通过平衡辐射跃迁与非辐射跃迁的能量分布以及增加染料分子的吸收和发射波长,构筑了一系列双比率近红外荧光/光声染料支架,并设计了近红外荧光/光声双比率分子探针用于肿瘤乏氧的定量检测、肿瘤诊疗与定量预测研究。主要内容如下:(1)针对单个近红外染料所吸收的激发能是固定的,其荧光产生途径(辐射跃迁)和光声产生途径(非辐射跃迁)总是相互竞争的问题,本工作提出能量平衡策略,在经典含氧半花菁染料分子结构中,通过硫取代氧原子的简单设计,巧妙地调控了荧光辐射跃迁和光声非辐射跃迁之间的能量平衡,构建双比率型近红外荧光/光声染料支架。由于硫原子取代氧原子,使得该类半花菁染料,展现出双比率型近红外荧光/光声性能;与经典的含GDC-0973分子量氧半花菁染料相比,其吸收与发射波长明显红移,且荧光量子产率明显下降和光声性能明显上升,这一升一降显示探针分子中荧光的辐射跃迁与光声的非辐射跃迁之间达到能量平衡。(2)基于第二章优化此网站的新型含硫半花菁支架,本章设计合成了近红外荧光/光声双比率型硝基还原酶探针AS?Cy?NO_2,这使得肿瘤乏氧在体内的深度定量可视化成为可能。探针AS?Cy?NO_2,由一个新的近红外荧光/光声硫杂半花菁(AS?Cy?1)和一个4?硝基苯部分组成,当被与肿瘤乏氧相关的生物标志物(硝基还原酶)激活时,表现出10倍的近红外荧光信号增强(I_(773)/I_(733))和2.4倍的光声信号增强(PA_(730)/PA_(670))。体内实验结果表明,通过比率光声的3D最大强度投影光声图像对异种移植乳腺癌模型中精确区分实体瘤中高度异质性的氧分布,展示出双比率近红外荧光/光声在活体成像定量分析方面的可行性。(3)从单分子诊疗一体化探针出发,针对单个近红外染料分子的高效光热治疗功能与荧光成像产生路径相冲突的问题,本章在近红外荧光/光声双比率染料骨架中引入对光吸收增强的分子转子用于同时增强其光热、光声性能和保留荧光性能,设计合成了一系列近红外荧光/光声双比率诊疗一体化分子染料。实验结果证明分子转子的引入能有效提高半花菁染料的摩尔消光系数(PBS中ε_(max)=6.7×10~4,提高了1.9倍相比于对照PBS中ε_(max)=3.5×10~4)。通过测试这些染料的光热与荧光性能,结果表明,相比于对照染料,修饰改造后的染料如AF?1F的光热转化效率(photothermal conversion efficiency,PCE)提高了1.4倍(63%,对照染料BS?Cy?1,45%);荧光量子产率不变(PBS中AF?1F,Φ=0.019;BS?Cy?1,Φ=0.020)。幸运的是,p H诱导的吸收光谱和发射光谱的最大吸收和发射波长都发生了相应的红移,这将为实现荧光/光声双比率成像提供良好的前提条件。设计合成的双比率单分子诊疗探针在肿瘤精准治疗方面具有潜在的应用前景。(4)基于设计合成的双比率单分子诊疗探针,本章报道了首个特异性激活其比率荧光(FL_(850)/FL_(750))、比率光声(PA_(770)/PA_(670))和光热信号的单分子诊疗探针(AF?1F?NO_2),响应肿瘤过表达酶(硝基还原酶)启动光热治疗并定量评估光热治疗在体内的疗效。利用FL_(850)/FL_(750)和PA_(770)/PA_(670)对硝基还原酶反应的不同开关,AF?1F?NO_2可以实现体内硝基还原酶的非侵入性和定量双模成像,确认乏氧诱导光热治疗后4T1肿瘤中硝基还原酶水平的降低。特别是探针的三维(3D)图像可以精确地验证光热治疗后4T1荷瘤小鼠中较小的非均匀性氧分布。通过协同调控平衡策略构筑双比率型诊疗分子探针为精准医学其他治疗方式的体内诊断、治疗和疗效定量预测提供了新的思路。