一段话总结

该综述聚焦 2020-2025 年有机小分子荧光探针在脑缺血再灌注损伤（CIRI）机制研究中的应用，核心围绕活性氧（ROS）、活性硫（RSS）及相关酶类、微环境参数（pH、黏度）的检测，将探针按单标志物激活和微环境响应协同两类设计策略分类，强调探针通过优化响应位点（如硼酸苯酯、二硒键）和靶向修饰提升血脑屏障（BBB）穿透能力的关键进展，同时指出个体差异适配、体内分布不均、临床转化等现存挑战，展望了结合人工智能与多模态成像的诊疗一体化发展方向，为 CIRI 的机制解析与精准诊疗提供重要工具和参考。

图 1 脑缺血损伤级联反应机制：谷氨酸兴奋性毒性、炎症反应与血脑屏障的关联

一、思维导图

二、荧光探针的分类与核心应用（2020-2025 年）

该综述按设计策略将探针分为两类：

• 单标志物激活型探针

这类探针以单一生物标志物为检测目标，通过特异性响应位点与目标分子作用产生荧光信号，核心应用聚焦于活性氧（ROS）、活性硫（RSS）及相关酶类的精准检测，具体特性如下：

• 检测目标：涵盖多类与脑缺血再灌注损伤（CIRI）相关的生物分子，包括 ROS（过氧化氢 H₂O₂、次氯酸 HClO、羟基自由基・OH、过氧亚硝基阴离子 ONOO⁻、超氧阴离子 O₂⁻・）、RSS（谷胱甘肽 GSH、半胱氨酸 Cys、高半胱氨酸 Hcy 等生物硫醇），以及酶类（硫氧还蛋白还原酶 TrxR1/2、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 NAD (P) H）。

• 核心设计：采用特异性响应基团实现靶向识别，如硼酸苯酯（识别 H₂O₂）、酰肼（识别 HClO）、二硒键（识别 RSS）、二硫杂环戊烷（识别 TrxR）等；结合分子内电荷转移（ICT）、键能转移（TBET）、荧光共振能量转移（FRET）、氢原子转移（HAT）等光学响应机制，提升信号灵敏度与特异性。

• 关键特性：部分探针具备近红外成像能力，有效降低生物组织干扰；通过修饰亲疏水平衡基团、优化分子理化性质，提升血脑屏障（BBB）穿透性，部分探针体外 BBB 穿透率达 57%（如探针 12）；检测限极低，最低可达 3.88 nM（如检测 O₂⁻・的探针 14），荧光增强倍数范围为 30-425 倍，可实现目标分子的实时、原位监测；部分探针具备亚细胞靶向性（线粒体、溶酶体），进一步提升检测精准度。

• 微环境响应协同型探针

这类探针针对 CIRI 过程中微环境参数（pH、黏度）与生物标志物的协同变化设计，可实现多参数同步检测，核心应用及特性如下：

• 检测目标：聚焦微环境参数与生物标志物的协同监测，包括 pH 与 ONOO⁻（关联自噬过程）、黏度与 ROS（O₂⁻・、H₂O₂）等。

• 核心设计：基于微环境变化与生物标志物的级联反应机制构建，如 pH 协同型探针（探针 26）通过 “ONOO⁻氧化激活 + 酸性环境质子化增强” 的双激活机制，实现自噬过程的全程监测；黏度协同型探针通过限制二面角旋转响应黏度变化，同时整合 ROS 识别位点，实现多参数独立检测（如探针 28 通过不同波长荧光信号区分线粒体黏度与 O₂⁻・水平）。

• 关键特性：具备高时空分辨率，可捕捉 CIRI 过程中微环境与生物标志物的动态关联；部分探针（如探针 30）采用近红外荧光发色团， Stokes 位移达 290 nm，有效减少自吸收干扰；通过优化分子结构实现线粒体、溶酶体等亚细胞靶向，且 BBB 穿透性优异，可在活体脑内实现精准成像；荧光响应显著，如探针 30 对黏度的荧光增强倍数达 418 倍，能清晰反映 CIRI 过程中氧化应激与微环境变化的关联。

三、探针的核心设计优化与优势

• 响应位点优化：通过引入硼酸苯酯（H₂O₂识别）、二硒键（RSS 识别）、酰肼（HClO 识别）等特异性响应基团，提升探针对目标分子的选择性。

• BBB穿透性提升：通过修饰亲疏水平衡基团（如三乙二醇单甲醚）、优化分子量和电荷，部分探针实现高效 BBB 穿透，如探针 12 的体外 BBB 穿透率达 57%，探针 13 的Papp 值达 1.4623×10⁻⁵ cm/s。

• 光学性能升级：采用近红外荧光发色团、比率型成像、化学发光 / 生物发光技术，降低生物组织干扰，提升信号信噪比；部分探针 Stokes 位移达 155 nm（探针 6）、290 nm（探针 30），有效减少光谱重叠。

• 功能拓展：部分探针实现 “检测 - 标记”“成像 - 治疗” 协同，如探针 11 在检测 ONOO⁻的同时释放 CO 发挥抗氧化保护作用。

四、现存挑战

个体差异适配难题：小分子探针灵敏度极高，但生理状态下 ROS 浓度动态范围广，易出现信号饱和，需开发可调反应阈值的智能系统。

体内分布不均问题：探针的药代动力学（分子量、电荷、溶解度）调控不足，导致目标位点富集量不足，影响检测准确性。

微环境适应性有限：现有探针多针对单一微环境参数（pH / 黏度），对 CIRI 过程中动态变化的复杂微环境（多参数协同变化）适配性不足。

临床转化瓶颈：探针的长期生物相容性、规模化合成工艺、体内代谢与清除机制尚未完全明确，缺乏标准化的临床转化评估体系。

五、未来展望

技术融合创新：结合人工智能实现探针分子设计优化与筛选，加速研发周期；融合多模态成像技术，提升 CIRI 病理机制解析的精准度。

功能一体化发展：开发 “成像 - 诊断 - 治疗 - 监测” 一体化平台，实现 CIRI 的精准诊疗协同。

临床转化推进：建立统一的探针疗效与生物安全性评估标准，明确规模化合成与体内代谢机制，推动探针从预临床研究向临床应用转化。

应用场景拓展：实现手术中脑组织结构活性的实时评估，为 CIRI 相关疾病的个体化治疗提供技术支撑。

4. 关键问题

问题 1：近五年（2020-2025 年）CIRI 研究中，单标志物激活型荧光探针的核心检测目标及代表性响应机制是什么？

答案：核心检测目标包括三类：①ROS（H₂O₂、HClO、·OH、ONOO⁻、O₂⁻·）；②RSS（GSH、Cys、Hcy等生物硫醇）；③酶类（硫氧还蛋白还原酶 TrxR1/2、NAD (P) H）。代表性响应机制包括：硼酸苯酯与 H₂O₂的亲核攻击 - 酯键断裂反应、二硒键与 RSS 的硒硫交换反应、酰肼与 HClO 的氧化反应，以及分子内电荷转移（ICT）、键能转移（TBET）、荧光共振能量转移（FRET）、氢原子转移（HAT）等光学响应机制。

问题 2：为解决 BBB 穿透性差的关键问题，荧光探针采取了哪些优化策略？这些策略带来了哪些具体效果？

答案：优化策略主要包括：①修饰亲疏水平衡基团（如三乙二醇单甲醚）；②优化分子理化性质（分子量、电荷、脂水分配系数 Log P）；③引入脑靶向基团（如组胺受体激动剂药效团）。具体效果：部分探针实现高效 BBB 穿透，如探针 12 的Log P=2.04，体外 BBB 穿透率达 57%；探针 13 的 Log P=2.02，Papp 值达 1.4623×10⁻⁵ cm/s；探针 14 的 BBB 渗透率达 1.436×10⁻⁵ cm・s⁻¹，可有效富集于脑内损伤区域并实现目标分子成像。

问题 3：当前 CIRI 相关荧光探针面临的核心转化瓶颈是什么？未来突破方向有哪些？

答案：核心转化瓶颈包括：①长期生物相容性未明确，缺乏规模化合成工艺；②体内代谢途径与清除机制研究不足，潜在生物安全性风险；③缺乏统一的疗效与生物安全性评估标准，难以从预临床向临床转化。未来突破方向：①开展探针长期生物相容性、体内代谢机制的系统研究，优化规模化合成工艺；②建立标准化的探针性能评估体系（包括灵敏度、特异性、生物安全性等指标）；③开发 “诊疗一体化” 探针平台，结合光动力治疗等功能，提升临床应用价值；④融合人工智能与多模态成像技术，实现探针分子的精准设计与病理机制的深度解析。

一      审：张雅蓉

  二      审：马俊红

  三      审：郭   炜