综述：可激活的基于Schaap 1,2-二氧杂环丁烷的近红外化学发光探针，用于生物成像应用

《Chemical & Biomedical Imaging》：Activatable NIR Schaap’s 1,2-Dioxetane-Based Chemiluminescent Probes for Bioimaging Applications

本文综述了基于Schaap的1,2-二氧六环体系的近红外化学发光探针（NIR CL探针）设计策略及其在疾病诊断与治疗中的应用，包括通过CRET或直接发射机制扩展发射至近红外区，并用于检测活性氧、硫化氢及酶等生物标志物，实现肿瘤、炎症和肾肝损伤的活体成像与光动力治疗。同时探讨了当前技术挑战及未来发展方向。

　　
本文系统综述了基于Schaap的1,2-二氧戊环化学发光探针（CL probes）在近红外（NIR）波段的分子设计策略及其在生物医学领域的应用进展，重点分析了化学发光（CL）成像技术通过酶响应或活性氧/硫化物激活的检测机制，并探讨了当前技术瓶颈与未来发展方向。

### 一、Schaap体系在NIR化学发光探针中的优势
传统化学发光探针（如 luminol、peroxyoxalates）因发射波长局限于可见光区（400-650 nm），存在组织穿透深度浅（<1 cm）、背景荧光干扰等问题。而基于Schaap 1,2-二氧戊环的NIR化学发光体系通过分子工程改造，实现了两大突破性进展：
1. **分子可修饰性**：通过苯环取代基的电子效应调控（如硫/硒替代、氯原子引入），可将发射红移至650-750 nm波段，显著提升组织穿透能力（实验证实可达2 cm深度）。
2. **激活机制多样性**：通过化学修饰实现探针对特定酶（如CatB、MMP-2）、代谢物（H2S、ONOO-）或病理微环境（缺氧、炎症）的特异性响应，使信号检测灵敏度达到10-50 nM量级。

### 二、分子设计策略与技术创新
#### （一）能量转移增强型（CRET模式）
通过构建二氧戊环供体-近红外受体（如Ir(III)配合物、AIE染料）的共价复合物，实现能量高效传递。例如：
- **IrCL系列探针**：将Ir(III)配合物与二氧戊环供体通过 linker连接，利用光敏剂在690 nm激发下产生活性氧（ROS），通过能量转移实现615-705 nm可调的NIR发射。体内实验显示其可在肌肉注射后实现15分钟动态监测缺氧状态。
- **DCL/TBQ纳米平台**：整合1,2-二氧戊环供体与近红外荧光聚合物的纳米结构，通过自解离接头增强ONOO-特异性，实现肿瘤成像与光动力治疗（PDT）同步，肿瘤抑制率达83%。

#### （二）直接发射型探针
通过π-电子扩展（如引入苯并吡喃受体）和杂原子取代（硫/硒/氖），直接获得NIR发射：
- **NCP系列探针**：采用dicyanomethyl-4H-苯并吡喃受体，通过硫/硒原子取代将发射波长扩展至660-780 nm。在急性肾损伤模型中，NCR1探针对O2-的响应时间（3分钟）显著短于NCR2（24小时）。
- **DBPOL探针**：创新性地将1,3-二甲基巴比妥酸受体与NIR发光核心结合，在LOX响应下实现738 nm发射，半衰期延长至62分钟，为肿瘤光动力治疗提供了可追踪的载体。

### 三、生物医学应用场景与典型案例
#### （一）活性氧（RONS）动态监测
1. **SPNR3探针**：通过纳米沉淀法制备的Ir(III)-二氧戊环复合物，可在10秒内响应O2-，信噪比提升490倍，成功追踪免疫治疗中T细胞激活动态。
2. **NCR系列探针**：在急性肾损伤模型中，NCR1对O2-的响应（半衰期12小时）早于NCR2对ONOO-的响应（24小时），实现肾损伤分期的精准诊断。

#### （二）硫化氢（H2S）检测
- **APYCL纳米颗粒**：采用D-970供体与NIR荧光受体构建的CD-950探针，在肝脏损伤模型中实现950 nm发射，深组织穿透达10 mm，肿瘤定位准确率提升至92%。

#### （三）酶活性成像
1. **CatB响应探针DPTCB**：通过Calpain特异性肽段实现探针激活，在胰腺癌模型中肿瘤/背景信号比（SBR）达7.6，指导手术切除精度提高40%。
2. **MMP-2检测系统RAG-RGD**：采用能量重定向策略，在活体小鼠中实现MMP-2活性ratiometric成像（AGL520/710比值），辅助早期肺癌筛查。

### 四、技术瓶颈与未来方向
#### （一）现存挑战
1. **合成复杂度**：Schaap体系需多步C-H键活化、金属配合物组装等步骤，导致成本高昂（如IrCL系列制备成本超$500/mol）。
2. **信号衰减**：多数探针半衰期<2小时，在慢性疾病监测中受限。
3. **多生物标志物检测**：现有探针多针对单一靶标，难以实现肿瘤微环境的全景式分析。

#### （二）突破路径
1. **合成工艺革新**：开发连续流微反应器技术，将Schaap探针合成周期从72小时压缩至8小时，成本降低至$150/mol。
2. **长寿命探针设计**：引入四嗪环供体（如Schaap-4N）可延长半衰期至12小时，在糖尿病神经病变模型中实现72小时连续监测。
3. **多功能探针构建**：通过模块化设计整合NIR CL与多色荧光（如CalCL探针同时标记神经损伤和炎症因子），实现病理状态的立体成像。

### 五、临床转化前景
目前已有3款Schaap基探针进入临床前试验（如APYCL在肝癌诊断中灵敏度达0.23 ng/mL），其优势体现在：
- **无外部激发**：克服了传统荧光成像的激发光穿透深度限制
- **低背景干扰**：NIR CL的信噪比较荧光高2-3个数量级
- **治疗协同性**：DCL/TBQ体系实现"检测-治疗-再检测"闭环，肿瘤清除率提升至89%

但需解决的关键问题包括：开发可降解的酶响应接头（如CatB肽键稳定性<5小时限制体内应用）、提升量子效率（当前最高仅8.8%）、建立标准化生物样本检测流程（目前探针体系间参数差异较大）。

该领域的发展正在重塑生物医学影像范式，通过分子工程赋予化学发光探针靶向激活、多模态成像和体内治疗响应特性，为精准医疗提供了新的技术平台。