超惰性近紅外染料SID-788實現高性能手術導航

在外科手術中，尤其是腹盆腔手術，輸尿管損傷是一種嚴重但常見的并發癥。由于輸尿管在白光下與周圍組織難以區分，術中誤傷風險較高。近紅外（NIR）熒光成像，特別是NIR-I（800–1,000 nm）和NIR-II（1,000–3,000 nm）窗口的成像技術，因其能減少光散射和自發熒光，為術中導航提供了強大工具。目前臨床上唯一廣泛使用的NIR染料吲哚青綠（ICG）存在溶解度差、不穩定、高非特異性蛋白結合以及被網狀內皮系統攝取等問題。盡管已有研究通過在熒光團上引入多個帶電基團來改善水溶性，如IRDye800CW，但這種方法帶來了非特異性結合和高成本合成等新問題。因此，開發兼具優異水溶性、生物相容性、穩定性以及高成像性能的新型NIR-I和NIR-II染料，仍是臨床應用中一項迫切需求。

鑒于此，香港大學的戴宏杰教授開發了一種新型近中性花菁/α-環糊精輪烷染料——SID-788（超惰性染料）。該染料具有卓越的水溶性（約29 mg ml?1）、極低的血清蛋白及組織非特異性結合與滯留，可在數小時內通過腎臟完全排泄，并表現出優異的穩定性。利用這種染料，研究團隊在NIR-II寬場成像以及臨床批準的NIR-I腹腔鏡和機器人手術系統中，成功實現了小鼠和豬的高性能輸尿管成像。該設計可支持高達標準成像劑量（0.5 mg kg?1）500倍的安全給藥劑量，為其臨床轉化鋪平了道路。

合成與光學表征

SID-788的合成通過三步簡便反應完成，總產率適中。其結構經核磁共振（NMR）、液質聯用（LC-MS）和高分辨質譜確認，關鍵步驟是一個α-環糊精（α-CD）分子穿入七碳聚甲川鏈，形成互鎖結構（圖1a、1b）。研究顯示，該單電荷染料在室溫下的水溶性高達約29 mg ml?1，遠超ICG。在穩定性測試中，SID-788在胎牛血清（FBS）中表現出比IRDye800CW和ZW800-1更高的穩定性（圖1c）。在磷酸鹽緩沖液（PBS）中，SID-788的熒光衰減最小，歸因于α-CD的封裝保護了花菁橋免于氧化和親核攻擊。重要的是，SID-788在PBS和FBS中表現出相同的光穩定性，是唯一一種未因血清蛋白結合而增強穩定性的染料（圖1d）。光譜特性方面，SID-788在788 nm處有吸收峰，摩爾消光系數高達1.94×10? M?1 cm?1，發射峰在815 nm，其尾部延伸至NIR-II窗口（1,000–1,400 nm）。在模擬組織實驗中，SID-788在4 mm厚度下仍保持顯著熒光，而ZW800-1和IRDye800CW在2 mm外即無法檢測，顯示了其卓越的亮度、穿透深度以及與臨床激光器的兼容性。

圖 1 | SID 的合成與光學表征

體內超惰性行為與快速腎排泄

SID-788在水、PBS和FBS中均以分子形式分散，無聚集或蛋白結合。小鼠靜脈注射后，NIR-II視頻成像顯示，1分鐘內即可觀察到強烈的膀胱信號，30分鐘后體內循環信號基本消失，體側熒光半衰期僅為10.6分鐘（圖2a、2b）。相比之下，水解的IRDye800CW和ZW800-1表現出更長的半衰期（分別為95.8分鐘和19.8分鐘）及明顯的肝臟或腸道信號。對注射SID-788后24小時內收集的小鼠尿液進行LC-MS分析，檢測到約94.0%的原始形式染料，未觀察到明顯代謝產物（圖2c）。細胞實驗進一步證實，SID-788在兩種細胞系中均無任何非特異性結合，熒光分布與PBS對照組幾乎一致。

圖 2 | SID-788 體內

急慢性毒性評估

為評估生物安全性，研究人員對小鼠靜脈注射了不同劑量的SID-788（最高達250 mg kg?1，為成像劑量的500倍）。所有小鼠均未出現異常行為或痛苦跡象。即使在500倍超高劑量下，小鼠僅出現因超高染料濃度引起的短暫皮膚黃綠色變，并在30分鐘內隨尿液排出而消失（圖3a）。24小時后的血清生化分析（包括肝功能指標ALT、AST、ALP、ALB，腎功能指標CREA）、血液學指標（WBC、Lym、Neu、RBC、HGB）以及主要器官的組織切片（H&E染色）均顯示，所有指標均處于正常生理范圍，未見組織損傷或炎癥浸潤（圖3b–3d）。在為期兩周的重復給藥慢性毒性試驗中，小鼠同樣表現出良好的耐受性，無累積毒性效應。

圖 3 | SID-788的大劑量耐受性和生物安全性評估

小鼠輸尿管成像

在小鼠開放手術模型中，靜脈注射SID-788（0.5 mg kg?1）后40秒內，即可在NIR-II窗口（>1,300 nm）觀察到腎臟和輸尿管的清晰熒光信號。與NIR-I窗口（850–1,000 nm，信背比SBR為3.0）相比，更長波長的NIR-II成像（>1,300 nm）提供了更銳利、對比度更高的圖像，SBR高達9.8（圖4b、4c）。而等摩爾劑量的ZW800-1在相同窗口下SBR僅為3.5。主成分分析（PCA）成功區分了快速動脈灌注、慢速靜脈回流和尿液排泄三種血流動力學過程（圖4d）。

圖 4 | 小鼠NIR-II輸尿管成像

使用臨床腹腔鏡和機器人系統進行的豬輸尿管NIR成像

為實現臨床轉化，研究人員在豬模型中使用了臨床NIR-I腹腔鏡（HyPixel UX5）進行成像。靜脈注射SID-788（0.15 mg kg?1）后，輸尿管在腹膜下清晰可見，成像窗口長達約4小時，最佳信背比（SBR）可達約7（圖5b–5e）。基于種間換算，人體等效劑量約為0.10 mg kg?1。此外，研究團隊在熒光腹腔鏡機器人系統下模擬了輸尿管梗阻與恢復手術。注射SID-788后，夾閉的輸尿管在梗阻部位上游因尿液積聚而顯示強烈熒光，而下游無信號；松開夾鉗后，下游熒光信號立即恢復，證實了染料在評估輸尿管通暢性方面的巨大潛力（圖6b、6c）。

圖 5 | 使用臨床近紅外I型腹腔鏡對豬輸尿管中的SID-788進行近紅外成像

圖 6 | 在豬模型中，使用SID-788熒光輸尿管成像引導的機器人手術

總結與展望

本研究成功合成并驗證了SID-788——一種由α-CD穿入花菁染料構成的超惰性近紅外熒光輪烷染料。其獨特的互鎖結構賦予了染料卓越的水溶性、光穩定性、化學穩定性以及近乎完美的生物相容性，實現了體內超低非特異性吸附和快速完全的腎臟清除，避免了其他染料常見的肝膽攝取和組織滯留問題。該策略已顯示出通用性，可用于合成多種新型可溶性生物成像染料。未來，通過在SID-788分子末端引入功能基團，可將其與抗體或靶向配體偶聯，用于癌癥、免疫細胞、神經等的分子成像。這類新型染料憑借其超惰性、高生物相容性和可修飾性，有望在基礎研究和臨床轉化中發揮關鍵作用，尤其是在使用開放式系統、腹腔鏡及機器人系統進行的NIR-I和NIR-II成像引導手術中，為診斷、預后和術中導航提供強大工具。