脑内β 淀粉样蛋白斑块近红外荧光探针的研究进展
李钰莹 崔孟超
摘?要?β?淀粉样蛋白（β?Amyloid， Aβ）作为阿尔茨海默病（Alzheimer's disease， AD）的一个重要病理学特征，被认为是实现AD早期诊断的重要靶点。近年来，荧光成像技术，尤其是近红外荧光成像技术（Near?infrared imaging）得到了快速发展。由于其灵敏度高，操作简便，能够避免生物组织自发荧光干扰，已成为体外生物样本分析和小动物活体成像的重要手段。因此，靶向于脑内Aβ斑块的近红外荧光探针，对于AD的临床前研究、组织病理学检查、治疗药物的筛选和小动物模型的构建具有重要的意义。本文主要对基于分子内电荷转移（Intramolecular charge transfer， ICT）机理的近红外Aβ荧光探针进行归纳和总结，分析分子结构对于探针光学性质和生物学性质的影响，为开发新型高灵敏度的近红外Aβ荧光探针提供了思路。
关键词?阿尔茨海默病; Aβ斑块; 近红外荧光成像; 分子探针; 评述
1?引 言
阿尔茨海默病（Alzheimer's disease， AD）作为一种严重威胁老年人健康的神经退行性疾病受到了广泛关注。然而，AD的致病机理仍不明确，发病过程缓慢且不易察觉，患者之间也存在较大的个体差异，使得目前临床上很难在疾病可控期（即不可逆转的脑损伤出现之前）对AD进行准确的诊断和有效的治疗[1]。
目前关于AD的致病机理主要存在以下假说：β?淀粉样蛋白级联假说[2]; Tau蛋白异常磷酸化假说[3]; 胆碱能假说[4， 5]; 氧化应激假说[6]等。其中，β?淀粉样蛋白级联假说和Tau蛋白异常磷酸化假说得到了研究者的广泛认可。这两种假说都认为，在病理状态下，大脑中的β?淀粉样蛋白（β?Amyloid， Aβ）和Tau蛋白发生了错误的折叠，进一步促进了这两种蛋白在脑内的不断积累，逐渐影响脑内细胞（主要是神经元细胞）的正常生理功能，最终导致大脑的功能性损伤，直至死亡。这两种蛋白作为与AD高度相关的生物标志物在2018年被纳入了AD诊断的研究框架（A/T/N）[7]。该研究框架将AD认定为一个连续发展的过程，利用3种生物标记物的变化对AD进行疾病分期或区分AD及非AD型痴呆：“A”指聚集的Aβ或相关的病理学状态; “T”指聚集的Tau蛋白或相关的病理学状态; “N”是神经退行性变或神经元损伤。这3种生物标记物中，Aβ作为一种AD的特异性靶点，对实现AD的早期精确诊断至关重要。
1992年， Hardy和Higgins提出了Aβ级联假说[2]，提出了AD的发病机理主要是脑内Aβ多肽片段产生与清除的失衡导致其在脑内不断聚集最终产生不可逆转的神经元损伤。正常情况下，大脑内由神经元细胞产生的淀粉样前体蛋白（Amyloid precursor protein， APP）存在淀粉样化水解和非淀粉样化水解两种途径。非淀粉样化水解主要是α分泌酶对APP进行剪切，形成sAPPα、 p3和α?C多肽片段，而淀粉样化水解是APP经β分泌酶和γ分泌酶的连续剪切，最终形成Aβ多肽片段[8]。经过两种水解途径所产生的肽段主要通过酶降解或脑内小胶质细胞的免疫吞噬的方法被清除，也可以通过血液被转运出血脑屏障（blood?brain barrier， BBB）。然而，当这种产生与清除的平衡被打破，脑内肽段数目激增，这其中具有神经毒性的Aβ肽段在细胞外不断聚集沉淀，从单体变为寡聚体最终生成Aβ斑块，致使突触功能障碍和神经元细胞死亡（图1A和1B）[9，10]。此外，Aβ斑块又会刺激神经元分泌更多的Aβ肽段，并且促进Aβ肽段的聚集沉淀，这种级联式的放大效果最终导致大脑发生不可逆转的功能性损伤。
2017年，德国和荷兰的科学家利用冷冻电镜技术和固态核磁共振实验对由两条纤维原丝缠绕形成的Aβ1?42样品进行了分辨率为0.4 nm的结构解析（图1C～1F）[11]。多个Aβ蛋白分子有序的交错排列形成了原纤维丝，两条原纤维丝互相缠绕形成具有“LS”形拓扑结构的Aβ纤维，多个Aβ纤维聚集最终形成Aβ斑块。其中，Aβ肽链的C?端被包裹在纤维结构的内部使其无法接触外界的溶剂环境，而N?端则帮助形成β?折叠结构。
2?光学成像
光学成像作为分子影像的一个重要分支，具有非侵入性、损伤小、灵敏度高、价格低廉和成像快速等优点，被广泛用于细胞或分子水平的生物过程检测。其中，近红外荧光成像是应用最广的一种荧光成像方式。
2.1?近红外光学成像
通常情况下，光在穿透生物组织时其信号会被组织吸收或散射，造成信号大幅衰减，而且生物体内的自发荧光（波长通常小于600 nm）也会对信号的采集产生干扰。当探针的发射波长位于近红外区域（Near?infrared， NIR， 650?900 nm）时，可以有效减少组织对光的散射和吸收作用，而且较低的激发能量对生物组织的损伤小。近红外荧光成像技术已广泛应用于分子生物学领域。
2.2?荧光探针的传感机理
荧光探针的传感机理主要包括：分子内电荷转移（Intramolecular charge transfer， ICT）、聚集诱导发光（Aggregation?induced emission， AIE）、荧光共振能量转移（Fluorescence resonance energy transfer， FRET）、光诱导电子转移（Photo?induced electron transfer， PeT）和激發态分子内质子转移（Excited?state intramolecular proton transfer， ESIPT）等。
研究表明，Aβ纤维内部形成的β?折叠空腔是一个疏水的非极性环境，而外部的生理环境则呈现出亲水的极性状态，当荧光探针与Aβ纤维结合进入疏水空腔后，探针周围的微环境发生变化。其中，具有ICT效应的分子在激发状态时，分子内部的电子云从电子给体（Electron donor， D）部分转移至电子受体（Electron acceptor， A）部分，分子内部的偶极矩发生改变，使得其光学性质产生相应的变化。因此，具有ICT效应的分子探针对环境极性高度敏感，探针与Aβ蛋白结合后，在激发光的作用下，荧光发射波长和量子产率等光学性质发生明显改变，达到荧光响应“开关”的效果，这对实现高灵敏度和高分辨率的成像非常有利。
2.3?基于ICT效應的荧光探针的设计思路
根据ICT效应的荧光发光机理，通常可通过增加共轭体系的电子传输能力、增强电子给体或电子受体的推拉电子能力来增强ICT效应，减小HOMO?LUMO之间的能隙差，推动荧光发射波长红移进入近红外区域。此外，平面刚性结构除了有利于电子的传输，对Aβ的亲和力也有明显的提高。值得注意的是，较大的π?共轭体系可能导致分子脂溶性较高，致使体内药代动力学性质变差，不适用于活体成像。此外，作为神经中枢类的探针，能否穿过BBB是影响探针应用的首要条件，这主要是由分子大小和脂溶性协调作用的。
3?近红外Aβ斑块分子探针的研究进展
3.1?D?π?A类分子探针
2005年，Hintersteiner等[12]报道了第一个用于脑内Aβ斑块近红外荧光成像的分子探针AOI?987。该探针在小鼠血清中的最大荧光发射波长为670 nm，血清中荧光量子产率为0.41，满足荧光成像的要求。尽管体外的饱和结合实验表明AOI?987对Aβ聚集体具有中等水平的亲和力（Kd=220 nmol/L），Stokes位移较小（20 nm）且分子中带有正电荷，但是活体荧光成像结果显示，AOI?987能够穿过BBB并有效区分AD转基因小鼠和正常对照小鼠（图2A）。另外，体内荧光染色结果也再次证实， AOI?987可以穿过BBB并与脑内的Aβ斑块特异性结合。
同年，Nesterov等[13]报道了基于D?π?A结构的荧光探针NIAD?4用于脑内Aβ斑块的双光子显微成像（Two?photon microscopy， TPM）。相比AOI?987，NIAD?4具有典型的推拉电子结构，而且选择可旋转的联二噻吩作为π电子传输体系使得探针在不同极性的溶剂中表现出旋转?共平面性。因此，当NIAD?4与Aβ聚集体内的疏水空腔结合后，分子内联二噻吩的旋转受阻，形成了一个更利于电子传输的共平面结构，荧光强度提高了400倍。这种共平面结构还有助于提高探针对Aβ蛋白的亲和力（Ki=10 nmol/L）。TPM成像结果显示，NIAD?4能够清晰标记出脑实质中和血管壁上的Aβ斑块（图2B、2C）。然而，较短的发射波长（约为600 nm）并不利于活体荧光成像。为了改善光学性质，他们对电子给体进行了修饰，得到发射波长大于650 nm的近红外荧光探针NIAD?11和NIAD?16[14]。
为了进一步提升探针的光学性质，同时改善生物学性质，提高活体成像的应用价值。自2014年起，研究者利用小分子探针与Aβ斑块保持高亲和力须具有刚性共轭结构的特点，在共轭双键的两端分别引入电子给体和电子受体，报道了一系列具有D?π?A结构的近红外荧光探针，以整体分子识别Aβ斑块（图3）[15～17]。 这类探针结构简单，合成与纯化非常简便，可以通过调节共轭双键长度来调节发射波长，使其处于近红外波长范围内，同时满足与Aβ斑块的高亲和力，与其它已报道的近红外荧光分子探针相比具有明显的优势。
2014年，Cui等[15]报道了D?π?A类的近红外荧光探针DANIR 2c，与之前报道的探针相比，DANIR 2c具有最小的分子量和适宜的脂溶性，可有效穿过BBB，利于活体成像。该探针以苯环及反式多烯键作为π?桥连接了N，N'?二甲氨基（D）和二氰亚甲基（A），可通过调控多烯键长度来调节探针光学及生物性质。DANIR 2c具有典型的ICT效应，即探针在PBS溶液中荧光强度较弱，而与Aβ蛋白聚集体结合后进入疏水空腔内，周围微环境极性的改变使探针的荧光强度增大。同时，这种刚性的平面结构对探针和Aβ蛋白的相互作用非常有利。体外竞争结合实验表明，DANIR 2c对Aβ聚集体具有较高的亲和力（Ki=36.9 nmol/L）。近红外荧光成像结果显示，DANIR 2c能够快速穿透BBB，在转基因小鼠脑内产生明显的荧光信号滞留（图4A和4B）。体内荧光染色的结果也进一步证实，脑内荧光信号的滞留主要是被DANIR 2c特异性标记出的Aβ斑块所造成的。但DANIR 2c自身的荧光量子产率较低，需要进一步的修饰与优化。
为了进一步提高探针和Aβ蛋白结合后的荧光发射波长，得到更优的成像对比度和分辨率。2014年，Fu等[16]在DANIR 2c的结构基础上，分别尝试了丙二酸二甲酯、氰基乙酸甲酯、米氏酸和达米酮作为电子受体，设计合成了12个具有不同长度反式多烯键的近红外Aβ荧光探针。实验结果表明，相比DANIR 2c，部分探针的发射波长红移进入近红外区，并且具有明显的ICT效应，然而探针的荧光量子产率仍然较低。有趣的是，亲和力实验结果显示具有平面结构的电子受体（丙二酸甲酯和氰基乙酸甲酯）更有利于探针和Aβ蛋白的结合，分子对接模拟实验也证实了这一点。其中，以氰基乙酸甲酯为电子受体的探针MCAAD?3的亲和力最高（Ki=106 nmol/L），结合Aβ蛋白后荧光增强达到了26倍。活体荧光成像和体内荧光染色结果显示，MCAAD?3可以穿透BBB并标记出脑内的Aβ斑块，实现AD转基因小鼠和正常对照小鼠的区分（图4C和4D）。然而相比DANIR 2c，较低的亲和力和荧光量子产率仍然限制了这类D?π?A探针的进一步应用。
基于以上研究，2015年，Zhou等[17]在DANIR 2c的基础上引入了吸电子能力更强同时具有平面刚性结构的巴比妥酸衍生物作为电子受体，报道了BBTOs （巴比妥酸）、BBTSs （硫代巴比妥酸）和BBTOMs （二甲基巴比妥酸）3个系列的近红外Aβ荧光探针。该系列探针的荧光发射波长和量子产率都得到了有效的提升，同时分子良好的平面性也大大提高了探针与Aβ蛋白的亲和力，其中BBTOM?3的亲和力最高（Ki=13.7 nmol/L）。然而，巴比妥酸的引入不仅增大了探针分子量，而且增加了形成潜在氢键的原子个数，导致探针的初始脑摄取值仅为0.83% ID/g，限制了在活体成像方面的应用（图4E和4F）。
除了电子受体的改变可以影响分子探针的光学性质，减小HUMO?LUMO能量间隙也能影响分子的ICT效应，进而推动分子的荧光发射波长红移。例如，共轭双键长度的增加可以在一定程度上影响分子内部的极化程度，进而减小HUMO?LUMO的能隙，致使探针的发射波长红移。2017年，Zhou等[18]又对苯环及反式多烯键的π?桥进行修饰，系统地探究了不同共轭双键长度（n=2～6）以及不同芳环（苯、吡啶和嘧啶）对光学性质和生物学性质的影响。实验结果表明，当芳环类型相同时，随着共轭双键的增长，紫外吸收波长和荧光最大发射波长的红移呈现先增加后饱和的趋势，而荧光量子产率和对Aβ蛋白的亲和力以及初始脑摄取值则呈现出先增后减的趋势; 当双键数目相同时，芳环上N原子数目越多，其光学和生物学性质越差。最终筛选出具有苯环和4个共轭双键的探针PHC?4，相比DANIR 2c荧光发射波长红移了80 nm，活性提高了2.6倍。活体成像的结果表明，它能够有效区分转基因小鼠和正常对照组，体内荧光染色实验也证实了这一点（图5）。
上面介绍的探针都是以六元芳环和反式多烯键作为π?桥，其荧光量子产率普遍较低。为了进一步提高探针量子产率，得到更好的靶/非靶比图像，Fu等 [19]在2015年设计了一系列以萘环为共轭体系的D?π?A类探针DANIR 3a?e。具有更大共轭平面萘环的引入使探针的光学性质得到了提升，也进一步增强了探针对Aβ聚集体的亲和力。实验结果表明，DANIR 3b在二氯甲烷溶液中荧光量子产率达到了30%，与Aβ蛋白结合后荧光强度增加710倍，相比DANIR 2c具有更好的荧光“开关（turn?on）”效果。体外荧光染色结果显示，DANIR 3b可以快速且清晰的标记出人脑组织中的各种Aβ斑块形态（血管斑，弥散斑和致密斑），而且饱和结合实验测定的亲和力常数（Kd=8.8 nmol/L）也远高于DANIR 2c。此外，DANIR 3b还表现出了优异的生物性质，其在正常小鼠脑部的2 min脑摄取值达到12.8% ID/g且脑内清除速率为
21.3倍（brain2 min/brain60 min）（图6A）。然而，DANIR 3b和Aβ结合后荧光发射波长蓝移至615 nm，不适于近红外活体成像，但可作为高度灵敏的体外荧光染料应用。当共轭双键数目增加至3个时，虽然发射波长红移至近红外区域且与Aβ聚集体有极高的亲和力（Kd=1.9 nmol/L），但DANIR 3c的脂溶性较高，初始脑摄取值低，清除速率缓慢，也不利于活体荧光成像。
为了改善探针的药代动力学性质，在不改变光学性质的前提下降低脂溶性，Fu等[20]进一步在电子给体的末端引入了不同数量的羟基，设计合成了化合物DANIR 8a?c和DANIR 9a?c。这些探针在保持对Aβ聚集体高亲和力的同时，由于羟基的引入使得脂溶性降低，使其体内的生物学性质得到了有效改善。其中，DANIR 8c是目前报道的探针中最适合于活体近红外荧光成像的Aβ探针，与Aβ聚集体结合后荧光发射波长为678 nm，荧光强度增强629倍，同时能快速穿过BBB （brain2 min=11.42% ID/g）。此外，由于DANIR 8c分子小，脂溶性适宜且与Aβ斑块具有高亲和力和选择性，能够在活体水平快速检测Aβ斑块，可代替传统耗时的免疫荧光染色或选择性较差、无法穿过BBB且发射波长较短的商品化染料（如刚果红，硫磺素S等），目前DANIR 8c已经应用于体外组织切片Aβ斑块对照染色和AD转基因小鼠全脑Aβ斑块三维标记，可与Aβ蛋白特异性抗体媲美[21，22]。值得注意的是，相比DANIR 8c，具有两个羟基的DANIR 9c的初始脑摄取值很低（图6B），不能满足活体脑部成像的要求。因此，对于中枢神经系统荧光探针的开发，脂溶性和脑摄取值以及药代动力学性质之间并不是简单的线性关系，它们之间存在一个巧妙的平衡点。
在DANIR 8c的结构基础上，Fu等[23]又将F原子引入到探针的给电子结构中，尝试探究近红外和切伦科夫双模态成像在活体Aβ斑块显像中的应用前景。在活体近红外成像实验中，FDANIR 4c可以明显区分转基因小鼠和正常对照小鼠（图6D和6E）。體外放射性自显影的结果显示[18F]FDANIR 4c可以特异性地标记出转基因小鼠和AD病人脑切片上的Aβ斑块。然而，由于18F核素的切伦科夫信号较弱且集中于蓝绿光区域，严重影响了组织穿透能力和信号采集，因此，基于切伦科夫光的活体成像无法完全区分转基因小鼠和对照组。
上述研究发现，靶向于Aβ的近红外荧光探针为了优化光学性质、提升亲和力，都使探针形成了一个较大的刚性共轭结构。然而， 这种大的疏水共轭体系会造成探针脂溶性偏高，影响探针在活体内的性质。为了详细探究分子脂溶性和刚性骨架结构对其光学和生物性质的影响，Zhou等[24]在DANIR 3b的基础上对电子受体部分进行修饰，通过形成羧酸酯引入末端具有羟基和甲氧基的不同长度寡聚乙二醇链（Polyethylene glycol， PEG），制备了一系列新型的近红外Aβ荧光探针。研究发现柔性PEG链的引入并不会对探针的光学性质和对Aβ蛋白的亲和力造成太大的影响，却实现了对探针脂溶性的快速调节，有效改善了分子的药代动力学性质。其中，探针6d具有4个共轭双键，含有2个PEG链且末端为羟基，其在正常小鼠脑内的药代动力学性质 （brain2 min=11.42% ID/g，brain2 min/brain60 min=10.1）相比其它具有相同共轭双键数目的萘环衍生物得到了显著改善; 而光学性质和对Aβ聚集体的亲和性仍主要由共轭体系部分决定。同时，活体荧光成像实验再次证明探针6d可以有效区分转基因小鼠和正常对照组，是一个理想的近红外Aβ荧光探针（图6C）。
除了Aβ蛋白，脑内由Tau蛋白构成的神经纤维缠结（Neurofibrillary tangles， NFTs）也是AD重要的生物标志物，在病理状态下这两种蛋白共享一个类似的β?折叠结构。目前已报道的ICT类分子探针，都是基于结合到β?折叠形成的疏水腔中使探针的微环境发生变化，进而产生荧光“开关”效果来实现蛋白检测的，这也使得探针特异性不高， 提高探针对两种蛋白的特异性和选择性是设计的关键。大量研究表明，两种蛋白β?折叠内部氨基酸残基的排列及折叠方式并不完全相同，使得内部微环境存在一定的差异。因此，利用ICT类分子对周围溶剂环境的高度敏感性，有可能实现针对不同蛋白有差异的荧光响应，从而利用多光谱成像技术实现同一探针对不同蛋白的分别检测。2019年，Zhou等[25]采用对NFTs有一定荧光信号响应的喹喔啉环替换原本的萘环， 实现了对Aβ斑块和NFTs的光谱分离检测。喹喔啉环的引入不仅使探针可以高亲和力的结合Aβ和Tau蛋白，同时也优化了探针的光学性质、降低了分子的脂溶性。他们根据Ooshika?Lippert?Mataga方程计算发现，周围环境介电常数（ε0）不同时， 探针具有不同的荧光响应波长。通过实验数据对方程进行简化，最终计算发现Aβ斑块和NFTs内部的介电常数存在显著差异，因此当探针与它们结合后产生的荧光响应波长不同，从而实现对它们的光谱分离检测。并且对于Tau蛋白来说，肝素钠诱导聚合的Tau蛋白（K18，大肠杆菌表达），AD转基因小鼠脑内Tau蛋白和AD病人脑内Tau蛋白这3种来源内部的介电常数也不同，这也再次证实了Tau蛋白的复杂性， 且在体外难以实现模拟和重现。其中，探针17分别在人工聚合蛋白水平和组织切片水平上实现了对两种靶点的光谱分离检测（图7A～7C）。此外，活体近红外荧光成像表明探针17能够穿过BBB并实现对AD转基因小鼠和正常对照组的区分（图7D和7E）。
3.2?D?π?A?π?D类分子探针
和D?π?A类分子探针相比，D?π?A?π?D形成的共平面结构更有利于电子的传输，光学性质更优。此外，这种更大的刚性平面结构，对提高探针与β?折叠的亲和力有显著的作用（图9）。
2009年，Ran等[26]报道了可作为近红外荧光Aβ探针姜黄素类衍生物CRANAD?2。该探针利用姜黄素中的β?二酮结构与二氟化硼形成电子受体，通过苯乙烯π桥对称连接N，N'?二甲氨基构成电子给体，形成D?π?A?π?D结构。CRANAD?2在PBS溶液中的发射波长达到了805 nm，而且具有较高的荧光量子产率和较大的Stokes位移。CRANAD?2对Aβ聚集体有明显的荧光响应效果，和Aβ聚集体结合后荧光强度增加70倍，发射波长蓝移至715 nm。体外和体内的生物评价均表明，CRANAD?2对Aβ斑块有很高的亲和力，且能够穿过BBB特异性地标记出转基因小鼠脑内的Aβ斑块。随后，该课题组对这类探针的电子给体部分进行了广泛修饰，报道了一系列姜黄素类近红外荧光Aβ探针[27～29]。其中，通过对探针与蛋白的结合模式进行模拟计算和实验验证，筛选得到的CRANAD?3[30]和CRANAD?58[31]不仅可以识别不溶性的Aβ聚集体，也对可溶性的Aβ寡聚体（包括单体）产生了明显的荧光响应（图8C～E）。定量的亲和力测定结果表明，这两个探针都对可溶性的Aβ蛋白具有较高的亲和力（Kd<50 nmol/L），这对AD早期病理学研究和抗Aβ治疗药物的筛选有重要的指导意义。但是，该系列探针由于脂溶性较高导致药代动力学性质不够理想，脑内清除速率缓慢，在活体成像中难以获得良好的靶与非靶比。此外，CRANAD?3和CRANAD?58还无法对不同形态的Aβ聚集体进行区分，仍需要进一步的修饰与优化。
此外，Zhang等[31]还利用二价铜离子可以与Aβ肽链上两个咪唑类的组氨酸位点配位， 诱导肽链之间缠绕聚集形成Aβ纤维这一理论基础，在姜黄素类衍生物的电子给体上引入两个咪唑环， 设计合成了CRANAD?17。借助姜黄素类衍生物对Aβ的良好靶向性，使探针可以通过与Cu2+配位，特异性的阻止其参与诱导Aβ蛋白聚集的过程。初步的体外生物评价证实，CRANAD?17可以快速“锁定”Aβ纤维的位置，然后通过竞争的方式将与Cu2+配位的Aβ肽链释放出来，进而有效的阻止Aβ聚集体的形成。
在CRANADs的结构基础上，Zhu等[32]用吡喃腈作为电子受体，报道了系列具有D?π?A?π?D结构的荧光探针，但PAD?5和PAD?6對Aβ纤维的亲和力较差（Kd>104 nmol/L），无法进行活体荧光成像。2017年，Yang等[33]将羟基引入到电子给体上，合成了探针YHY?2，从活体成像结果表明，YHY?2可以快速穿过BBB，相比正常对照小鼠，在转基因小鼠脑中有一定时间的滞留。尽管探针的亲和力得到了明显提升（Kd=23.5 nmol/L），然而，发射波长（640 nm）未达到近红外区，仍是限制活体成像的关键。
为了优化分子的光学性质和对Aβ纤维的亲和力，Li等[34]将氰基?2?丁烯作为电子受体设计合成了一系列具有对称D?π?A?π?D类结构的近红外荧光探针DADNIRs。该系列探针合成与纯化十分简单，可以快速实现反式共轭双键的延长，有效推动探针发射波长的红移。同时这种良好的刚性共平面结构保证了它们对Aβ良好的亲和性。其中，DADNIR?2的光学和生物学性质最优，与Aβ聚集体的亲和力达到了1.04 nmol/L。体外荧光染色结果表明，探针可以清晰的标记出转基因小鼠和AD人脑切片上的Aβ斑块。此外，体内荧光染色结果表明DADNIR?2可以快速穿过BBB并特异性的标记出转基因小鼠脑内的Aβ斑块。值得注意的是，该系列探针利用D?π?A?π?D结构的优势可将分子的骨架长度快速调节在1.5～1.9 nm，实现了对NFTs的选择性检测（2.5倍）。
4?總结与展望
Aβ斑块作为AD的特异性生物标记物，联合A/T/N诊断研究框架，是实现临床精确诊断的重点，同时也是AD治疗药物的一个主要靶点和药效评价标准。因此，开发靶向于脑内Aβ斑块的荧光分子探针并探究其结合模式具有重要的科学意义和应用价值。此外，大量的研究结果表明，处于疾病进程早期的Aβ寡聚体（Oligomer）具有更高的神经毒性，因此靶向于Aβ?oligomer的荧光探针的研发对AD的早期诊断和探究其病理学机制具有更重要的意义。
目前，靶向于Aβ的近红外探针大部分都是基于ICT的发光机理，自身的发射光背景信号高，使得图片的对比度不高。因此，开发基于其它发光机理的探针，例如PeT效应、AIE效应、FRET效应等，有可能避免探针自身荧光信号的干扰，获得对比度和分辨率都更好的图像。
生物组织穿透能力差和空间分辨率不足也是荧光成像面临的重要问题，开发可用于多光子成像或具有更长发射波长的探针是克服这类问题的关键。多光子成像技术采用红外或近红外光作为激发光源，在避免紫外光对生物样品损伤的同时提高了穿透深度，更有利于获取深层次生物组织的图像。此外，荧光信号采集效率高，得到的图片对比度会明显优于单光子成像结果，并且可以实现准确定量分析。近年来，多光子成像技术，尤其是双光子成像技术广被泛应用于分子生物学研究中。然而，双光子成像发射光波长较短，生物组织穿透能力较差，并不适用于活体动物模型。
具有更长发射波长的近红外二区荧光探针的开发有助于克服生物组织穿透力弱这一问题。近红外二区探针的发射波长普遍在1000～1700 nm，其穿透深度相比于近红外一区探针提高了50倍，达到了3 mm。 此外，它的激发光也多在800 nm以上，对深层生物组织的成像具有无法比拟的优势。因此，近红外二区的Aβ荧光探针的开发对小动物模型的无损伤深度检测具有重要价值。
值得注意的是，研发探针，都需要综合衡量光学性质和生物学性质，找到合适的平衡点。而对于靶向中枢神经类系统的荧光探针，除了考虑分子结构对亲和力和药代动力学性质的影响，还要特别注意分子大小、脂溶性等因素对于穿透BBB和细胞膜的影响。
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Progress of Near?Infrared Fluorescent Probes
for β?Amyloid Plaques in the Brain
LI Yu?Ying， CUI Meng?Chao*
（Key Laboratory of Radiopharmaceuticals， Ministry of Education， College of Chemistry，
Beijing Normal University， Beijing 100875， China）
Abstract?β?Amyloid （Aβ） plaques as one of the important pathological hallmarks of Alzheimer's disease （AD） are regarded as key target for diagnosis of AD in early stage. In recent years， near?infrared fluorescence （NIRF） imaging has been developed rapidly， and has become a remarkable， noninvasive and inexpensive optical imaging tool for in vitro biological analysis， in vivo diagnosis and drug screening in animal models. In this review， we summarize current NIRF Aβ probes with sensing mechanism based on the intramolecular charge transfer （ICT） and outlined the influence of chemical structures on optical and biological properties， which is important for further development of high?sensitivity NIRF Aβ probes.
Keywords?Alzheimer's disease; β?Amyloid plaques; Near?infrared fluorescence imaging; Probes; Review
