【JACS】160 倍荧光反差！南大学者破解花菁染料困局，近红外二区肾清除探针让急性肾损伤检测灵敏度飙升 3.6 倍

✨文章标题：An N-Alkylpyridinium-Substituted Cyanine Platform for Constructing Renal-Clearable Near-Infrared Fluorogenic Probes ✉️作者：Yuncong Chen* 等 🔗链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c19142

在分子影像和疾病诊断领域，花菁染料是当之无愧的 “明星材料”。凭借近红外光（NIR）的深层组织穿透能力和低自发荧光干扰，它被广泛用于传感器、手术导航和光热治疗，甚至已有叶酸 - 花菁偶联物被 FDA 批准用于卵巢癌术中识别。但一个致命短板长期制约其发展：慢肝清除特性导致的慢性毒性风险，让这类高效成像剂的临床应用始终受限。

与此同时，急性肾损伤（AKI） 正成为全球医疗难题 —— 药物、感染、创伤等都可能诱发，传统依赖血清肌酐（SCr）和血尿素氮（BUN）的检测方法，不仅灵敏度低，还存在 6-12 小时的诊断滞后，常常错失最佳治疗窗口。

南京大学生命科学与化学交叉团队的最新研究，一举破解了这两大痛点。他们在《美国化学会志》（JACS）发表的成果，开发出全球首个基于 N - 烷基吡啶𬭩修饰的肾清除近红外荧光探针平台，实现了 “快速肾清除 + 精准刺激响应 + 尿液无创检测” 的三重突破，让 AKI 诊断灵敏度比传统方法提升 3.6 倍，为生物成像和疾病诊断开辟了全新路径。

一、从 “痛点” 到 “突破”：为什么这场 “染料革命” 至关重要？

花菁染料的困境，本质是 “清除路径错配”。传统花菁染料进入体内后，90% 以上通过肝胆系统清除，代谢缓慢且在肝脏长期蓄积。由于花菁染料本身具有一定细胞毒性，这种蓄积会引发慢性肝损伤风险，这也是其临床转化的最大障碍。

为解决肾清除问题，此前科研界曾尝试引入亲水基团或两性离子修饰，但合成过程繁琐，且难以通过柱层析纯化，无法规模化应用。这就像给染料 “穿了件防水衣”，虽然增加了水溶性，却让生产和提纯变得异常复杂。

而 AKI 诊断的痛点同样尖锐。肾脏是人体 “过滤器”，对毒素极为敏感，但早期损伤时，SCr 和 BUN 的变化极其微弱，等到指标明显升高，肾脏往往已出现不可逆损伤。数据显示，传统方法对轻度 AKI 的漏诊率高达 40%，而延误治疗会让患者的重症风险增加 3 倍。

南大学者的研究，恰好击中了这两个核心痛点：通过分子结构的精准调控，让花菁染料从 “肝靶向蓄积” 变为 “肾快速清除”，同时赋予其 “病灶激活” 的智能响应能力，最终实现 “尿液荧光读数” 的无创检测。这一突破不仅解决了花菁染料的毒性难题，更让 AKI 诊断进入 “实时、灵敏、无创” 的新阶段。

二、核心方法与技术细节：给染料装 “智能导航 + 开关”

要理解这项技术的精妙，不妨把探针比作 “带着导航和智能开关的荧光探测器”—— 导航负责精准抵达肾脏并快速排出，开关则保证只在病灶处发光，两者结合实现高效检测。

1. 荧光开关：160 倍反差的 “分子魔术”

团队的核心发现是：对花菁染料 meso 位的吡啶基团进行甲基化修饰（CyP-Me），能引发剧烈荧光淬灭。实验数据显示，未甲基化的 CyP 荧光量子产率为 0.15，而甲基化后的 CyP-Me 仅为 0.009，两者在 785nm 处的荧光强度相差高达 160 倍。

这种淬灭效应并非单一机制，而是PET（光诱导电子转移）和 TICT（扭曲分子内电荷转移）的协同作用。简单来说，甲基化后的吡啶𬭩基团像一个 “电子陷阱”，吸收了染料激发态的电子，同时分子结构发生扭曲，让荧光能量以热能形式散失，相当于给荧光 “关了灯”。

而当探针遇到 AKI 病灶处的特征生物标志物（如谷胱甘肽 GSH、超氧阴离子 O₂⁻）时，探针上的 “自焚基团” 会被特异性切割，释放出未甲基化的 CyP，荧光瞬间 “开灯”，形成强烈的信号反差。这种 “淬灭 - 激活” 的切换，让背景噪音降到最低，信号辨识度大幅提升。

2. 肾清除导航：正电荷介导的 “精准投递”

传统花菁染料难以肾清除，关键是缺乏与肾脏的 “亲和力”。肾脏的肾小球滤过膜表面，覆盖着大量带负电的硫酸乙酰肝素（HS）蛋白聚糖，就像一张 “负电过滤网”。

团队在染料中引入吡啶𬭩基团，相当于给染料带上了 “正电荷标签”。根据静电相互作用原理，带正电的探针会与带负电的 HS 蛋白聚糖快速结合，从而被肾小球优先捕获并排出，实现 “肾靶向清除”。实验证实，这类带正电的探针 24 小时肾清除率高达 74.9%，而肝脏蓄积量仅为传统花菁染料的 1/3。

更重要的是，这种设计无需复杂修饰，仅通过简单的甲基化反应即可实现，合成过程简便且易于纯化。这就像给染料装了个 “磁铁导航”，无需额外改造，就能精准对接肾脏的 “负电靶点”。

3. 通用平台：4 种探针适配多场景检测

基于这一设计，团队构建了通用型肾清除荧光探针平台，并合成了 4 种代表性探针：CyP-NBD（检测 GSH/Cys）、CyP-DPP（检测 O₂⁻）、CyP-NO₂（检测硝基还原酶 NTR）、CyP-Ac（检测羧酸酯酶 CES）。

这些探针都具备两大核心特性：一是近红外荧光响应（发射波长 825nm 左右），能穿透组织且避免自发荧光干扰；二是优先肾清除，肾脏荧光强度是肝脏的 3 倍以上。实验显示，探针在 Dulbecco 改良培养基（DMEM）中 24 小时稳定性良好，且对 HK2 肾细胞无明显细胞毒性（浓度≤5μM 时），为体内应用提供了安全保障。

三、数据背后的创新与颠覆性：用实验证明 “更优性能”

一项技术的价值，最终要靠数据说话。南大学者的研究通过大量体内外实验，证实了新探针平台的颠覆性优势，关键数据堪称 “碾压级”：

1. 清除效率：75% 以上通过肾脏排出

传统花菁染料如 ICG，24 小时肾清除率不足 10%，而新探针的肾清除率高达 74.9%。实验中，健康小鼠注射探针后，24 小时内肾脏信号降至 30 分钟时的 15%，而肝脏信号始终维持在低水平。这意味着探针能快速排出体外，大幅降低体内蓄积导致的毒性风险。

2. 检测灵敏度：比传统方法高 3.6 倍

在 DTZ（造影剂）诱导的 AKI 小鼠模型中，注射 CyP-NBD 和 CyP-DPP 探针后，AKI 小鼠的肾脏荧光信号分别是健康小鼠的 2.0 倍和 2.9 倍，而尿液荧光强度更是达到 3.2 倍和 3.6 倍。相比之下，传统 SCr 和 BUN 检测仅能检测到 1.35 倍和 1.5 倍的升高，灵敏度差距显著。

更令人惊喜的是，在 LPS（脓毒症）诱导的 AKI 模型中，即使是最低剂量（2mg/kg）的 LPS 处理，探针也能检测到 1.5 倍的荧光增强，而此时 SCr 和 BUN 的变化尚未达到临床诊断阈值。这意味着新探针能捕捉到 “亚临床阶段” 的肾损伤，为早期干预提供可能。

3. 普适性：三种 AKI 模型均有效

团队在 DTZ（造影剂诱导）、LPS（脓毒症诱导）、顺铂（药物诱导）三种不同机制的 AKI 小鼠模型中进行了验证，结果显示探针均能有效检测到损伤信号。其中，顺铂诱导模型中，探针的尿液荧光增强分别为 2.3 倍（CyP-NBD）和 2.9 倍（CyP-DPP），证实了平台的广泛适用性。

4. 特异性：只对病灶 “亮灯”

为排除非特异性激活，团队测试了 CyP-NO₂探针（检测 NTR），发现其在 AKI 小鼠和健康小鼠中的荧光信号无显著差异。这说明探针的荧光激活是 “生物标志物特异性” 的，而非炎症或血管渗漏导致，避免了假阳性结果。

四、应用展望、局限性与未来路线图

1. 应用场景：不止于肾损伤检测

这项技术的潜力远不止 AKI 诊断。由于其非侵入性尿液检测的特性，未来可拓展至：

• 药物肾毒性筛查：在药物临床试验中，实时监测药物对肾脏的损伤，降低研发风险；
• 慢性肾病进展监测：通过尿液荧光变化，动态评估肾病患者的肾功能状态；
• 其他疾病诊断：通过更换自焚基团的靶点，开发针对肝癌、糖尿病肾病等疾病的探针，实现 “一平台多用途”。

此外，肾清除探针还可用于脂肪肝、癌症靶向成像等领域，此前已有研究证实这类探针在肿瘤检测中的潜力。

2. 当前局限性：仍需跨越的 “三座大山”

尽管表现优异，这项技术仍存在需要完善的地方：

• 规模化制备：目前实验室合成规模为毫克级，要实现临床应用，需优化工艺实现公斤级生产；
• 成本控制：吡啶𬭩修饰的花菁前体合成成本较高，未来需开发更廉价的前体或简化合成步骤；
• 长期安全性：虽然短期实验未发现毒性，但长期反复使用的安全性仍需进一步验证。

3. 未来路线图：从实验室到病床

团队的下一步目标的是推进技术的临床转化，大致分为三个阶段：

第一阶段（1-2 年）：优化探针的药代动力学特性，完成大动物（如猪、猴）的安全性和有效性验证；

第二阶段（2-3 年）：开展临床试验，针对造影剂诱导和脓毒症诱导的 AKI 患者，验证探针的诊断性能；

第三阶段（3-5 年）：开发多标志物联合检测试剂盒，实现对不同类型肾损伤的精准分型和预后评估。

这项研究的意义，不仅在于开发了一种高性能探针，更在于建立了 “结构 - 性质 - 功能” 的明确关联 —— 通过调控 meso 位取代基的电子结构和电荷特性，就能同时实现荧光响应和肾清除。这为功能导向的分子影像剂设计提供了全新范式，未来可能催生出一系列 “智能、安全、无创” 的诊断工具。