癌症成像中，荧光探针主要分为“常亮”和可激活两类。

“常亮”探针因其持续荧光特性，能凸显癌症组织，多通过荧光团与癌细胞中特定生物标记物的抗体或小分子配体结合设计。此类探针制备相对简易，早期癌症成像中广泛采用，临床已有吲哚菁绿、亚甲基蓝等作为诊断剂应用。然而，其背景信号较高，需时间清除以优化肿瘤与正常组织的对比，因此，对微小癌症的快速高灵敏、高特异检测构成挑战。

图 1.用于癌症成像的常亮探针和可激活探针。

目前，临床上常用的荧光团包括图2中展示的五种化合物，各自具备独特的光学特性和应用背景。

吲哚菁绿（ICG）作为近红外荧光分子，自1955年开发以来，在1956年即获准临床使用。它在特定波长下发出近红外荧光，通过结合血液蛋白在多种癌症中积累，适用于肝癌、胰腺癌等多种恶性肿瘤的显像，并在乳腺癌手术中用于前哨淋巴结识别。

亚甲基蓝作为一种合成染料，自1876年被Caro等人制备以来，一直作为可见光范围内的常亮荧光标记用于医疗领域。其荧光特性有助于识别转移性小肠神经内分泌肿瘤及胰腺神经内分泌肿瘤，并在乳腺癌手术中用于癌症病灶和前哨淋巴结的术中成像。

荧光素作为历史悠久的常亮荧光分子，其安全性已得到长期验证。其可见光范围内的荧光特性使其在中枢神经系统肿瘤等识别中发挥作用。

5-Aminolevulinic acid（5-ALA）作为血红素前体，代谢后产生荧光原卟啉IX（PpIX），具有可活化特性。它因能穿透血脑屏障而被用于胶质瘤显像，并在泌尿系统、子宫内膜和胃肠道癌症检测中展现出有效性。尽管5-ALA在检测癌细胞方面的持续效果存在争议，但其应用潜力仍不容忽视。

最后，Cytalux是一种针对叶酸受体-α（FR-α）的常亮型探针，通过偶联近红外染料和FR-α结合配体开发而成。它在多种癌症中展现出显著的发光能力，并已获得美国FDA批准用于卵巢癌和肺癌的检测。这些荧光团在临床成像中发挥着重要作用，为癌症的诊断和治疗提供了有力工具。

图 3.叶酸受体靶向荧光探针。

图 4.PSMA 靶向荧光探针

组蛋白去乙酰化酶（HDACs）作为关键的表观遗传调控酶，负责组蛋白赖氨酸残基的去乙酰化过程，在肝细胞癌（HCC）等多种癌症中常表现出过度表达现象。2020年，Tang等人针对HDAC6开展了深入研究，设计了基于荧光技术的探针。他们巧妙地将对HDAC6具有高亲和力的抑制剂亚伯酰苯胺羟肟酸（SAHA）与FITC、IRDye 800CW等荧光团进行偶联，制备出新型探针（图5）。这些探针能够成功标记HDAC6阳性的小鼠HCC组织，但遗憾的是，在肾脏、肝脏和肠道等其他器官中也观察到非特异性聚集现象，这可能是由于HDACs在这些正常组织中的普遍表达所致。

丙烯醛，作为一种由氧化应激产生的癌症相关小分子生物标志物，近年来备受关注。2018年，Tanei等人报道了一种创新的常亮点击感应探针，专门用于检测丙烯醛。（图6）该探针基于TAMRA设计，含有叠氮分子，能够迅速与氧化应激癌细胞中产生的丙烯醛发生反应，生成重氮化合物，进而与细胞成分结合，将荧光标签稳固地锚定在细胞内。这一创新技术已成功应用于手术切除的乳腺癌标本的快速荧光显像。

尽管已经开发出多种针对癌症特异性生物标记物的常亮探针，但非特异性积累导致的高背景问题仍然是一大挑战。因此，当前癌症成像领域的研究趋势正朝着开发可激活探针的方向发展，以期解决这一问题。

利用这些生物标记酶活性的可激活荧光探针，能够快速观察、监测和诊断癌症。靶向活性酶的一大优势在于酶催化带来的信号放大效果。这一特性使得酶反应探针能够实现快速、高对比度的癌症成像。针对生物标记酶活性的各种荧光探针已被开发，本文旨在概述其分子设计和检测机制，为癌症成像提供有力工具。

图 7.酶激活癌症成像探针常用的荧光控制机制

FRET 是两个光敏分子之间的能量转移机制，对它们之间的距离高度敏感，如佛尔斯特方程所述。典型的基于 FRET 的可激活探针是通过将荧光团和淬灭染料用酶可切除连接物连接起来而设计的。这些探针的荧光最初会被荧光团和淬灭染料之间的 FRET 所淬灭，但在目标酶活性存在的情况下，连接分子被裂解后，探针的荧光就会被激活。为了设计蛋白酶反应型 FRET 探针，可使用底物肽序列作为连接分子，由目标蛋白酶裂解。2.1 节介绍了可激活的 FRET 探针。

PeT 是一种机制，通过供体分子到受体荧光团（a-PeT 过程）或供体荧光团到受体分子（d-PeT 过程）之间的电子转移来淬灭荧光。它们可以根据供体分子和受体分子的 HOMO 和 LUMO 能级计算结果进行合理设计。基于 PeT 过程的可活化探针将在第 2.2 节中介绍。

分子内螺环化最近被引入作为基于罗丹明或罗丹醇衍生物的荧光探针的转换机制。这些探针的螺环形式是无色、无荧光的，但与目标酶发生酶反应后，探针会转化为高荧光的开环形式。因此，可以实现本底极低的高对比度成像。螺环化型探针理论上应归类为波长偏移型探针。不过，由于报告的案例较多，研究团队在本文中将其单独介绍。基于螺环化的可激活探针将在 2.3 节中介绍。

吸收或荧光的波长移动通常被用作荧光探针的切换机制。这些波长移动基于各种机制，包括简单的分子结构变化、分子内电荷转移（ICT）和分子内重排。在本文的第 2.4 节中，研究团队将介绍所有这些基于波长转换的探针。