综述：从材料到医学：制剂驱动的近红外二区光学成像剂优化及临床前景

《Journal of Materials Chemistry B》：From materials to medicine: formulation-driven optimization and clinical prospects of NIR-II optical imaging agents

　　

传统光学成像受限于生物组织中的光子吸收与多重散射。将近红外激发与发射延伸至第二近红外窗口（NIR-II，1000–1700 nm）可显著抑制组织自发荧光并提高成像保真度。然而，仅提升光学性能并不能确保临床可转化性。本综述明确了光学探针与转化型光学剂的概念边界，强调了制剂工程在衔接材料功能与生物医学适用性方面的关键作用。文中总结了代表性NIR-II探针类别及其固有优势与转化局限，进一步讨论了光学剂构建的关键制剂策略，包括靶向工程、亲水性调控、尺寸优化及载体辅助集成。同时回顾了心血管、肿瘤、神经及多模态成像应用的最新进展，最后探讨了生物安全性、成像硬件及临床标准化方面尚存的挑战。通过采用以制剂为核心的视角，本综述强调了从信号产生型探针向临床相关光学剂的转变，并展望了加速NIR-II成像向精准诊断与影像引导医学转化的未来方向。

引言部分首先指出，临床成像技术广泛应用于疾病诊断与监测、手术导航及疗效与预后评估，计算机断层扫描（CT）、磁共振成像（MRI）、正电子发射断层扫描（PET）及单光子发射计算机断层扫描（SPECT）等模态已投入临床应用，但这些断层成像技术存在有害电离辐射暴露、空间分辨率不足、时间分辨率受限以及对分子或功能成像缺乏合适探针等固有缺陷。光学成像结合专用光学探针具备高时空分辨率、深组织穿透及实时监测能力，在近红外（NIR）荧光成像中尤为突出，其因优异的组织穿透性、低自发荧光背景和高空间分辨率受到广泛关注。科学界普遍将1000 nm至1700 nm光谱范围定义为NIR-II窗口，相较于NIR-I窗口，NIR-II荧光成像具有更低的组织自发荧光、更深的组织穿透性及更高的信噪比（SNR，描述所需信号与背景噪声比值的定量参数，反映成像或检测系统的清晰度与可靠性）。2021年的研究通过全NIR光谱仿真与活体成像将NIR-II窗口扩展至900–1880 nm。NIR-II成像在临床诊断中具有高空间分辨率、无创性、实时监测、便携性及操作简便等优势：高分辨率源于该波段内生物组织光子散射显著减弱，光传输由完全扩散态转向准线性传播，多重散射导致的图像退化被大幅降低，同时NIR-I窗口显著的 endogenous自发荧光在更长NIR-II波长下可忽略，二者共同抑制背景干扰，显著提升深组织成像的SNR与空间分辨率，但该改善程度受组织异质性和仪器灵敏度影响；无创性体现为无需切口或直接组织接触即可完成成像，降低了操作风险与患者不适，相关研究已开发出短波红外发射的InAs量子点用于清醒小鼠非接触全身成像并同步监测静息生理参数，但探针可扩展性与长期生物相容性问题仍需解决；实时监测支持活体生物分子过程的动态可视化，有助于病理变化早期发现与分子层面疾病评估，但也面临信号不稳定、运动伪影及探针光稳定性有限等挑战，将实时光学数据转化为定量诊断结论需谨慎解读，已有研究开发出NIR-II比率荧光纳米平台实现肿瘤小鼠体内miR-21表达的实时定量可视化，显示其与肿瘤生长及新生血管生成的密切关联，凸显其在早期癌症诊断与进展纵向评估中的潜力；便携性与简易性则克服了传统检测方法依赖大型仪器、成本高及操作复杂的局限，有研究制备出NIR-II响应型金纳米框并结合便携式压力与温度传感装置，实现了高灵敏度双模式癌细胞检测，展示了其在早期肿瘤筛查与实时预后评估中的应用前景。光学诊断技术在临床中的应用日益广泛，其进步与光学探针的合理设计密切相关。光学探针指具有本征光学响应性或信号产生能力的分子、荧光团或纳米材料，研究多聚焦于吸收特性、发射波长、量子产率或光稳定性等光学性能参数，但优异的光学性质并不等同于具备生物医学适用性或临床转化潜力。相比之下，光学剂是基于光学探针经制剂工程构建的系统，除信号产生外还需兼顾生理稳定性、水分散性、生物安全性、药代动力学、靶向效率、免疫相容性、大规模生产可行性及长期储存稳定性，因此从探针到剂的转变不仅是语义差异，更是从材料功能向临床适用生物医学系统的的重要演进。在临床实践中，吲哚菁绿（ICG）等小分子荧光素因结构明确、药代动力学可预测，在监管审批中的权重常高于单纯光学性能，且其发射延伸至NIR-II区域使其重新获得关注。制剂层面的优化可解决探针不稳定性与不理想生物分布等问题，例如将ICG与功能化白蛋白偶联可将有效成像窗口延长至约3小时，远优于游离ICG的约2分钟快速衰减，并实现微血管高分辨率可视化；将顺铂与ICG共包封于明胶基纳米胶囊可构建NIR-II荧光引导的耐药良性病变精准放化疗平台；将负载阿霉素的聚合物内核与DSPE-PEG₂₀₀₀修饰的ICG结合并包覆癌细胞膜，可赋予纳米平台高效的肿瘤归巢能力与光热转换效率，体现膜靶向在化疗-光热联合治疗中的功能优势。这些创新制剂虽在临床前模型中表现出显著功能优势，但其结构复杂性带来的规模化生产、批次间重现性及长期生物安全性挑战仍制约着NIR-II光学剂的开发。光学成像技术在疾病诊断、治疗引导及生物标志物检测中具有重要临床价值，高分辨率可视化有助于精确界定肿瘤边界与病变范围，直接影响手术切缘确定与放疗规划等关键决策。动态全场光学相干断层扫描（D-FFOCT）作为新兴高分辨率方法可捕获组织内细微的功能对比，已成功应用于乳腺组织与腋窝淋巴结成像，生成的“虚拟组织学”图像与传统病理切片高度相似，且临床医生仅需少量培训即可可靠判读，这一能力主要归因于该技术捕获的恶性与正常组织间的代谢与结构对比，但此类模式识别能否在不同肿瘤类型中普遍适用仍需进一步验证。除形态学评估外，光学成像可直接可视化血管结构与血流动力学活动，助力血栓病灶精确定位，已有研究开发出高效NIR-II造影剂实现活体小鼠血管网络的高保真分辨，并基于成像精度实现血栓部位的精准原位光热消融，但其在更大组织深度的有效性及整体转化稳健性仍需深入研究。NIR-II光学成像还可与其他模态联用以增强诊断能力：与光声成像结合可实现深埋组织的高分辨率、高对比度可视化，例如花青类染料A1094可精确勾勒胶质瘤边界，超越传统荧光成像的深度与对比度限制；与MRI结合可同步观察解剖结构与分子水平变化，例如ASA6纳米颗粒可通过NIR-II荧光与MRI对比实现动脉粥样硬化斑块的无创成像，但纳米颗粒负载、MRI弛豫效能与荧光亮度之间的相互作用需系统优化以最大化协同效应；与CT结合可弥补纯光学方法的深度局限，将功能生物学读数与高分辨率解剖背景相结合，提供增强的时空分辨率；与PET结合可助力精准肿瘤定位与手术引导，例如将NIR-II荧光团CH-4T与正电子发射同位素⁶⁴Cu整合的双模态纳米示踪剂可同时提供光学与核信号，用于术中肿瘤边缘的精确识别，但其放射化学稳定性与体内清除动力学等关键实用因素仍需系统评估。NIR光学剂的发展经历了从基础材料创新到复杂生物医学应用、从被动成像到主动诊疗平台的清晰演进路径：1959年美国FDA批准ICG临床应用验证了NIR-I光子的组织穿透优势并提供了光学技术临床转化的早期原理证明；世纪之交，化学生物学进展实现了NIR-I染料与抗体或肽的偶联，催生出靶向分子探针，实现了从非特异性染色向分子水平识别的关键转变，提升了图像的SNR与生物学信息量；2009至2012年间，领域战略性转向NIR-II窗口，单壁碳纳米管（SWCNTs）的研究表明该区域可显著抑制组织散射与自发荧光，从而实现更深层次的活体穿透与更高分辨率成像，开启了光学生物成像的新时代，但生物相容性、探针标准化及跨组织类型适配等挑战仍持续影响NIR-II技术的实际应用；2014年开发出的CH1055等水溶性小分子NIR-II染料具有明确化学结构、良好生物相容性及快速体内清除特性，较早期纳米材料体系更具临床潜力；2010年代中期以来，“诊疗一体化”概念兴起，研究者将成像部分（如ICG或NIR-II染料）与治疗部分（如光热或光敏剂）整合至脂质体、聚合物纳米颗粒等统一平台，实现了“同时看见与治疗”的创新范式；聚集诱导发光体（AIEgens）的引入解决了传统荧光团的聚集导致淬灭（ACQ）固有问题，自2015年起成为构建高发光效率光诊疗剂的理想材料；进入2020年代，领域向多样化与精准化快速协同发展，NIR-II引导的精准手术已在临床前模型中成功识别并切除亚毫米级肿瘤，超高SNR凸显其重要临床价值，NIR-IIb子窗口（1500–1700 nm）的引入进一步抑制光子散射，将活体光学成像的穿透极限提升至前所未有的水平；2023至2024年，研究在信号强度提升与生物精准性及清除优化两个方向取得突破，超亮NIR-II探针与蛋白逃逸型花青染料的开发分别满足了深层多路功能成像与实时术中引导、纵向监测的需求；2025年报道的大斯托克斯位移NIR-II荧光团设计策略进一步提供了长波长、大斯托克斯位移荧光团的理性设计蓝图。六十余年来，NIR光学剂已从简单诊断染料发展为支持高精度成像、微创外科引导、靶向治疗及免疫调节的多功能平台，未来化学、材料科学与生物学的深度融合有望产出特异性更高的激活型探针、先进的生物正交标记策略及更广泛的临床应用，但规模化探针生产、长期体内稳定性及监管就绪的标准化框架建立仍是转化过程中需克服的实际障碍。综上，NIR-II窗口光学成像代表了生物医学成像与精准诊断的变革性进展，领域已从ICG等早期染料发展至涵盖无机纳米颗粒、有机荧光团及稀土掺杂材料的复杂体系，逐步提升了活体受试者的分辨率、穿透深度与实时监测能力，克服了CT、MRI、PET、SPECT等传统模态的关键局限，实现了无创、高灵敏度的结构与分子动态可视化，多功能诊疗剂的开发标志着向集成化智能医疗平台的转变。然而，NIR-II成像的临床转化仍受生物安全性验证、成像硬件性能及临床标准化等未解挑战的阻碍，以制剂为核心视角克服这些障碍，不仅需要理性构建具有可控药代动力学与光学特性的生物相容、可生物降解、激活型光学剂，还需提升探测器灵敏度、生产重现性及监管评估框架。展望未来，化学、材料科学、生物工程与临床医学的融合，结合便携式成像系统与人工智能辅助图像分析，有望加速NIR-II技术从信号产生型探针向临床可用光学剂的演进，最终使NIR-II成像成为精准诊断、影像引导干预与个性化医疗的关键赋能平台。

常见NIR-II荧光探针分类部分将探针分为三大类。有机荧光染料基于化学结构可分为四类：苯并双噻二唑（BBTD）核心类小分子通常采取给体-受体-给体（D-A-D）构型，具有优异的光稳定性、宽发射光谱与高摩尔消光系数；花青染料由两侧端基夹持聚甲炔链构成，虽常面临低量子产率（QY，发射光子数与吸收光子数的比值，用于评价荧光效率）与光漂白倾向，但具有高消光系数，可通过调整共轭链长度与引入官能团提升光学性能，引入氟等吸电子取代基与空间位阻基团可有效降低聚甲炔骨架电子密度，抑制骨架氧化C-C键断裂敏感性，而将聚甲炔染料包封于聚合物基质中的超分子策略可显著提升其QY；氧杂蒽类染料如荧光素、罗丹明及其类似物具有高消光系数、强光稳定性、低细胞毒性、强荧光效率及发射波长可调等特点，其激发与发射虽多位于可见光区，但通过扩展发色团π共轭或替换中心氧原子为硫、硒、磷、硅、锗、锡、碲等杂原子或PO₂、POR、SO₂等官能团，可将发射红移至NIR-I甚至NIR-II窗口；硼二吡咯甲烷（BODIPY）衍生物因荧光QY可调、光稳定性优异、低毒及高摩尔消光系数受到广泛关注，通过在BODIPY骨架2,6位引入亲水官能团或在硼中心引入铵基团可大幅提升氮取代BODIPYP的水溶性，无需额外亲水涂层或PEG修饰，其缺电子核心常作为受体单元，与电子给体配对可构建D-π-A-π-D共轭体系，促进分子内电荷转移，实现NIR-II窗口荧光发射。无机纳米颗粒包括量子点（QDs）、金纳米颗粒（AuNPs）与碳纳米管（CNTs）：量子点为尺寸小于对应块体半导体激子玻尔半径两倍的半导体纳米晶，常见组成包括IV族、II-VI族或III-V族元素，形态可分为球形、棒状、立方形等，具有宽吸收谱、窄发射峰、荧光可调、高QY、长荧光寿命与优异光稳定性等特点，例如InAs基量子点可实现清醒小鼠多器官脂蛋白代谢周转与心呼吸动力学的同步测量，构建全面的体内生物分布三维定量图谱；硫化银（Ag₂S）量子点无有毒重金属元素，生物相容性良好，表面功能化可提升其水分散性，适用于肿瘤成像；AuNPs在纳米尺度具有独特光电与理化性质，生物安全性较高，已用于从快速诊断到治疗干预的广泛生物医学领域，例如透明质酸包被的AuNPs与ICG结合可在兔眼玻璃体混浊中自发聚集，纳秒激光脉冲照射下产生的蒸汽纳米气泡可无创破坏玻璃体混浊；碳纳米管由一层或多层同心卷曲的石墨烯片构成无缝圆柱形纳米结构，单壁碳纳米管（SWCNTs）直径多在几纳米以下，具有优异理化性质，表面功能化可提升其生物相容性、实现靶向治疗递送并支持多模态成像整合，PEG化等表面工程策略可生成明亮、生物相容的血管成像剂。稀土掺杂纳米材料以钪、钇及镧系元素为基质，通过掺杂稀土离子实现可见至NIR区域的发射调控，兼具大斯托克斯位移与优异光稳定性，镧系离子丰富的能级结构与多种电子跃迁赋予其独特的下转换与上转换发光特性，例如NaYF₄基稀土纳米探针可通过单一波长激发实现多色发射，镧系功能化AuNPs已成功用于肿瘤模型体内的MRI、CT成像与光热治疗（PTT），上转换纳米颗粒-四氧化三铁-金复合纳米材料可实现双模式上转换发光/MRI成像与磁靶向PTT。该类材料生物安全性良好，但其长期生物相容性、降解性及潜在长期效应需系统评估，且临床转化依赖于结构稳定性、批次间重现性、可扩展合成及生理条件下光学性能一致性等因素，目前其在复杂生物环境中的长期稳定性与规模化制造能力仍是主要转化障碍。总体而言，无机光诊疗剂常受限于生物降解性差与光热转换效率（PCE）较低，有机光诊疗剂虽生物相容性与NIR吸收性能优异，但现有材料PCE仍相对较低，兼具成像与治疗功能的NIR-II窗口多功能剂仍十分稀缺，严重阻碍了光诊疗途径的临床转化。

从光学探针到转化型光学剂部分首先分析了独立光学探针的临床转化局限性。尽管众多NIR-II探针在实验条件下表现出优异的光学响应与成像能力，但大多数独立探针不足以直接用于生物医学与临床转化，生理环境下的成功活体应用不仅需要本征光学性能，还需具备生理稳定性、生物安全性、可控药代动力学、长循环时间、高效清除及靶标特异性等系统性属性，而这些转化需求难以仅靠未修饰探针实现。无机纳米颗粒普遍具有更优的光稳定性与高荧光亮度，但其临床适用性常受生物安全性担忧限制，许多无机探针含重金属或不可生物降解组分，系统给药后易在肝脏、脾脏等器官蓄积，增加长期毒性风险，且多数无机纳米颗粒流体力学直径大于10 nm，循环中易被巨噬细胞摄取并被网状内皮系统（RES）截留，同时限制快速肾脏清除并增加非特异性生物分布，极大阻碍了其转化潜力。有机荧光团普遍具有较低固有毒性与更好的结构可调性，但许多NIR-II有机染料仍存在水分散性不足、光稳定性差、ACQ及生理条件下QY低下等问题，多数已报道的小分子荧光团具有高度共轭疏水骨架且分子量常超过500 Da，直接活体给药困难且限制系统稳定性，其荧光性能在复杂生物微环境中显著下降，制约了成像灵敏度与长期适用性。稀土掺杂纳米颗粒虽具备长发光寿命、窄发射带与优异抗光漂白性，但本征吸收截面低、激发效率低，常需高功率激光激发或敏化策略以获得足够信号强度，且其本身生物降解性差，通常需要广泛的表面工程（如PEG化或生物膜包被）以改善胶体稳定性、亲水性、循环行为与体内相容性，若无适当的制剂优化，其给药后仍会表现出显著的肝肾蓄积。综上，大多数NIR-II探针主要发挥光学信号产生材料的作用，而非临床适用的生物医学系统，因此必须通过表面功能化、亲水修饰、尺寸优化、靶向整合及载体辅助组装等大量制剂工程，才能转化为适用于生物医学与临床应用的转化型光学剂，这一探针到剂的转变已成为下一代NIR-II成像系统发展的核心方向。

制剂工程策略部分涵盖五类核心方法。靶向工程通过在NIR-II探针上偶联靶向配体以实现肿瘤或其他病灶的特异性富集，常见配体包括整合素配体（如RGD肽）、血脑屏障穿透肽（如乳铁蛋白）及线粒体靶向三苯基膦（TPP），例如将TPP羧基通过PEG间隔基连接至NIR-II闪烁染料H4形成的H4-PEG-TP探针可快速在骨肉瘤细胞线粒体积累，实现亚细胞定位成像、高SNR肿瘤成像与优异光热性能；可降解共轭聚合物体系将NIR-II发射荧光团嵌入聚合物骨架，共价连接RGD靶向配体与顺铂类抗癌药物，自组装纳米颗粒可实现高对比度活体NIR-II肿瘤可视化并同步实现原位药物释放与治疗效果实时监测；响应病理蛋白酶、酸性微环境或活性氧（ROS）的可激活NIR-II剂也可间接实现病灶特异性。亲水性工程针对化学合成的原始NIR-II染料普遍疏水、生物介质分散性差的问题，采用PEG化、聚合物包封、水溶性配体或脂质体制剂等策略提升水溶性与生物相容性，例如PEG化共轭聚合物探针相比F127包封对照组可使NIR-II荧光强度提升近三倍，同时保持高达58.6%的光热转换效率，实现小鼠循环血管高清成像与肿瘤生长有效抑制；两亲性多肽聚合物共载亲水链与疏水NIR-II染料可显著抑制染料H型聚集，大幅提升水相荧光亮度，实现活体血管显微镜成像的高分辨率与高对比度；亲水聚合物（如PEG）可减少蛋白吸附与单核吞噬细胞系统（MPS）清除，延长血液半衰期，表面修饰的探针比疏水探针在血液中更稳定且更易肾脏清除，减少非特异性蓄积。尺寸工程通过调控探针纳米尺寸影响其体内分布、肿瘤穿透与清除途径，通常超小探针（<6–8 nm或分子量<40 kDa）可被肾小球快速滤过实现肾清除，而大于约8–10 nm的纳米颗粒更多依赖单核吞噬细胞系统与肝胆代谢；较小探针更易穿透肿瘤间质并快速接触肿瘤细胞，肿瘤微环境响应性可降解二氧化硅纳米平台可在病理条件下发生骨架分解，实现激活型荧光恢复与病灶信号特异性增强，而过大的颗粒难以渗出血管并具有长期滞留风险，易在肝脾蓄积引发毒性，因此合理控制粒径（如约10–100 nm）可兼顾肿瘤富集与可控清除，探针设计需综合考虑尺寸对生物分布与清除的影响，超小探针倾向于快速循环与排泄，中等尺寸探针可利用高通透长滞留（EPR，指由于肿瘤血管通透性高且淋巴引流差，纳米材料优先在肿瘤组织中蓄积的现象）效应进行肿瘤成像。载体辅助药物整合将治疗剂纳入NIR-II光学探针，实现“光热/光化学治疗+化疗”一体化，常见策略包括将抗癌药物共价或非共价负载于探针载体，例如将NIR-II荧光团与铂前药共价嵌入可降解聚合物链形成自组装纳米颗粒，通过RGD靶向摄取并在体内同步释放药物载荷，可通过激光解吸质谱直接观察深部肿瘤内的定量药物释放；将NIR-II荧光报告基团与Pt(IV)前药按预定摩尔比共价整合至聚合物骨架，再经半胱天冬酶响应凋亡传感肽功能化，可确保治疗剂与荧光信号以固定化学计量共转运，实现铂类药物分布的实时NIR-II可视化与全治疗过程的凋亡原位报告。其他优化策略还包括通过结构设计提升探针稳定性与信号强度，例如设计抗聚集基序以提升荧光QY与抗淬灭能力，离子工程通过配对PEG化三苯基膦阳离子与阴离子氰基二甲基甲苯染料，有效抑制染料聚集，在760 nm激发下产生高效I型ROS，同时在808 nm激发下保持强NIR-II荧光，实现荧光成像与光动力治疗的动态平衡；聚集诱导发光（AIE）、J-聚集工程及刚性共轭骨架引入也可增强NIR-II发射与QY，基于BPBBT的AIE活性NIR-II纳米颗粒因分子内运动受限与聚集增强的光物理稳健性，在长时间辐照下仍能保持稳定的荧光输出。

按疾病领域的临床前与临床应用部分覆盖三大方向。心血管与血管应用方面，NIR-II荧光成像显著降低组织散射与自发荧光，为血管可视化提供更高SNR、更深穿透深度与更优时空分辨率，推动了其在血管造影、血栓检测、缺血监测与动脉粥样硬化斑块成像中的快速发展。早期代表性工作利用单壁碳纳米管作为NIR-II荧光团实现小鼠后肢血管实时可视化，在1–3 mm成像深度下单帧时间分辨率低于200 ms，空间分辨率约30 μm，优于传统NIR-I成像与显微CT，并可基于血流动力学行为差异清晰区分动静脉并定量缺血股动脉血流速度，凸显其动态血管功能评估的独特能力。血栓成像中，RGD修饰的NIR-II荧光剂TTQ-PEG-c(RGD)具有高荧光稳定性与对活化血小板的强亲和力，可在体内特异性蓄积于血栓部位，新鲜血栓处信号显著增强并在注射后4小时达峰值，竞争抑制实验证实其整合素靶向特异性，且可区分新鲜与陈旧血栓，为早期无创血栓诊断提供潜力。缺血相关血管疾病监测中，动态对比增强NIR-II成像可定量监测缺血组织的血流灌注、血管重塑与侧支血管形成，已实现后肢血管高分辨率可视化与外周动脉疾病模型中组织灌注恢复的定量监测。动脉粥样硬化研究中，中性粒细胞膜伪装NIR-II剂Neu-NPs可通过LFA-1与ICAM-1的特异性相互作用，在ApoE^?/?小鼠与兔动脉粥样硬化模型中实现炎症斑块的增强蓄积，用于易损斑块的敏感可视化与治疗后斑块炎症的动态评估。尽管有机小分子染料、AIEgens、稀土纳米颗粒与量子点已通过优化实现更高QY、更长血液循环时间与更佳生物安全性，且PEG化与仿生包被等表面修饰策略进一步提升了血管滞留并减少了RES非特异性摄取，但许多无机荧光团仍面临长期生物安全性、生物降解性与清除途径的担忧，且靶向特异性不足与深组织荧光亮度有限仍制约着微小或早期血管病灶的成像，成像仪器、荧光团合成与定量成像协议的标准化将是未来临床实施的关键，随着探针工程与成像硬件的持续进步，NIR-II光学剂有望成为精准心血管诊断与术中血管引导的重要工具。

肿瘤应用方面，NIR-II窗口荧光成像已成为广泛研究的生物医学成像技术。针对胰腺癌等难治性肿瘤缺乏实时治疗监测手段的临床挑战，已开发出可动态可视化体内响应性药物释放的NIR-II荧光激活型给药纳米平台，实现联合癌症治疗期间肿瘤治疗反应的实时评估。模拟骨钙素肽修饰的NIR-II荧光剂CH1055-PEG-PT对骨肉瘤细胞具有强结合亲和力，在非侵入性NIR-II成像中可检出小于1 mm的骨肉瘤病灶，其灵敏度优于常规CT，且辅助手术导航可实现恶性组织的完整切除。NIR-II光学剂还可用于可视化肝脏、肺部微转移灶，卵巢癌腹腔转移及乳腺癌淋巴结转移等多种器官的隐匿性病变。2020年开展的首次NIR-II荧光引导手术（FMI）临床研究纳入23例肝细胞癌（HCC）患者，采用包含可见光、NIR-I与NIR-II通道的多光谱成像平台，以ICG作为两种NIR模式的造影剂，结果验证了NIR-II FMI的可行性，并证明其肿瘤检出能力优于NIR-I引导手术，灵敏度分别为100%与90.6%，诊断准确率分别为91.4%与82.9%，且NIR-II成像发现了5个术前漏诊的隐匿病灶，而NIR-I仅检出其中2个。超稳定均相混合制剂技术（SHIFT）在破裂HCC精准转化肝切除术中也取得成功，破裂HCC患者接受栓塞联合荧光引导手术治疗，显示出优异的止血效果，Lipiodol与ICG均在原发病灶有效沉积，后续腹腔镜肝切除术中SHIFT-ICG可清晰实时成像完整的肿瘤区域与边界，即使难以区分的卫星病灶也呈现强荧光强度，表明该制剂可用于破裂HCC患者的急诊栓塞止血及后续荧光引导精准切除。高亮度NIR-II聚合物点（NIR-II Pdots）可实现转移性卵巢癌的实时可视化，在NIR-II荧光引导下可轻松识别并手术切除小至2 mm的转移结节，凸显其在精准肿瘤手术中的潜力。实时血管成像可提供解剖与血流动力学信息，进一步提升癌症检出与治疗疗效评估的准确性，利用疏水染料与两亲性聚合物结合构建的超亮NIR-II复合物p-FE，借助定制NIR-II共聚焦系统在小鼠大脑中实现三维血管成像，得益于荧光团高亮度与NIR-II成像的深组织穿透性，在高达1.3 mm的成像深度下以高对比度可视化宽度仅5–7 μm的微小血管，实现了单光子NIR-II技术的三维血管成像突破。综上，NIR-II荧光成像凭借组织散射与吸收降低带来的更大穿透深度、更高图像对比度与分辨率，以及该窗口背景自发荧光的显著抑制，已成为提升疾病检出与手术引导的有力工具，并可结合光声、MRI等其他模态实现多模态成像，支持更全面的诊断与治疗策略。

神经与脑部应用方面，针对脑部疾病无创高灵敏度诊断方法的迫切需求，ROS响应的比率型NIR-II剂通过染料敏化架构将IR-783与稀土掺杂纳米颗粒偶联，实现了活体氧化应激的实时监测，可在卒中模型中区分可挽救的缺血半暗带与梗死核心，并通过氧化应激水平的定量评估实现缺血组织分层，且在发病后30分钟即可勾勒缺血区域，远早于MRI的检出时间，为急性缺血性卒中的评估提供了实用及时的策略。针对阿尔茨海默病（AD），已有NIR-II剂实现对AD模型小鼠脑内Aβ斑块的特异性检测，其具有良好的血脑屏障（BBB）穿透能力与深组织穿透性，对Aβ纤维具有最高亲和力，可特异性检测AD模型中的Aβ斑块，为非侵入性Aβ斑块成像与AD进展深入理解提供了策略；基于二氟化硼甲臜骨架的NIR-II剂可通过BBB穿透实现无创脑成像，在鼠胶质母细胞瘤模型中有效区分恶性病变与周围健康脑组织；基于空间位阻猝灭剂（SHQ）的荧光猝灭策略构建了“关-开”可激活传感范式，利用次氯酸盐（ClO^?）响应SHQ系统在癫痫小鼠颅骨下的海马区及高散射脑组织中产生强烈NIR-II荧光，实现ClO^?生成的实时活体成像；基于NIR-II AIE纳米颗粒的治疗平台可在ROS刺激下顺序释放两种封装的AIE治疗药物，触发自我强化的治疗级联，一种药物选择性阻断淀粉样β纤维化、促进纤维降解并抑制再聚集，减轻炎症反应，另一种药物高效清除过量ROS并进一步抑制神经炎症，有助于恢复脑内氧化还原稳态，在雌性AD小鼠模型中显著改善行为与认知表现。神经成像方面，LGW08-35等神经特异性近红外荧光造影剂已成功用于大鼠与猪的盆腔神经解剖成像，支持对股神经、坐骨神经、腰神经、髂神经与下腹神经等关键神经的实时识别，有望降低妇科手术中的神经损伤风险；基于NIR-II荧光的活体原位实时成像方法利用特异性结合运动神经元相关凝集素蛋白的PbS量子点，可清晰成像小鼠模型的外周神经结构与潜在损伤，为周围神经病变的早期诊断与精准治疗提供了有前景的策略。

基于NIR-II光学剂的多模态成像策略部分涵盖四类组合。NIR-II成像与MRI结合方面，MRI利用强磁场与射频脉冲激发体内氢核，质子弛豫时发射的射频信号经检测重建生成高分辨率图像，具有优异的软组织对比度与不受限的穿透深度，但成本高、耗时长。二者结合的双重模态系统在癌症患者管理与治疗中展现出巨大潜力，肿瘤微环境响应性可降解二氧化硅基纳米平台可利用过氧化氢与谷胱甘肽比值实现MRI与自放大化学动力学治疗，其中NIR-II荧光成像用于评估治疗靶点表达并追踪药物递送与瘤内蓄积，MRI则提供治疗效果的纵向无创评估手段，有助于实现更精准的治疗引导并减少对非恶性组织的损伤。NIR-II成像与光声成像结合方面，光声成像结合了传统光学成像的优异对比度与超声成像的出色时空分辨率，可精准定位体内深埋肿瘤，兼具高分辨率与深穿透诊断能力，基于共轭聚合物的NIR-II吸收纳米颗粒具有强NIR-II吸收、良好生物相容性与稳健的光声稳定性，可实现光声显微镜成像，精确勾勒肿瘤边界及肿瘤与周围组织内的血管网络，这是外源性造影剂辅助NIR-II光声显微镜成像的首次成功应用；基于aza-BODIPY骨架的多功能光疗小分子平台经取代基修饰并包封于叶酸功能化聚合物载体后，可通过受体介导的内吞作用穿越血脑屏障并对胶质瘤细胞表现出选择性亲和力，实现NIR-II荧光/光声双模态成像引导的PTT。NIR-II成像与核成像结合方面，PET通过检测痕量放射性标记示踪剂提供组织代谢与生物活性的功能信息，助力疾病早期发现与表征，全身扫描能力使其在癌症分期与治疗监测中极具价值，而NIR-II荧光成像提供高空间分辨率与增强的组织穿透性，二者整合将代谢、功能与解剖信息融合于单一多模态平台，显著提升诊断准确性，尤其在外科肿瘤学中，双模态PET/NIR-II探针可实现术前肿瘤精准定位与术中实时视觉引导，支持更完全的肿瘤切除并降低复发风险，例如仿生黑色素纳米颗粒、介孔二氧化硅与脂质双层共包封NIR-II荧光团CH-4T与PET同位素⁶⁴Cu的设计可实现精准肿瘤可视化并引导准确手术切除，叶酸受体α靶向PET/NIR-II纳米探针对胶质母细胞瘤具有高肿瘤选择性，可在手术中提供有效的实时荧光引导，提升精准肿瘤切除的效果。NIR-II成像与光热成像结合方面，PTT是新兴的癌症治疗手段，NIR光热纳米材料因NIR光的组织穿透优势受到广泛关注，相较于NIR-I，NIR-II更具光热转换应用潜力，系列金纳米棒经表面功能化与二氧化硅层包被后，吸收峰红移且保持强光热稳定性，10分钟NIR照射下温度升高约30°C，光热转换效率达38.4%，小鼠异种移植模型证实其在980 nm NIR光照射下可有效消融肿瘤。

临床转化面临的剩余挑战部分聚焦三大方面。生物安全性与长期生物相容性方面，NIR-II光学剂若无法在体内有效降解或易在肝肾等重要器官蓄积，可能引发毒性反应