综述：缺血性卒中相关生物标志物生物成像用小分子荧光探针研究进展

《Bioorganic Chemistry》：Advances in small-molecule fluorescent probe development for bioimaging of ischemic stroke-associated biomarkers

　　

•本综述总结了用于缺血性卒中和脑缺血再灌注损伤（CIRI）的小分子荧光探针。
•重点关注代表性探针的设计策略与成像性能。
•未来探针应优先考虑定量可靠性、生物安全性及病理可解释性。

引言
缺血性卒中是一种由脑动脉闭塞或严重低灌注引起的急性脑血管疾病[1,2,3]。脑血流的阻断限制了氧气和葡萄糖向缺血区域的输送，导致三磷酸腺苷（ATP）产生受损以及脑组织能量衰竭[4]。缺血核心会迅速进展为不可逆损伤，而周围缺血半暗带仍保留部分代谢活性，是治疗挽救的主要靶标[5,6,7]。因此，及时恢复血流对于挽救缺血半暗带和改善患者预后至关重要。再血管化治疗，包括静脉溶栓和血管内取栓术，是急性缺血性卒中治疗的关键策略[8,9]。然而，单纯再灌注并不能终止病理过程[10]。将氧气和代谢底物重新引入缺血组织会引发脑缺血再灌注损伤（CIRI），从而启动一系列继发性有害事件，包括氧化还原失衡、线粒体功能障碍、血脑屏障（BBB）破坏、神经炎症以及受调控的细胞死亡[11,12]。因此，CIRI被视为缺血性卒中中与再灌注相关的主要继发性损伤阶段，而不是作为一个完全独立的病理实体进行讨论。

缺血性卒中与CIRI表现出显著的空间和时间异质性[13,14]。缺血核心、缺血半暗带和周围组织在能量代谢、离子稳态、神经血管单元完整性及炎症反应方面经历不同的变化[15]。此外，神经元、星形胶质细胞、小胶质细胞、内皮细胞和周围免疫细胞在不同病理阶段对损伤和修复均有贡献[16,17,18,19]。这些特征表明，缺血性卒中和CIRI是动态的、多细胞的、时空异质性的病理过程，而非局部缺血坏死的简单后果。

计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI）仍然是缺血性卒中诊断、分类和治疗指导的核心工具[20]。这些方法在排除脑出血、识别血管闭塞、评估梗死核心和缺血半暗带以及指导再血管化治疗方面非常有用[21,22]。CT和MRI对于界定缺血性卒中的解剖、血管和血流动力学特征是不可或缺的[23,24]。然而，它们仍不太适合直接解析快速演变的分子事件，如氧化应激、细胞器功能障碍、炎症激活和受调控的细胞死亡[25,26,27]。生化检测可以为氧化应激、炎症和细胞死亡提供分子水平的证据，但它们通常依赖组织或体液取样，并且大多仅限于终点分析。因此，这些检测方法无法完全保留病理信号的空间分布和动态进展[28]。这些局限性凸显了对互补性分子成像策略的需求，这些策略能够原位、动态且具有分子特异性地监测卒中相关的病理信号，从而将临床影像学发现与潜在的分子病理机制联系起来[29]。

小分子荧光探针为分子成像提供了一种化学可调的方法[30–37]。这些探针能够将特定的分子反应或微环境变化转化为光学信号[38–43]。与终点生化检测相比，荧光成像能够提供信号强度、空间定位、亚细胞分布和时序变化的信息[44–48]。因此，它非常适合分析缺血性卒中和CIRI中的快速且局域化的分子事件。从这个意义上说，荧光成像是对传统神经影像学的互补性分子水平策略，尤其适用于实验性卒中模型中的机制研究。近年来，小分子荧光探针已被广泛应用于氧糖剥夺/复氧（OGD/R）模型、脑切片损伤模型、大脑中动脉闭塞（MCAO）模型和血栓相关卒中模型中[49,50]。这些研究使得氧化还原失衡、细胞器应激、细胞膜损伤、脑血管变化及药物干预效果得以可视化[51,52]。近红外（NIR）、双光子、比率型和多响应探针的发展进一步改善了组织穿透能力，减少了背景干扰，并增强了定量读出[53,54]。尽管如此，缺血性卒中成像中荧光探针的实际价值不能仅基于其体外光谱性能来评估。对于脑成像，探针性能不仅取决于灵敏度、选择性和响应速度，还取决于光学窗口兼容性、组织穿透性、BBB通透性、脑分布、体内代谢、清除率以及模型适用性[55–59]。这些考量表明，面向卒中的荧光示踪剂仍需克服若干关键挑战，包括高效的脑部可及性、足够的成像深度、可靠的信号定量、良好的药代动力学行为、生物安全性以及在与疾病相关的模型中的验证。因此，迫切需要建立一种系统评估框架，全面考虑反应化学性质、光学特性、脑递送行为、模型验证以及成像结果的病理解释。

在本综述中，我们系统总结了用于缺血性卒中的小分子荧光探针的近期进展，特别强调CIRI作为缺血性脑损伤中与再灌注相关的一个关键阶段。与仅根据荧光骨架或反应性基团对探针进行分类的传统综述不同，本综述聚焦于缺血性卒中的主要病理过程。我们全面讨论了探针设计、响应机制、信号输出、靶向能力、成像模型和生物学应用之间的关系。所综述的探针按其靶向的病理特征进行分类，包括氧化应激相关生物标志物、含硫氧化还原分子、病理微环境参数、蛋白质氧化与细胞骨架重塑标志物以及血栓相关的Zn2+成像（图1，表1）。我们进一步比较了它们在选择性验证、定量成像、BBB通透性、深组织成像、疾病模型兼容性及转化潜力方面的优势与局限。通过将荧光探针与CIRI的病理过程及卒中相关事件联系起来，本综述旨在建立一个清晰框架，用于在分子水平上理解缺血性卒中，并为下一代脑成像荧光探针的设计提供理性指导。

章节片段

缺血性卒中期间ROS生物标志物的生物成像
活性氧（ROS）介导的氧化应激是缺血性卒中，特别是再灌注后的一个主要病理事件。过量ROS的产生会损害线粒体功能，破坏脂质、蛋白质和核酸，激活炎症反应，并促进受调控的细胞死亡[60,61,62]。由于ROS相关生物标志物在稳定性、反应性、扩散能力和亚细胞分布方面各不相同，其可视化取决于具有合适……（原文截断）

缺血性卒中期间含硫氧化还原生物标志物的生物成像
双硫醇连同硫化氢（H2S）与氧化还原缓冲、铁死亡调控、炎症信号传导和线粒体稳态密切相关[118–121]。因此，成像含硫生物标志物可为揭示抗氧化能力和氧化还原补偿在缺血性脑损伤过程中如何变化提供互补信息。

缺血性卒中期间病理微环境重塑的生物成像
缺血性卒中期间的氧化还原失衡不仅改变了分子生物标志物的水平，还重塑了细胞器和膜体的物理微环境[153]。粘度变化可以反映细胞器应激事件，如线粒体功能障碍、内质网应激和自噬；而与膜张力相关的变化则与膜破坏性程序性细胞死亡，尤其是细胞焦亡更为密切[154–158]。与可溶性ROS或硫醇……（原文截断）

缺血性卒中期间蛋白质与结构生物标志物的生物成像
除了小分子氧化还原物种和微环境参数，缺血性卒中还会诱导蛋白质氧化还原重塑和细胞骨架重组[177]。与再灌注相关的ROS可氧化蛋白质硫醇、扰乱双硫醇/二硫键稳态，并影响参与细胞应激反应的结构蛋白[178,179]。与短寿命的小分子生物标志物相比，蛋白质水平和结构标志物可能提供更持久的下游信息……（原文截断）

血栓相关缺血性卒中期间血管Zn2+的生物成像
锌离子（Zn2+）参与调控神经元兴奋性、突触传递、氧化应激和细胞死亡，且Zn2+失调与缺血性脑损伤有关[194]。在血栓性卒中中，血小板激活和血栓形成可能与局部Zn2+升高相关，使Zn2+成为血栓相关血管闭塞的一个有用分子指标[195]。因此，本章节讨论的Zn2+探针应被视为血管事件的……（原文截断）

NIR-II、双光子比率型及诊疗一体化荧光探针在缺血性卒中中的进展
近年来针对缺血性卒中的荧光探针研究显示出方法论的转变：从传统的单通道信号报告转向更深层的光学成像、提高定量可靠性以及成像引导的治疗评估[197–200]。因此，NIR-II荧光成像、双光子比率成像和诊疗一体化探针系统应被视为交叉性的技术方向。这些策略对于缺血性卒中……（原文截断）

总结与展望
缺血性卒中是一个动态病理过程，涵盖急性缺血性损伤和与再灌注相关的继发性损伤，特别是CIRI。这些病理阶段涉及氧化还原失衡、线粒体功能障碍、神经炎症、BBB破坏、细胞器应激、受调控的细胞死亡以及特定的离子异常。在实验性缺血性卒中模型中，小分子荧光探针是可视化分子及微环境变化的有力工具……（原文截断）

CRediT作者贡献声明
Ziyi Wang：撰写—初稿、方法论、研究、数据整理。
Yichen Zhang：形式化分析、概念化。
Jiayi Zhang：研究、数据整理。
Chaokun Zeng：撰写—审阅与编辑、监督、经费获取。
Ran Zhang：数据整理。
Qingxia Duan：撰写—审阅与编辑、形式化分析。
Libo Jiang：概念化。
Shijun Chen：方法论。
Weijie Chi：监督、经费获取。
Wei Shu：验证、项目管理、经费获取。

利益冲突声明
作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些因素可能影响本文所述工作的成果。

致谢
我们衷心感谢海南省健康科学技术创新联合计划（WSJK2026QN128）、山东省自然科学基金（ZR2025MS433）、国家自然科学基金（项目编号32360236和22574038）、海南省自然科学基金（编号226JCQN0965）以及热带海洋工程材料及其评价国家重点实验室自主研究基金（编号……）提供的财政支持。

作者名单：Ziyi Wang | Yichen Zhang | Jiayi Zhang | Chaokun Zeng | Ran Zhang | Qingxia Duan | Libo Jiang | Shijun Chen | Weijie Chi | Wei Shu