Molecular probes for in vivo optical imaging of immune cells

用于免疫细胞体内光学成像的分子探针

论文信息：Nature Biomedical Engineering，IF：26.6，Date: 2024.09.23, DOI: 10.1038/s41551-024-01275-7

主讲人：王慧翔,2025年8月3日

研究背景：

 本综述的研究背景聚焦于免疫系统在疾病中的关键作用以及光学成像技术在免疫细胞监测中的应用潜力。免疫系统作为人体的防御网络，由先天免疫、适应性免疫和训练免疫三部分组成，负责维持体内稳态并抵御病原体和损伤。然而，免疫系统的异常激活或功能障碍可能导致多种疾病，包括自身免疫病、免疫缺陷、肿瘤、炎症性疾病以及器官移植排斥。

 在疾病发生和发展过程中，免疫细胞的动态变化至关重要。它们从骨髓生成，通过血液和淋巴循环迁移到外周组织，在肿瘤、炎症、感染和移植排斥等病理条件下发挥关键作用。然而，传统的检测方法如流式细胞术、组织切片染色和质谱细胞术等，均为静态技术，需要活检，无法提供免疫细胞动态变化的实时信息。因此，开发能够实时、无创监测免疫细胞动态变化的技术显得尤为重要。

近年来，分子成像技术的发展为这一需求提供了可能。光学成像作为一种非侵入性、高灵敏度、高时空分辨率的成像技术，因其低成本和适应性而受到广泛关注。光学成像利用光子获取生物标志物的详细信息，涵盖了分子、细胞和组织层面。多种光学成像模态，如荧光成像、光声成像、化学发光成像等，依赖于与分子特异性和灵敏度相关的成像探针。这些探针可以是染料、纳米颗粒、报告基因、蛋白质或经过基因工程改造的细胞。同时，成像仪器的发展，如活体显微镜、双光子显微镜和共聚焦显微镜，提高了体内动态生物过程的可视化和定量能力。光学成像结合分子探针已被用于成像免疫细胞生物标志物，以理解免疫系统的动态。

研究意义与目的：

本综述通过系统总结光学成像技术在免疫细胞监测中的应用，不仅填补了传统技术的空白，还为疾病的早期诊断、精准治疗和预后评估提供了全新的手段。通过优化探针设计、促进多模态成像融合以及推动临床转化，光学成像技术有望在未来的医学实践中发挥重要作用，为精准医学的发展提供有力支持。

研究内容：

本综述旨在总结光学分子探针在人类疾病背景下成像免疫细胞的最新进展。综述从免疫系统的关键特征入手，讨论了用于成像免疫细胞的光学成像模态，重点介绍了使不同光学成像模态成为可能的分子设计策略，以及在各种疾病环境中检测特定免疫生物标志物的分子识别机制。此外，还强调了分子光学探针在成像肿瘤浸润免疫细胞中的应用，以及在动脉粥样硬化、肺部炎症、移植排斥等免疫相关疾病中的应用，并讨论了光学分子探针在进一步理解免疫系统和疾病诊断中的转化机会与挑战。

总结与展望：

总结：光学成像技术凭借其非侵入性、高灵敏度、高时空分辨率等优势，已成为研究免疫细胞动态行为的强大工具。通过设计特异性分子探针，可以实时监测免疫细胞在多种疾病中的动态变化，包括肿瘤、动脉粥样硬化、肺部炎症和移植排斥等。这些探针不仅能够精准识别特定免疫细胞亚群，还能通过激活机制显著提高成像的特异性和灵敏度。例如，在肿瘤免疫治疗中，实时监测肿瘤浸润的 T 细胞可以预测治疗反应，优化治疗方案。在动脉粥样硬化中，精准识别易损斑块中的巨噬细胞有助于早期预警心血管事件。这些应用展示了光学成像技术在疾病机制研究和临床诊断中的巨大潜力。

展望：尽管光学成像技术在免疫细胞监测中取得了显著进展，但其临床转化仍面临诸多挑战。首先，动物模型与人类免疫系统的差异限制了光学探针的直接应用。开发人源化小鼠模型、类器官和器官芯片技术，可以更好地模拟人类疾病，从而提高光学探针的临床预测价值。其次，探针的安全性是临床转化的关键瓶颈。通过设计可快速肾清除的探针、使用亲水性或两性离子表面修饰，可以减少非特异性摄取和代谢毒性。此外，组织穿透深度也是光学成像技术需要解决的问题。开发基于 NIR-II、光声成像和声致余辉成像的探针，可以显著提高组织穿透深度，从而拓展光学成像的应用范围。