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在活体成像分析研究中,发展有效的策略构建分子影像探针应用于疾病标志物的高灵敏度和高分辨率检测对疾病的早期诊断具有重要意义。分子自组装和解组装是生物体内广泛存在的物质从简单到复杂之间相互转化的过程。人们借助这一过程,通过合理设计使探针与生物功能分子相互作用后,分子间相互作用力发生变化,从而调控探针在小分子形态和纳米形态之间的相互转变,以此调控探针的成像信号,从而构建生物分子响应的分子影像探针应用于活体上疾病标志物的检测。近年来,人们基于分子自组装和解组装策略发展了不同成像模态的分子影像探针,但这些探针在应用于活体上仍存在以下局限:（1）大部分的自组装纳米探针是基于高分子聚合物构建的,在生物体内代谢时间长、降解速度慢,易带来系统毒性;（2）已报道的小分子自组装纳米探针大多为单一成像模态,活体成像分析无法同时满足高灵敏度、高分辨率和高组织穿透性;（3）在小分子探针中同时引入多个成像基团和靶向基团会导致探针设计复杂、合成困难、产率低,临床转化困难。基于以上研究背景,本论文通过发展可控的分子自组装和解组装方法,构建生物功能分子响应的多模态分子影像探针应用于活体成像分析。我们一方面发展分子共组装和解组装策略构建谷胱甘肽响应的多模态纳米探针,应用于小鼠体内急性肝炎的高灵敏度、高空间分辨率的可视化检测;另一方面,发展生物分子响应的原位自组装策略构建碱性磷酸酶激活的有机小分子多模态成像探针,开展活体上肿瘤的多模态成像分析。具体研究内容如下:在论文的第一部分工作中,我们发展了分子共组装和解组装策略,成功构建了肝脏靶向和GSH激活的荧光/核磁共振（MRI）/氟磁共振波谱（19F-MRS）三模态成像探针GdNPs-Gal,应用于活体上急性肝炎的无创、实时检测与疗效的快速评估。纳米探针GdNPs-Gal由GSH响应的MRI探针（1-Gd）和肝脏靶向探针（1-Gal）共组装而成,具有低的荧光和19F-MRS信号以及高的r1弛豫率,同时能够靶向肝脏细胞。当探针通过尾静脉注射进入小鼠体内后,能够在β-Gal的靶向作用下进入肝脏细胞。在正常肝细胞中,探针能够在高水平GSH作用下切断二硫键并发生解组装,从而导致r1弛豫率显著下降,同时荧光和19F-MRS信号增强。在炎性肝细胞中,下调的GSH水平延缓了探针的解组装过程,维持了原有的成像信号。因此通过MRI和荧光、19F-MRS分析相结合,探针能够对肝脏GSH水平变化进行精确的多模态成像检测。利用GdNPs-Gal,我们成功对LPS诱导的小鼠急性肝炎进行了成像检测分析,并对抗炎药物地塞米松（DEX）治疗过程的GSH恢复进行了精确的监测。在论文的第二部分工作中,我们将酶促的荧光激活反应和原位自组装策略相结合,构建了碱性磷酸酶（ALP）激活的近红外（NIR）荧光/正电子发射（PET）双模态成像探针P-CyFF-68Ga,应用于活体上肿瘤的高灵敏度、高组织穿透性的荧光/PET双模态成像分析。我们通过标记放射性核素68Ga,合成了 NIR荧光/PET双模态小分子探针P-CyFF-68Ga;连接在荧光染料上的磷酸根基团使探针的荧光猝灭,水溶性增强。通过尾静脉注射入小鼠体内后,探针能够通过扩散作用渗透进入肿瘤组织中,并在肿瘤细胞表面高表达的ALP的作用下发生脱磷酸作用,生成两亲性的水解产物并激活荧光信号,进一步通过疏水作用和π-π堆积作用,在肿瘤细胞膜上原形成带有NIR荧光和核素放射性的纳米颗粒。由于形成的纳米颗粒具有比小分子更大的尺寸,导致其扩散速度慢,因此可以在肿瘤部位长时间停留并富集,从而提高成像的信背比。利用P-CyFF-68Ga,我们成功对ALP高表达的HeLa肿瘤进行了无创的荧光/PET双模态成像分析。在论文的第三部分工作中,我们在第二部分工作基础上,进一步将酶促的荧光激活反应、原位自组装策略与生物正交反应相结合,发展了肿瘤预靶向多模态成像策略,应用于肿瘤的NIR荧光/MRI/PET三模态成像分析。通过在ALP响应的、具有荧光和顺磁性的小分子探针的基础上引入反式环辛烯（TCO）基团,我们成功构建了 ALP响应自组装的探针P-FFGd-TCO。当探针通过尾静脉注射进入小鼠体内后,小分子探针会渗透进入到肿瘤组织内部,在肿瘤细胞膜表面高表达的ALP作用下脱去磷酸根,荧光信号激活并原位自组装形成带有荧光和顺磁性的纳米颗粒。较大尺寸的纳米颗粒能够在肿瘤组织中长时间停留,进而实现了肿瘤部位TCO基团的富集。放射性核素标记的四嗪分子（Tz-68Ga）通过尾静脉注射到小鼠体内,在达到肿瘤部位后可以与纳米颗粒表面的TCO基团通过快速的反电子需求的狄尔斯-阿尔德（IEDDA）反应共价偶联,实现了放射性核素在肿瘤中的蓄积停留,因而可以在肿瘤部位同时实现NIR荧光、MRI和PET信号的增强。利用P-FFGd-TCO,我们成功对ALP高表达的HeLa肿瘤进行了预靶向的NIR荧光、MRI和PET三模态成像,从而可以对体内ALP阳性的肿瘤进行高灵敏度和高空间分辨率的成像检测。