由于光的易于产生,非侵入性质,波长/强度可调,时空的易于精确控制等优势,光基诊疗剂已被广泛应用于临床。目前开发的大多光基诊疗剂为非智能响应探针,无论其是否到达靶点,都会释放出诊疗信号。然而这种诊疗剂应用于诊疗易导致高的背景信号和严重的治疗副作用。近年来研究发现正常生理微环境与疾病组织的病理微环境存在明显的不同,病理微环境对于不同类型的疾病,如癌症、自身免疫疾病、感染和心血管疾病,都常常是重要的生物标志物。这使得利用这些病理微环境与正常组织生理环境的不同,设计病理微环境智能响应探针成为吸引人的目标。病理微环境智能响应探针在正常组织内保持诊疗信号沉默,只有到达靶组织与病理组织微环境响应才会释放出诊疗信号,有效的降低了成像背景以及治疗的副作用。然而目前现有的病理微环境智能响应光基诊疗剂还存在一些缺点急需解决:1、尽管目前开发的智能响应光基诊疗剂相对于传统非智能响应诊疗剂在一定程度上提高了诊疗的靶向特异性。然而这些诊疗剂依然不能够高效的从复杂而动态的生理环境中准确识别靶组织,容易造成非特异性激活,甚至假阳性诊断结果和严重的治疗副作用。2、目前开发的病理微环境智能响应光基诊疗剂严重受限于紫外-可见-近红外光(300-900 nm)浅的组织渗透深度。基于此,本论文从光基诊疗剂的分子结构设计出发,旨在发展目前光学技术所能达到的最大组织穿透深度的近红外第二窗口(NIR-Ⅱ,1000-1700 nm)光学诊疗剂和超高特异性激活能力的病理微环境智能响应光基诊疗剂,并用于疾病诊断和治疗领域的研究。论文的研究内容分为以下三部分:1.DPP基半导体聚合物纳米探针用于NIR-Ⅱ荧光成像及成像指导的手术治疗相比于传统近红外第一窗口(NIR-I,650-900 nm)荧光成像,近红外第二窗口(NIR-Ⅱ,1000-1700 nm)荧光成像通过检测更长波长光子,减少了光在组织中的闪射与吸收以及组织的自发荧光,具有更高的分辨率,更深的组织渗透能力。因此,设计开发了基于二酮吡咯并吡咯的NIR-Ⅱ荧光半导体聚合物纳米粒子探针(PDFT1032)。它表现出高光稳定性,在809nm有利吸收峰,大斯托克斯位移223 nm,卓越的生物相容性和最小的体内毒性。更重要的是,PDFT1032成功的实现了对皮下骨肉瘤NIR-Ⅱ荧光成像,肿瘤血管栓塞治疗的评估以及NIR-Ⅱ图像引导的原位肿瘤手术和前哨淋巴结活检(SLNB)等重要生物医学应用。总体而言,优异的生物相容性,良好的亲水性以及理想的光化学性质使半导体聚合物纳米粒子PDFT1032非常有希望作为NIR-Ⅱ成像探针,并广泛应用于恶性肿瘤的临床影像学和手术治疗。2.一氧化氮智能响应的NIR-Ⅱ荧光纳米探针用于药物诱导的肝毒性实时监测药物诱导的肝损伤是药物上市失败和上市药物撤回的主要原因之一,因此监测药物性肝损伤是药物临床试验中非常重要的环节。传统方法通过采集离体血液很难实时准确地反映药物导致的肝损伤情况,而荧光成像法具有灵敏度高、操作简便、可原位检测等优点,成为现代生命科学及疾病诊断等领域不可缺少的研究手段。然而,目前用于监测药物诱导肝毒性的荧光探针全都是NIR-I荧光,严重受限于肝的强烈自发荧光干扰,且NIR-I荧光有限的组织渗透深度很难实现活体肝原位成像。因此,作者提出利用增强分子内电子受体的受电子能力调控分子荧光性质的新概念,设计开发了基于药物诱导肝毒性的标志物一氧化氮可激活的NIR-Ⅱ荧光探针。使用苯二胺衍生物作为荧光分子的受电子基团,在一氧化氮存在下,苯二胺衍生物与一氧化氮反应转变成苯并三氮唑衍生物,从而将分子的荧光将分子的荧光从NIRI区红移到NIR-Ⅱ区,探针表现出低的检测限,快的响应速度,高的光稳定性,实现了对药物诱导的肝毒性实时原位监测。3.“双锁钥匙”控制的NIR-Ⅱ荧光纳米探针用于超高特异性成像NIR-Ⅱ荧光成像是一项新技术,可以以前所未有的空间分辨率显示深部组织的解剖特征。尽管具有吸引力,但有效地抑制背景干扰信号仍然是在复杂和动态生理环境中获得靶向特定NIR-Ⅱ成像的巨大挑战。因此,设计开发了双病理因素协同智能响应的NIR-Ⅱ荧光纳米针(HISSNPs),使用透明质酸链和二硫键充当“双锁”来锁定NIR-Ⅱ荧光染料的荧光淬灭的聚集态。只有当“双锁”通过与“双智能钥匙”(过度表达的透明质酸酶和肿瘤中的硫醇)反应而打开时才能有效点亮荧光,以对体内肿瘤进行超高特异性成像。体内NIR-Ⅱ成像显示探针大大减少了非特异性激活,并实现了超低背景荧光成像。肝脏的非特异性激活导致的荧光信号强度在注射后15小时比单参数智能响应探针(HINPs)低10.6倍。而且,在注射后24小时,“双锁钥匙”控制的HISSNP体现出的肿瘤正常组织比率比“单锁钥匙”控制的HINP高5倍。据我们所知,这是第一次实现NIR-Ⅱ荧光成像中多种病理参数同时参与激活获得超低背景的干扰。