摘要：本文重点介绍了针对不同生物标志物的一系列新型基于肽的分子探针。这些探针能够提供具有高亲和力、高特异性、高渗透性和快速排泄能力的靶向识别。这些灵敏的肽在与成像部分结合或形成纳米探针时，可以实现快速和特异性的检测，适用于靶向诊断和治疗中的体内分子成像。

自精准医学的概念提出以来，靶向治疗诊断已成为个性化肿瘤医学的“前沿”，因为它们能够在活体系统中提供分子水平的特定生物信息。通常，一些失调或突变基因会导致肿瘤组织中相关蛋白的异常表达。这些被称为生物标志物的蛋白质在肿瘤进展中发挥关键作用。追踪和监测这些生物标志物是肿瘤靶向检测的核心概念。分子成像可以提供分子事件的可视化，从而实现诊断和治疗效果的监测。迄今为止，各种体内成像模式，如荧光成像、超声成像、正电子发射断层扫描（PET）、单光子发射计算机断层扫描（SPECT）和磁共振成像（MRI），已被广泛应用。在肿瘤病灶的精确定位方面，即使是在非常早期的阶段也取得了重大进展，这得益于靶向配体介导的成像对比剂的工程设计以及各种成像方法的发展。合格的分子癌症成像探针应满足某些要求，例如生物相容性、靶向特异性、高肿瘤与正常组织（T/NT）信号比以及快速清除能力。此外，由于配体通常与不同的材料（如有机染料、放射性核素和量子点（QDs））偶联，因此对化学溶剂的耐受性也是必要的。抗体、肽和其他小分子（如叶酸）都是候选物。在这些分子中，抗体具有最高的亲和力和特异性。然而，基于抗体的靶向探针往往在生理条件下要么具有高免疫原性和低排泄能力，要么具有耐药性。尽管肽的结合亲和力不如单链抗体高，但它们多样、小、免疫原性低，易于合成，并能灵活进行化学修饰。因此，亲和力靶向肽是很有前景的分子探针。组合库化学和噬菌体展示策略提供了各种具有潜在靶向性的肽的可用库。已报道了选择用于靶向众多疾病相关生物标志物和受体的肽或肽类似物，具有亲和力和特异性。根据肽的结构，肽探针分为三类。第一类是通过共价键将成像部分与单个肽连接起来（方案1A）。成像部分可以是有机染料或放射性核素。第二种类型是亲和肽功能化的纳米颗粒（方案1B）。对于光学成像，纳米颗粒可以是量子点、碳纳米管或金纳米颗粒，而对于磁共振成像，则可以是金属有机框架（MOFs）。它们也可以是脂质体、胶束和聚合物纳米颗粒。最后一种类型是自组装肽纳米结构，如肽纳米纤维、两亲性肽纳米结构和有序肽二级结构诱导的纳米材料（方案1C）。在这种情况下，亲和肽不仅识别目标，还参与纳米结构的构建。成像部分通常封装在纳米结构中。许多优秀的综述都聚焦于肽探针的不同方面。在这里，我们探讨了一个领域，该领域将新兴的设计和应用的新型亲和肽基探针及其有价值的功能引入生物成像中。为了便于聚焦，其范围主要涵盖用于光学成像的小肽成像探针、针对重要生物标志物的新型肽以及基于智能肽的纳米材料。

方案 1. 基于靶向肽的用于分子成像的探针的示意图。

2. 具有“小分子”优势的肽修饰成像探针

理想的成像探针的关键特征之一是其能够迅速排泄，尤其是通过肾排泄。具有快速血液清除和肾排泄能力的小分子放射性核素适合临床应用。迄今为止，已有几种基于肽的放射性核素成像探针进入了临床前或临床试验阶段。例如，111In标记的奥曲肽已获得美国食品药品监督管理局（FDA）批准，18F标记的环（精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸）（cRGD）目前正在进行I期临床试验。然而，现代成像策略最重要的目标之一是体内实时成像，这很难通过放射性探针实现。光学成像技术因其高空间和时间分辨率的结合以及使用非放射性材料和普通仪器而比其他成像方式具有许多优势。在众多光学探针中，荧光部分在研究领域得到了广泛应用。目前，只有两种荧光探针获得了临床批准：亚甲蓝（MB）和吲哚菁绿（ICG），它们都是通过肾排泄的小分子。许多因素与排泄能力有关，如形状、大小、表面电荷和水溶性。小分子（大小<6纳米，分子量<40千道尔顿）通常被认为通过肾脏排泄。通常，含有几个到<50个氨基酸的生物活性肽的分子量较低。因此，肽比大分子更有可能具有有利的生物分布特征。亲和肽的特点是其在靶细胞中的高摄取率和快速肾脏清除率，这使得它们非常适合用于探针功能化。以近红外（NIR）染料ICG为例，当通过抗体（通常>60千道尔顿）偶联赋予其靶向能力时，分子大小显著增加，导致网状内皮系统（如肝脏和脾脏）的高摄取率，这对其长期体内毒性有担忧。这限制了ICG的优势。相比之下，当ICG与RGD（<1千道尔顿）偶联时，会发生肾脏排泄，同时T/NT信号比率大大增强。通过在第二近红外（NIR-II）窗口使用小分子染料，可以有效地提高成像分辨率。如图1A所示，一种针对表皮生长因子受体（EGFR）的肽偶联的NIR-II探针在体内显示出超过14的T/NT比，肾排泄率为90%。此外，还实现了成像引导的手术。在此基础上，一种新的肽偶联的NIR-II荧光探针在体内仅2小时就达到了信号峰值，并迅速通过肾脏排泄（6小时内约87%的排泄），与基于抗体的探针在肝脏中的积累形成了鲜明对比（图1B）。这些优势在这个例子中，展示了实时检测、灵敏度、快速性和血液清除能力。此外，与大分子相比，小肽具有改善的细胞渗透性，允许更有效地穿透目标部位。例如，向大脑输送药物的最大挑战之一是克服血脑屏障（BBB）。可激活的细胞穿透肽（ACPPs）是融合肽，包含穿透域和识别部分，是血脑屏障的有效探针，表明它们是促进脑运输的有希望的工具。如图1C所示，设计了一种新的CPP NIR探针，用于低密度脂蛋白受体相关蛋白-1（LRP1），以克服血脑屏障并实现胶质瘤靶向成像。然而，仅讨论基于肽探针的光学成像的优点是不完整的。客观地说，使用肽的主要缺点是由于在生物系统中的酶解作用而潜在的低稳定性。一些肽的半衰期仅几分钟。然而，可以根据需要重建具有可控半衰期的肽。例如，可以引入D-构型或非天然氨基酸。肽的环化、乙酰化、胺化和自组装也是延长其半衰期和稳定性的有效方法。另一方面，光学成像的主要缺点是难以检测体内深层组织，由于其穿透能力差，这限制了光学成像技术的临床价值。光学成像未来的发展趋势可能是减少探针散射、降低背景自发荧光以及提高T/NT比。正在开发的新成像方法，如体内NIR-II和双光子成像，有望解决前两个问题，亲和分子配体则是解决第三个问题的一种方法。如果这些问题能够得到解决，那么有针对性的光学成像引导的手术和疾病监测可能会在临床上得到广泛应用，因为它们具有实时性，方便且快速。

图 1 。具有“小分子”优势的靶向肽修饰的成像探针。A）一种针对 EGFR 的肽偶联的近红外二区染料（左上角）用于体内分子肿瘤成像。这种小分子探针能够快速排泄（右上角），同时以高 T/NT 比率靶向肿瘤（左下角）（右下角）。B）一种针对 CD133 的肽修饰的近红外二区荧光素（上部）用于特定肿瘤成像（左下角）。与蛋白质标记的染料相比，由于尺寸不同，肽标记的染料可以从泌尿系统排泄（中间底部）（右下角）。C）一种血脑屏障穿透和神经胶质瘤靶向的肽。

3. 针对重要生物标志物的设计肽探针

随着新分子靶点的发现，对新型肽配体的需求日益增加。利用新的配体发现技术，可以从高通量库中筛选出新的亲和肽，这些技术已在其他地方进行了总结。在本节中，我们将讨论最近开发的针对一些重要肿瘤生物标志物的肽探针。首先，新血管的形成（血管生成）与肿瘤的发生和转移高度相关。选择针对血管生成的肽配体一直是一个热门的研究课题。例如，整合素家族在肿瘤血管生成过程中发挥着重要作用。经典的肽段RGD能够以高亲和力特异性地与整合素αvβ3结合。最近，基于精准医学的各种血管生成标志物受到了更多的关注。血管内皮生长因子受体（VEGFR）在激活和增殖的内皮肿瘤细胞上过度表达。报道了一种针对VEGFR2的可切换亲和肽STP（序列：SKDEEWHKNNFPLSP），其亲和力解离常数（KD）为85×10−9 m。氨肽酶N（APN）是另一种肿瘤血管生成的生物标志物，是一种膜蛋白，已被认为是抗癌治疗的有效靶点。除了经典的APN配体NGR肽（KD = 6.2 ×10−6 m）外，通过筛选发现了一种新的APN靶向肽（AP-1，序列：YVEYHLC），其KD较低（37.5 ×10−9 m）。这些选定的肽探针为监测肿瘤血管生成提供了新的选择。此外，同时靶向多个血管生成标志物的组合肽配体可能具有协同作用。其次，一些上皮源性受体对于肿瘤靶向治疗诊断非常重要。上皮细胞黏附分子（EpCAM）是一种独特的生物标志物，在肿瘤细胞膜上高度表达。EpCAM靶向肽EP-1（序列：YEVHTYYLD）具有纳摩尔亲和力。人类表皮生长因子受体2（HER2）也是一种上皮源性标志物，特异性针对乳腺癌。新开发的HER2靶向肽，如设计为抗体片段的肽2Rs15d和从文库中筛选出的肽H6，是典型的例子。由于上皮间质转化（EMT）与肿瘤进展有关，因此用这些肽探针监测上皮源性标志物具有重要意义。第三，癌症干细胞（CSCs）已被证实与肿瘤的初始发生有关。针对癌症干细胞标志物的肽与高分辨率检测方法相结合，可能在早期甚至初始阶段实现肿瘤的区分。癌症干细胞标志物 CD133（prominin-1）尤其引人注目。已发现对 CD133 具有纳摩尔亲和力的新的肽配体，可用于早期肿瘤的体内无创成像。最后，研究人员已开始关注几个免疫治疗靶点。据报道，阻断免疫相关跨膜蛋白程序性细胞死亡蛋白 1（PD1）与其配体 PDL1 之间的蛋白质-蛋白质相互作用显示出有希望的癌症治疗效果。最近，已开发出几种针对PDL1的肽。一个典型的例子如图 2B 所示。发现了一种抗水解的D构型肽 DPPA-1 (KD = 0.51×10−6 m)，它能识别 PDL1 并阻断 PD1/PDL1 通路。DPPA-1 的治疗效果略逊于抗体药物偶联物。我们在表1中还总结了近期开发的PDL1靶向肽。

这些报告揭示了 PDL1 肽的优点，即肽探针的成像 T/NT 比与抗体相当。与抗体相比，肽类在不耗竭外周效应 T 细胞的情况下还能显示出更优的肿瘤穿透性。然而，将肽配体应用于靶向成像或治疗仍处于发展阶段。 受其有限的亲和力（范围从 µm 到 nm)）的限制，这些肽在未来应用中可能只适用于快速分子成像，而非抑制肿瘤信号通路。

图 2 。针对重要生物标志物的肽材料。A）HER2 靶向肽 H6 与放射性核素偶联，用于体内靶向 SPECT 成像（顶部）。H6 的微阵列筛选平台（左下角）。一种用于细胞成像的 H6 功能化上转换探针（底部、中部和右侧）。B）一种新开发的 PDL1 靶向肽（上部）用于肿瘤成像（左下角）和癌症免疫治疗（右下角）。

4. 用于体内成像的智能肽基纳米医学材料

现代纳米技术的发展为基于纳米平台的构建提供了更多选择。兼具生物相容性和高分辨率成像能力的成像造影剂。靶向肽特别适合用于纳米材料的官能化，因为多价表面偶联提供了协同识别。基于亲和肽的纳米材料不仅可以通过增强渗透和滞留（EPR）效应在肿瘤部位聚集，还可以通过主动识别，这显著提高了它们的结合行为。我们在表2中总结了基于肽的纳米探针的特性。大多数适合实时检测的基于肽的探针大小在100纳米以下。

这些探针的表面电荷各不相同，可以根据需要设计。一般来说，表面带负电荷的纳米材料具有胶体稳定性和长期血液循环性，而表面带正电荷的纳米材料则具有良好的细胞穿透能力。最近的进展已被一些综合综述文章所总结。在此，我们讨论了几种新开发的用于分子成像的智能自组装肽纳米材料。能够附着到单个肽上的探针数量有限。然而，纳米级载体可以负载足够量的造影剂。特别是，合理设计的肽纳米结构能够以智能的方式对肿瘤微环境做出响应。肿瘤通常具有轻度酸性环境的特点。对低pH值有反应的材料可以提高探针递送的靶向能力。Luo等人报道了一种可变形且对pH值有反应的自组装肽纳米材料（图3A）。这种肽在酸性条件下能够形成α-螺旋结构，而在正常pH值下则保持无规卷曲。因此，纳米材料可以“开启”插入肿瘤膜中，促进体内成像。亲和肽通常是亲水性的。亲水性的荧光素与肽的结合不仅可以实现分子成像，还能加速两亲性自组装。张及其同事设计了一种自组装的纳米结构，由肽-（卟啉 18）构建模块组成，对肿瘤的酸度有响应。这种材料的组装诱导的保留（AIR）效应提高了光声成像的效果。此外，一些靶向纳米结构不仅对pH值有响应，但也与氧化还原电位和蛋白酶浓度有关，导致对比剂仅在肿瘤组织中多触发快速释放（图 3B）。 此外，还构建了一种用于热成像和光声成像的温度敏感肽调节纳米系统。然而，与其他无机或有机材料的结构相比，生物活性肽的结构更容易受到温度变化的影响。因此，在将光热疗法与基于肽的靶向治疗诊断相结合之前，应对这些肽进行评估。总之，最近刺激触发的纳米探针已被广泛报道。然而，生物活体系统非常复杂。通常没有足够的体内实验直接证据来支持结构转变的机制，这限制了这些系统的进一步实际应用。最重要的是，基于肽的纳米探针的大多数研究仍处于概念验证阶段。主要问题可能来自对纳米材料目前尚不明确的慢性纳米毒性的研究。这项研究的初步性质还有另一个原因，可能是大多数纳米材料在不同批次之间的重现性差。

图 3 。用于体内成像的智能肽基纳米医学材料。A）一种 pH 驱动的膜锚定自变形肽（上），用于有效的肿瘤成像（左下）和光动力疗法（右下）。B）基于蛋白质-肽共组装的多触发肿瘤响应载体。

5. 结论与展望

分子靶向癌症成像正成为一种蓬勃发展的策略，利用了各种成像探针和模式。现代分子生物学的发展提出了许多可以被识别为分子靶点的细胞表面受体。在此，我们总结了针对不同分子靶点的基于肽的探针的最新进展及其应用。然而，到目前为止，只有一些放射性核素标记的肽探针进入了临床试验阶段。基于肽的探针还有很长的路要走。理想的探针应该是灵敏、特异、稳定和快速的。然而，这些特性通常是相互矛盾的。因此，一个主要的挑战是协调这些探针的不同特性，包括识别基序（肽）和信号基序的特性。目前，高分辨率成像、多模态融合摄影、分子生物学、肽化学和纳米科学等领域都在迅速发展。我们有理由相信，这一进展将通过跨学科的科学努力为基于肽的探针的发展开辟新的途径。

免责声明：本文为行业交流学习，版权归原作者所有，如有侵权，可联系删除