余辉发光可消除组织自发荧光、实现高信噪比成像，是超灵敏生物成像的理想策略。但现有余辉探针存在亮度不足、半衰期短、机制不完善、依赖低穿透光预照射等问题。本研究基于双 (二芳基乙烯) 三联噻吩骨架，开发新型自激活循环放大近红外超声余辉纳米探针（3SCe‑NP），其发光强度较常用 MEH‑PPV 提升约 270 倍，半衰期延长 7 倍。该探针为单分子一体化设计，兼具高效声敏剂与近红外余辉发射体功能，解决多组分体系余辉弱、制备复杂、重现性差的缺陷。与单反应位点体系相比，3SCe‑NP 的多反应位点结构可与自身产生的多种活性氧（ROS）充分作用，形成高密度化学缺陷，大幅提升储能能力，实现超声激发下高强度、长持续近红外余辉。此外，本研究发现独特自放大机制：超声停止后仍可持续产生 ROS，形成循环氧化过程，突破传统消耗型余辉探针依赖单一可耗尽 ROS 的限制。该纳米探针实现高信噪比、深组织穿透、可重复充电的活体肿瘤长期成像，并进一步构建颗粒酶 B（Gran B）激活型超声余辉探针，实现免疫治疗响应监测，为生物医学成像提供新型工具。
图 1 自激活循环放大近红外超声余辉探针的设计
探针设计与筛选优化
设计双反应位点的自激活超声余辉分子（3SCe），经纳米沉淀法制备 3SCe‑NP，粒径约 50 nm，分散均一。对比系列衍生物（1SMe、2SMe、3SMe、1SCe、2SCe、3SCe）与商用聚合物（MEH‑PPV、F8BT），3SCe‑NP表现最优：近红外发射（680–845 nm）、余辉强度最高、半衰期达 44 min，可重复超声激发 10 次信号无明显衰减，在生理环境中稳定性优异。
图 2 超声余辉探针（SASP）的筛选与优化
超声余辉发光机制
3SCe‑NP 在超声下同时产生 I 型（・OH）与 II 型（¹O₂）ROS，因最小单重态‑三重态能隙（ΔE_ST）实现高效系间窜越；分子双反应位点（双键 + 富电子噻吩环）与 ROS 反应速率快，形成高密度化学缺陷；同时具备羟基自由基循环再生机制，超声停止后仍能自我放大余辉信号。3SCe‑NP 拥有最高荧光量子产率（5.41%），三者协同实现超强余辉。
图 3 超声余辉发光机制
体外与深组织成像性能
3SCe‑NP 生物相容性好，可通过溶酶体途径进入肿瘤细胞，超声 / 光照后出现荧光淬灭、余辉增强的信号转换，与细胞数量线性相关，检测限低于荧光成像。离体穿透实验中，超声余辉可穿透7 cm 鸡胸组织，光余辉仅 1.2 cm，荧光仅 0.5 cm，深组织优势显著。
图 4 超声余辉的深组织激发
活体高对比度肿瘤成像
静脉注射后，3SCe‑NP 可在皮下 / 原位肿瘤（结肠、乳腺、胰腺、肺部、脑胶质瘤）高效富集，超声余辉信噪比高达 330，远优于光余辉与荧光；可实现自由活动小鼠长期追踪、腹膜转移瘤精准术中导航、淋巴结高信噪比成像，单次给药可多次重复激活成像。
图 5 颗粒酶 B（Gran B）的体外超声余辉成像
免疫治疗响应监测应用
将 3SCe‑NP 与 BHQ‑3 通过Gran B 特异性剪切肽段连接，构建激活型探针 3SCe‑NP‑BHQ。体外仅在 Gran B 存在下恢复强余辉信号，检出限 0.3 ng/mL，特异性极高。活体层面，该探针可无创、早期监测免疫治疗后的 Gran B 激活，信号强度与 CD8⁺ T 细胞浸润、肿瘤抑制率高度负相关，可在肿瘤体积变化前预测免疫治疗效果。
图 6 化疗后免疫响应的活体超声余辉成像
传统有机余辉探针需三组分组装、依赖光激发与单一 ROS，存在效率低、穿透浅、信号不可持续等缺陷。本研究 3SCe‑NP 为单分子、多反应位点、自循环放大的一体化超声余辉平台，突破三大瓶颈：① 无需外部声敏剂，分子自身产 ROS 并发光；② 双反应位点提升化学缺陷密度，增强余辉强度与时长；③ 发现・OH 自循环机制，实现信号自放大，不依赖一次性消耗 ROS。该探针兼具深组织穿透、零背景、高信噪比、可重复激活的优势，适用于各类深部原位肿瘤成像与术中导航。进一步改造的 Gran B 激活探针，实现免疫治疗早期无创评估，为精准影像与疗效预测提供新范式。未来可拓展靶向修饰、多模态成像及与免疫检查点抑制剂联用，推进临床转化。
A Self-Activating Cyclic Amplification Near-Infrared Sonoafterglow Probe for High-Contrast Imaging In Vivo. Xiang Cao, Yefa Liang, Yuanjing Zhao, Di Liu, Jian Sun, Jiaqi Yuan, Yinxing Miao, Fangqi Yang, Yinghan Chen, Quli Fan, Takanori Suzuki, Yusuke Ishigaki, Deju Ye, and Luyan Wu. Journal of the American Chemical SocietyArticle ASAP
DOI: 10.1021/jacs.6c01285
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