注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析
钙离子是生物体内最重要的信使之一，参与调节从神经元放电到肌肉收缩、细胞增殖及凋亡等几乎所有的生命活动。在肿瘤研究中，钙信号的失调与肿瘤的发生、发展及转移密切相关。因此，实现活体深层组织内钙信号的实时、高分辨率成像，对于理解复杂的生理过程及开发新的治疗策略具有重要意义。然而，传统的钙指示剂（如 Fluo 系列和 GCaMP 系列）的工作波长大多集中在可见光（400-700 nm）或近红外I区（NIR-I, 700-900 nm）。这些短波长光在生物组织中面临严重的散射和组织自荧光干扰，导致成像深度受限（单光子成像通常小于 100 µm），难以对完整肿瘤或深层内脏器官进行无创监测。
近日，香港大学王飞飞教授、戴宏杰院士与中国科学院植物研究所于龙江研究员团队在Journal of the American Chemical Society上发表研究论文。该研究开发了一种全新的基于天然蛋白质的钙指示剂，将钙成像的发射波长推进到了近红外II区（NIR-II, 1000-1300 nm）。该工作不仅实现了在厘米级深度的组织模拟物中进行钙信号监测，还成功应用于活体小鼠完整肿瘤内钙信号的高分辨率实时成像，并展示了其在评估抗肿瘤药物疗效中的潜力。
图1. 新型NIR-II钙指示剂及其光学性能。
1. 来源于天然细菌的 NIR-II 钙敏感蛋白
研究团队从一种生活在富含碳酸钙环境中的嗜热紫色光合细菌（Thermochromatium tepidum）中提取出其光合反应中心核心复合物（LH1-RC）。该复合物包含 16 个天然钙结合位点和 32 个细菌叶绿素 a（BChl a）分子。研究表明该复合物具有以下特征：（1）光学性能：LH1-RC的吸收峰位于 915 nm 左右，发射峰位于 955 nm，尾迹延伸至 1300 nm；（2）高灵敏度与稳定性：该蛋白对钙离子具有极高的亲和力（Kd = 63.7µM）和极佳的光稳定性。实验表明，在长达60 分钟的高功率激光照射下，其荧光强度仅轻微下降，远优于现有的近红外钙指示剂。
2. 细胞内钙信号的灵敏监测
为了将这种大型膜蛋白递送入哺乳动物细胞，研究者采用脂质体包裹策略（LH1-RC@lipid）。结果显示，LH1-RC能有效进入细胞并定位在溶酶体中。通过监测细胞在受到ATP或4-CMC刺激时的荧光变化，成功记录了细胞内钙离子的动态释放过程，灵敏度与可见光钙指示剂相当。
3. 突破深度的活体肿瘤钙成像
在组织模拟实验（Phantom Imaging）中，LH1-RC 表现出惊人的穿透力。在 1% 的脂肪乳溶液中，即使深度达到 8 mm，仍能清晰观察到钙离子诱导的荧光变化，这比传统的近红外钙指示剂成像深度提高了 3-4 倍。
研究团队随后在患有 HeLa 或 A549 肿瘤的小鼠身上实现了无创活体成像。结合近红外二区宽场成像和光片显微镜（LSM），研究者观察到了肿瘤内部的自发钙波以及在 ATP 刺激下诱发的钙响应。
4. 评估药物疗效的新工具
该技术最引人注目的应用在于实时监测抗癌药物的效果。研究发现，地塞米松（Dexamethasone）处理会增加 A549 肺癌细胞的胞内钙水平，而钙通道抑制剂 SOR-C13 则能有效抑制这种趋势。通过 NIR-II 钙成像技术，科研人员可以长期、非侵入性地评估药物对肿瘤生理状态的影响，为临床用药提供直观依据。
小结
这项工作证明了LH1-RC作为一种新型NIR-II钙指示剂，在深层组织和活体动物成像中具有巨大的潜力。它不仅克服了传统可见光成像的“盲区”，更通过实时监测钙信号，为理解肿瘤机制及评估治疗方案提供了强有力的工具。
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In Vivo Calcium Imaging in the Near-Infrared II Window
Danyang Xu, Zhisheng Wu, Hui Yang, Gu Chen, Wayne Jason Li, Xingyu Yue, Guang-Lei Wang, Sixin Xu, Hanze Yu, Yuanhua Liu, Zideng Dai, Haibo Jiang, Long-Jiang Yu, Hongjie Dai, Feifei Wang
J. Am. Chem. Soc., 2025, DOI: 10.1021/jacs.5c13641
研究团队介绍
王飞飞（Feifei Wang），香港大学电子与电机工程系教授，专注于新型光学成像技术在生物医学中的应用研究。在利用近红外荧光探针实现活体深层成像及单分子分析方面取得了一系列突破性进展，研究成果多次发表于Nat. Photonics、Nat. Nanotechnol.、Nat. Methods、Nat. Biotechnol.和Nat. Biomed. Eng.等顶级期刊。
戴宏杰（Hongjie Dai），香港大学和斯坦福大学化学系终身教授，四院院士，中国科学院外籍院士、美国国家科学院院士、医学院院士。他是碳纳米材料及近红外成像领域的国际顶级专家，率先提出了NIR-II生物成像的概念，并一直引领该领域的发展。研究成果多次发表于Nature、Science、Nat. Med. 等顶级期刊。
于龙江（Long-Jiang Yu），中国科学院植物研究所光生物重点实验室研究员，长期从事光合细菌中的光合复合物的结构与功能研究，首次解析了紫细菌核心复合物的高分辨率三维晶体结构，研究成果多次发表于Nature、Science、Nat. Chem.等顶级期刊。
https://www.x-mol.com/university/faculty/174370
科研思路分析
本研究的成功核心在于“取法自然”。传统的钙探针开发往往依赖于对现有荧光蛋白进行复杂的基因突变或通过繁琐的化学合成。而本团队另辟蹊径，考虑到钙离子在光合细菌结构稳定中的天然作用，从极端环境下的细菌中寻找已经进化完美的天然复合物。这种天然蛋白不仅具备了在近红外区吸收和发射的特性，更拥有人工合成探针难以企及的复杂结合位点和高度的光稳定性。
这种“跨界合作”——将光合作用研究中的生物物理学发现引入生物医学成像领域，为解决深层组织成像的顽疾提供了新思路。
