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疾病诊断和治疗中的光学成像受益于高时空分辨率和众多光学试剂的可用性。然而，许多光学成像探针被网状内皮系统清除，这会导致探针在肝脏和脾脏中积累，从而导致器官毒性。相比之下，肾脏可清除的光学试剂 (RCOA) 会通过肾脏迅速排出体外，代谢最少。

2021年6月23日，新加坡南洋理工大学浦侃裔团队在Nature Reviews Materials（IF=71.19） 在线发表题为“Molecular imaging and disease theranostics with renal-clearable optical agents”的综述文章， 该综述讨论了 RCOA 的设计原则，重点是成像和疾病治疗诊断学（诊断和治疗的结合）。RCOA 的肾脏排泄使它们本质上适用于靶向肾脏成像，包括肾小球滤过率的被动监测和早期肾损伤生物标志物的检测。可以进一步调整 RCOA 的药代动力学，以延长其在血液中的循环，从而实现深入的肿瘤穿透和高对比度的肿瘤成像。最后，该综述讨论了术中影像引导手术和光学尿液分析，并展望了 RCOA 的未来应用。

医学影像可实现早期疾病诊断、术中影像引导手术和精准治疗。与磁共振成像和计算机断层扫描相比，光学成像（即荧光、化学发光和生物发光）具有非电离辐射、高时空分辨率、高灵敏度、多路复用能力和多种成像剂的可用性。通过集成光学和超声成像的光声成像进一步实现深层组织成像，从而使组织穿透深度可达 5 cm。光学仪器的发展，如内窥镜、显微镜和光声断层扫描，促进了临床前和临床光学成像应用，包括活细胞和动物分子和细胞通路的检测、临床前药物筛选、新疾病生物标志物的开发和图像-引导式手术和治疗。

受临床前结果和光学成像转化潜力的鼓舞，已经开发了多种光学成像剂，主要基于无机纳米粒子和有机荧光团，每种都有自己的优点和缺点。无机纳米粒子，如金属纳米粒子和纳米团簇、量子点、碳基和二氧化硅基纳米材料，由于量子限制特性，具有尺寸和成分可调的信号波长、高光稳定性和大Stokes位移。相比之下，大分子和小分子荧光团等有机材料显示出高度的结构通用性和清晰的结构-性能关系。这些光学试剂具有可修饰的基团，使不同功能部分的组合能够在检测、靶向甚至治疗中实现所需的生化特性。

光学试剂的药代动力学特性对于临床转化至关重要。经静脉给药进入体内后，光学剂进入血液循环，可分布到各个器官和组织中，随后在体内代谢和通过肝胆或肾清除途径清除。清除途径由试剂的固有特性决定，例如大小、形状、表面电荷和其他因素。在肝胆清除通路中，有机光剂被单核吞噬细胞系统（即肝脏和脾脏）中的巨噬细胞缓慢代谢和降解。然后代谢物通过胆管分泌到十二指肠中。不可生物降解的纳米颗粒会在体内积聚并引起急性或慢性毒性。

相比之下，肾可清除光学试剂 (RCOA) 会被肾小球滤过膜 (GFM) 快速过滤，通过肾小管转运并最终通过输尿管排泄到膀胱中。在这个过程中，RCOAs 被最低限度地代谢并被迅速清除。因此，RCOA 可最大限度地减少成像过程中的毒性问题和副作用，这是临床转化的关键标准。事实上，RCOA 已被开发用于肾小球滤过率 (GFR) 测量、实时成像和荧光引导手术。

在这篇综述中，讨论了用于分子成像和疾病治疗诊断的 RCOA，重点介绍了临床前研究和临床应用。在这里，该综述将 RCOA 定义为全身给药后 24 小时肾脏清除效率 >40% 的光学试剂。RCOAs 可分为基于无机纳米粒子和基于有机荧光团的 RCOAs。前者由无机光学核心（金属纳米粒子或纳米团簇、量子点、二氧化硅或碳基纳米粒子，或金属有机骨架纳米粒子）和水溶性外壳（如聚乙二醇 (PEG)、γ-谷胱甘肽、基于硫辛酸的磺基甜菜碱和环糊精）。相比之下，基于有机荧光团的 RCOA 由有机光学部分（具有荧光、化学发光或光声信号的有机荧光团）和水溶性部分（如菊粉、sinistrin、环糊精、葡聚糖、聚乙烯吡咯烷酮 (PVP) 或 PEG）组成。RCOA 的结构可以用其他官能团进一步修饰，以实现主动疾病靶向、可激活的信号反应或治疗。

该综述首先从大小、电荷和化学组成方面讨论了 RCOA 的分子设计策略，然后重点介绍了 RCOA 的关键应用，包括监测肾小球滤过率、肾损伤疾病生物标志物的分子成像、实时癌症成像和治疗，术中图像引导手术和光学尿液分析。该综述研究了 RCOA 与不可肾脏清除的纳米粒子 (non-RCOA) 相比的优势，特别是更好的成像对比度和更深的肿瘤穿透，这是 RCOA 的小尺寸和快速身体排泄的结果。最后，该综述展望了 RCOA 的未来发展和临床前景。

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