结直肠癌是全球第三大常见的肿瘤类型,也是导致癌症死亡的第二大常见原因。早期诊断困难是结直肠癌临床诊断技术面临的重大挑战,而实现对其的早期精准诊断,对于提高患者的存活率具有重要意义。近年来分子影像学作为一门新兴学科,开辟了肿瘤诊断的新视角,为传统影像技术提供了更加精准的诊断策略。精准靶向结直肠癌的生物靶点是实现结直肠癌早期诊断的关键;分子影像探针的设计需要考虑特异性强且能够高效结合靶点、稳定性好、体内清除速度快和无毒副作用等性质;同时,还需要结合分子影像中不同的成像技术,来设计相应的结直肠癌靶向成像策略。最终,利用分子影像技术的肿瘤精准靶向成像策略,来提高结直肠癌早期诊断的灵敏性和特异性。本研究采用了三种不同的分子影像肿瘤靶向成像策略,并在细胞和动物模型上得到了有效的验证。主要的研究内容和研究结论如下:首先,我们合成了四种基于NaErF_4:Yb@NaGdF_4:Yb核@壳结构的纳米探针(Er和Yb元素的掺杂比例,分别为80%:20%、85%:15%、90%:10%和95%:5%),并从中筛选出了在红光区域有较高上转换发光(Upconversion luminescence,UCL)信号的上转换纳米颗粒(Upconversion nanoparticles,UCNPs),其中Er和Yb元素的掺杂比例为85%:15%。通过包覆Si O_2壳,将所Bio-based chemicals制备的UCNPs从有机相转移至水相,并分别与衍生自L-SP5的多肽配体(即L-SP5-H和L-SP5-C)相偶联。由于多肽配体中的氨基酸PSP序列具有较高的肿瘤靶向亲和力,所制备的多肽功能化的UCNPs(UCNP@Si O_2-L-SP5-H和UCNP@Si O_2-L-SP5-C),可以作为活体肿瘤靶向对比剂,用于UCL和磁共振(Magnetic resonance,MR)双模态成像。体外和体内实验结果均表明,UCNP@Si O_2-L-SP5-C与HCT116结肠癌亚型具有较高的亲和力,并且可以实现超小HCT116皮下肿瘤(体积约13 mm~3)的活体成像。其次,利selleck抑制剂用结直肠癌组织中高度表达的MMP-7蛋白酶,基于UCNP@Si O_2@L-SP5-C探针,我们成功构建了一种荧光共振能量转移(Fluorescence resonance energy transfer,FRET)传感平台,即UCNP@Si O_2@L-SP5-C/MMP-7-Cy5纳米探针,其中UCNP@Si O_2-COOH作为能量供体,Cy5作为能量受体,该探针可用于HCT116结肠癌体外和体内的MMP-7的活性检测,很大程度上提高了检测的灵敏度。该探针还可以高灵敏地区分出不同数量HCT116细胞内MMP-7表达量的差异。最后,通过UCL-MR双模态成像,在HCT116原位结肠癌小鼠模型中,UCNP@Si O_2@L-SP5-C/MMP-7-Cy5纳米探针在活体状态下实现了原位结肠癌小鼠体内MMP-7活性的无创性监测。最后,为了解决稀土纳米粒子在体内易蓄积及潜在毒性的问题,本论文研究了基于有机小分子的光学探针,利用近红外二区(the second near-infrared window,NIR-Ⅱ)有机小分子染料吲哚菁绿(Indocyanine greeCaptisol体内实验剂量n,ICG)和TQT1009,通过将其偶联有机阳离子小分子一丙基三苯基膦衍生物(Triphenylphosphonium,TPP),进一步制备了肿瘤线粒体靶向的光学探针ICG-TPP和TQP-2TPP。其中探针ICG-TPP是通过在ICG分子上偶联1个TPP来获得的;而TQP-2TPP是在TQT1009上偶联了2个TPP分子。通过结肠癌细胞摄取实验和激光共聚焦显微成像,证明了ICG-TPP和TQP-2TPP对结肠癌HCT116细胞具有特异性靶向能力,且结合部位为结肠癌细胞的线粒体。并且,实验结果显示两种小分子探针均无明显的细胞毒性和活体毒性。与ICG-TPP相比,TQP-2TPP具有更好的体内代谢特性,并且对HCT116肿瘤的富集能力更强、滞留时间更久。该研究为新型NIR-Ⅱ有机小分子探针用于结直肠癌的早期精准诊断提供了新策略。总之,本论文针对临床结直肠癌早期精准诊断的困难,利用L-SP5-C肿瘤靶向多肽、MMP-7蛋白酶响应多肽以及线粒体靶向分子TPP,构建了三种不同的分子影像探针,在HCT116结肠癌体内外进行了成像研究。本论文为结直肠癌的早期精准诊断探针的设计提供了新思路。