量子點(diǎn)表面功能化及其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究

蘇葉婭，文庚，劉新儒，陳夏揚(yáng)，甘靜靜，張正國(guó)＊

（1.北方民族大學(xué) 化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，寧夏銀川 750021；2.京能集團(tuán)寧夏公司，寧夏銀川 750001）

近年來(lái)，同時(shí)具有分子成像功能和治療功能的納米材料受到越來(lái)越多研究者的關(guān)注。各種無(wú)機(jī)納米材料，如納米金顆粒、納米磁性氧化鐵顆粒、介孔二氧化硅顆粒、量子點(diǎn)（QDs）等得到了較快的發(fā)展，并逐步實(shí)現(xiàn)多種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用[1-2]。量子點(diǎn)是一種納米級(jí)別的新型半導(dǎo)體材料，由于其特殊的光學(xué)性質(zhì)，其表面易于功能化，在藥物修飾、親和配體和成像方面具有廣泛的應(yīng)用前景，在醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域具有潛在的發(fā)展前景[3-4]。例如，在癌癥治療領(lǐng)域，量子點(diǎn)可用于藥物的熒光標(biāo)記、檢測(cè)和治療癌癥，從而為靶向治療策略提供關(guān)鍵信息。特別是近紅外（NIR）熒光量子點(diǎn)可深入人體，人體內(nèi)血紅蛋白和水分對(duì)其熒光吸收較少，非常利于在體內(nèi)成像。目前，多種近紅外熒光量子點(diǎn)被成功研發(fā)，如CdHgTe、CdHgTe/ZnS、InAs、PbS、PbSe、CdSe、CuInS2、AgInS2、Ag2S等。然而，包括鎘、汞、鉛、碲和硒在內(nèi)的化學(xué)成分的潛在釋放，導(dǎo)致這些近紅外熒光量子點(diǎn)具有急性和慢性毒性，限制了它們?cè)谏锵到y(tǒng)特別是人體中的進(jìn)一步應(yīng)用[5-6]。

1993年，Bawendi等[7]首次合成了具有較高發(fā)光效率的CdSe量子點(diǎn)，其量子產(chǎn)率約為10%。雖然該量子點(diǎn)比熒光蛋白和傳統(tǒng)有機(jī)染料發(fā)光效率更高，光學(xué)穩(wěn)定性更好，有希望應(yīng)用于生物體內(nèi)病變組織標(biāo)記或藥物示蹤，但是該量子點(diǎn)親水性很差，難以與生物體相溶，限制了其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。1998年，Yu等[8]通過(guò)對(duì)CdSe量子點(diǎn)表面修飾和功能化，首次解決了CdSe量子點(diǎn)水溶性與生物相容性這一難題。此后，CdSe量子點(diǎn)以及其他近紅外熒光量子點(diǎn)成為最先進(jìn)的熒光示蹤材料，在確診疾病、醫(yī)學(xué)成像方面逐漸開(kāi)始在動(dòng)物上臨床應(yīng)用。但是，目前功能化以后量子點(diǎn)的安全性能和毒理作用并不清楚，亟需量子點(diǎn)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域工作者進(jìn)一步厘清各量子點(diǎn)對(duì)生物體的影響。因此，CuInS2、AgInS2、Ag2S等無(wú)毒或微毒的近紅外熒光量子點(diǎn)受到重視，并被認(rèn)為是在生物體內(nèi)應(yīng)用是較佳的選擇。Ag2S和Ag2Se量子點(diǎn)具有窄帶隙、低毒等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)巨大的表面積體積比易于進(jìn)行表面功能化，但也易受到周圍環(huán)境的非均相氧化還原化學(xué)的影響。最近，近紅外熒光特征的Ag2S量子點(diǎn)、PbxAg2-xS量子點(diǎn)通過(guò)在量子點(diǎn)表面功能化一定藥物，在小白鼠病變部位成功實(shí)現(xiàn)了成像和治療[9-11]。

1 量子點(diǎn)表面改性和功能化方法

大多單分散性較好的量子點(diǎn)采用熱注入法合成，但是該法中使用的油酸、油胺等試劑均疏水，合成的量子點(diǎn)表面含有疏水分子，因此難溶于水，無(wú)法用于生物醫(yī)學(xué)研究。量子點(diǎn)表面改性是在量子點(diǎn)表面修飾，增加一層親水的包覆殼，這層包覆殼可保護(hù)和穩(wěn)定量子點(diǎn)，并發(fā)揮量子點(diǎn)生物活性作用。經(jīng)過(guò)包覆的量子點(diǎn)具有較好的穩(wěn)定性和水溶性，為實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)負(fù)載分子或藥物的靶向性，再進(jìn)一步通過(guò)化學(xué)鍵合、吸附等方法將核酸、蛋白等靶向生物分子鏈接在量子點(diǎn)表面，使其具有生物活性和抗原-抗體、受體-配體、DNA互補(bǔ)序列等的特異識(shí)別。同時(shí)，也可以僅僅使用量子點(diǎn)的熒光特性，用于病變部位成像或示蹤。根據(jù)量子尺寸效應(yīng)，即量子點(diǎn)發(fā)射光譜隨量子點(diǎn)尺寸改變而發(fā)生變化，應(yīng)用不同尺寸的量子點(diǎn)或不同化學(xué)組成的量子點(diǎn)進(jìn)行多色分類標(biāo)記。而且量子點(diǎn)具有吸收光譜寬而發(fā)射光譜很窄的這一特性，進(jìn)入生物體后與不同生物分子結(jié)合，在特定光學(xué)儀器下即可顯示出該生物分子或目標(biāo)區(qū)域成像。

2 功能化量子點(diǎn)的毒性研究

量子點(diǎn)的細(xì)胞毒性是指量子點(diǎn)造成的細(xì)胞活力降低或死亡，免疫應(yīng)答功能紊亂，具體指標(biāo)通常表現(xiàn)為甲烷二羧基醛（MDA）、活性氧（ROS）顯著升高，谷胱甘肽（GSH）、過(guò)氧化氫酶（CAT）顯著下降等[12]。毒理學(xué)研究已經(jīng)證明，由于金屬離子的釋放和納米顆粒的特異性，量子點(diǎn)對(duì)多種系統(tǒng)構(gòu)成了威脅，阻礙了量子點(diǎn)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。這是假定的量子點(diǎn)引起的毒性機(jī)制對(duì)氧化應(yīng)激、活性氧（ROS）、炎癥和金屬離子的釋放都有一定的影響。同時(shí)，量子點(diǎn)治療過(guò)程中還會(huì)出現(xiàn)DNA損傷和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)紊亂。

近年來(lái)，具有靶向性、示蹤性、診斷與治療性的近紅外熒光金屬硫化物量子點(diǎn)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用中越來(lái)越廣泛，大多數(shù)含重金屬的量子點(diǎn)都需要功能化后才能使用，因此功能化量子點(diǎn)的毒理學(xué)評(píng)價(jià)非常重要[13]。而且不同種類和制備工藝的功能化量子點(diǎn)，沒(méi)有適用的統(tǒng)一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，各功能化量子點(diǎn)的毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)工作量很大。但是，功能化量子點(diǎn)的毒性來(lái)源大體上可分為組成元素等自身性質(zhì)和其他一些外部因素。

2.1 功能化量子點(diǎn)元素組成及粒徑大小與細(xì)胞毒性

由于大部分量子點(diǎn)都含重金屬元素，而且量子點(diǎn)粒徑很小，具有較大的比表面積，容易造成量子點(diǎn)大量在生物體內(nèi)累積、滯留，引發(fā)細(xì)胞中毒、病變。一些學(xué)者關(guān)于乳腺癌細(xì)胞的研究表明，CdTe量子點(diǎn)會(huì)影響腫瘤細(xì)胞分裂，該量子點(diǎn)會(huì)造成遺傳性病變，對(duì)染色體和基因正常表達(dá)有較嚴(yán)重后果；使用CdHgTe和CdTe量子點(diǎn)注入體外培養(yǎng)的乳腺癌細(xì)胞和前列腺癌細(xì)胞，都造成細(xì)胞不同程度中毒；CdTe量子點(diǎn)注入小鼠體內(nèi)18天后仍可被檢測(cè)到，經(jīng)過(guò)30天代謝才完全清除[14]。有學(xué)者研究了無(wú)毒的ZnS包覆的InP和CdS量子點(diǎn)對(duì)細(xì)胞活性的影響，發(fā)現(xiàn)包覆后的量子點(diǎn)在注入初期影響不大，但是24 h后細(xì)胞活性明顯降低，多處細(xì)胞膜產(chǎn)生損傷[15]。根據(jù)CdS量子點(diǎn)體外毒性的研究表明，當(dāng)CdS量子點(diǎn)和CdS微米顆粒的質(zhì)量濃度低于20 μg/mL時(shí)，CdS納米顆粒比CdS微米顆粒具有更強(qiáng)的細(xì)胞毒性。微米級(jí)的CdS顆粒不會(huì)引起細(xì)胞或血液中活性氧簇增多，而納米級(jí)的CdS量子點(diǎn)可會(huì)使細(xì)胞內(nèi)的活性氧簇提高20%～30%。納米級(jí)的CdS量子點(diǎn)與體外細(xì)胞共存24 h后，部分Cd2+從CdS量子點(diǎn)中溶出和細(xì)胞內(nèi)新增加的活性氧簇反應(yīng)掉還原型谷胱甘肽，導(dǎo)致細(xì)胞中毒[16]。

2.2 功能化量子點(diǎn)對(duì)細(xì)胞毒性的影響

近年來(lái)，量子點(diǎn)與生物體復(fù)雜的機(jī)制引起了科學(xué)家的極大興趣，其毒性產(chǎn)生的具體根源也因此受到高度重視。然而，細(xì)胞毒性特別是細(xì)胞器功能障礙的分子基礎(chǔ)至今仍不清楚。此外，功能化量子點(diǎn)的安全性評(píng)價(jià)沒(méi)有明確的程序。因此，迫切需要對(duì)其在多個(gè)系統(tǒng)中的潛在毒性進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)。盡管已經(jīng)有一些關(guān)于量子點(diǎn)毒性的綜述，但大多數(shù)都有致力于體外或體內(nèi)毒性的澄清和相關(guān)影響因素分析。

ZnS、ZnTe和聚乙二醇（PEG）都是近紅外金屬硫化物量子點(diǎn)功能化常用的包覆材料。研究表明，用ZnS、ZnTe、PEG包覆CdSe或CdTe量子點(diǎn)后，可明顯降低該量子點(diǎn)的毒性。ZnS等包覆材料穩(wěn)定了近紅外金屬硫化物量子點(diǎn)的晶體核心，降低了Cd2+等重金屬離子泄漏的可能，從而避免了重金屬離子對(duì)細(xì)胞的危害。但是，包覆材料特別是水溶性的材料也可能會(huì)造成細(xì)胞中毒。有學(xué)者分別研究了11-巰基十一烷酸、巰基乙胺、硫代甘油、正三辛基氧膦和ZnS包覆的CdSe量子點(diǎn)與WTK1細(xì)胞共同孵化12 h，發(fā)現(xiàn)11-巰基十一烷酸的質(zhì)量濃度高于100 μg/mL時(shí)會(huì)造成細(xì)胞中毒性和DNA受損，正三辛基氧膦和ZnS包覆的CdSe量子點(diǎn)也會(huì)造成細(xì)胞輕微中毒，而使用巰基乙胺包覆時(shí)未發(fā)現(xiàn)造成中毒特征[6,12,13,16]。以上結(jié)果證明，量子點(diǎn)表面包覆材料類型也對(duì)量子點(diǎn)毒性大小有著較大影響。

2.3 功能化量子點(diǎn)生物毒性機(jī)制

大量體外研究表明，大多數(shù)真核生物對(duì)近紅外的金屬硫化物量子點(diǎn)敏感，確實(shí)存在毒性作用[12-13]。雖然許多研究已經(jīng)討論了量子點(diǎn)功能化后對(duì)細(xì)胞的影響，但潛在的分子機(jī)制仍處于早期探索階段。已經(jīng)證明量子點(diǎn)可以在包括人體肝系列細(xì)胞、肺系列細(xì)胞系中破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，削弱細(xì)胞功能上皮細(xì)胞等。此外，形態(tài)學(xué)改變、代謝紊亂以及多種形式的細(xì)胞死亡是量子點(diǎn)誘導(dǎo)毒性的明顯證據(jù)。基因測(cè)序顯示，3-巰基丙酸包覆金屬硫化物量子點(diǎn)和細(xì)胞共同孵化時(shí)，細(xì)胞分裂后基因表達(dá)上調(diào)，并伴有DNA鏈斷裂。即使沒(méi)有造成細(xì)胞毒性和ROS形成，該功能化量子點(diǎn)也會(huì)誘導(dǎo)大量DNA鏈斷裂。

3 結(jié)語(yǔ)

近紅外熒光量子點(diǎn)獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，在新型藥物載體材料、熒光標(biāo)記物應(yīng)用等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。但是，通常近紅外熒光量子點(diǎn)多為金屬硫化物、硒化物、碲化物，重金屬元素毒性和包覆材料的毒性研究仍不完全，毒理學(xué)研究需要進(jìn)一步研究。相關(guān)量子點(diǎn)的毒理學(xué)研究方法較多，基本為體外細(xì)胞毒性研究，而且量子點(diǎn)在水溶液中聚集，與生物體內(nèi)分布和各系統(tǒng)毒性影響存在一定差別，因此以上問(wèn)題急需量子點(diǎn)生物應(yīng)用領(lǐng)域?qū)W者繼續(xù)深入研究。