量子點表面功能化及其在生物醫學領域的應用研究

蘇葉婭，文庚，劉新儒，陳夏揚，甘靜靜，張正國＊

（1.北方民族大學 化學與化學工程學院，寧夏銀川 750021；2.京能集團寧夏公司，寧夏銀川 750001）

近年來，同時具有分子成像功能和治療功能的納米材料受到越來越多研究者的關注。各種無機納米材料，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（QDs）等得到了較快的發展，并逐步實現多種生物醫學應用[1-2]。量子點是一種納米級別的新型半導體材料，由于其特殊的光學性質，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用前景，在醫學影像領域具有潛在的發展前景[3-4]。例如，在癌癥治療領域，量子點可用于藥物的熒光標記、檢測和治療癌癥，從而為靶向治療策略提供關鍵信息。特別是近紅外（NIR）熒光量子點可深入人體，人體內血紅蛋白和水分對其熒光吸收較少，非常利于在體內成像。目前，多種近紅外熒光量子點被成功研發，如CdHgTe、CdHgTe/ZnS、InAs、PbS、PbSe、CdSe、CuInS2、AgInS2、Ag2S等。然而，包括鎘、汞、鉛、碲和硒在內的化學成分的潛在釋放，導致這些近紅外熒光量子點具有急性和慢性毒性，限制了它們在生物系統特別是人體中的進一步應用[5-6]。

1993年，Bawendi等[7]首次合成了具有較高發光效率的CdSe量子點，其量子產率約為10%。雖然該量子點比熒光蛋白和傳統有機染料發光效率更高，光學穩定性更好，有希望應用于生物體內病變組織標記或藥物示蹤，但是該量子點親水性很差，難以與生物體相溶，限制了其在生物醫學領域的應用。1998年，Yu等[8]通過對CdSe量子點表面修飾和功能化，首次解決了CdSe量子點水溶性與生物相容性這一難題。此后，CdSe量子點以及其他近紅外熒光量子點成為最先進的熒光示蹤材料，在確診疾病、醫學成像方面逐漸開始在動物上臨床應用。但是，目前功能化以后量子點的安全性能和毒理作用并不清楚，亟需量子點醫學領域工作者進一步厘清各量子點對生物體的影響。因此，CuInS2、AgInS2、Ag2S等無毒或微毒的近紅外熒光量子點受到重視，并被認為是在生物體內應用是較佳的選擇。Ag2S和Ag2Se量子點具有窄帶隙、低毒等優點，同時巨大的表面積體積比易于進行表面功能化，但也易受到周圍環境的非均相氧化還原化學的影響。最近，近紅外熒光特征的Ag2S量子點、PbxAg2-xS量子點通過在量子點表面功能化一定藥物，在小白鼠病變部位成功實現了成像和治療[9-11]。

1 量子點表面改性和功能化方法

大多單分散性較好的量子點采用熱注入法合成，但是該法中使用的油酸、油胺等試劑均疏水，合成的量子點表面含有疏水分子，因此難溶于水，無法用于生物醫學研究。量子點表面改性是在量子點表面修飾，增加一層親水的包覆殼，這層包覆殼可保護和穩定量子點，并發揮量子點生物活性作用。經過包覆的量子點具有較好的穩定性和水溶性，為實現量子點負載分子或藥物的靶向性，再進一步通過化學鍵合、吸附等方法將核酸、蛋白等靶向生物分子鏈接在量子點表面，使其具有生物活性和抗原-抗體、受體-配體、DNA互補序列等的特異識別。同時，也可以僅僅使用量子點的熒光特性，用于病變部位成像或示蹤。根據量子尺寸效應，即量子點發射光譜隨量子點尺寸改變而發生變化，應用不同尺寸的量子點或不同化學組成的量子點進行多色分類標記。而且量子點具有吸收光譜寬而發射光譜很窄的這一特性，進入生物體后與不同生物分子結合，在特定光學儀器下即可顯示出該生物分子或目標區域成像。

2 功能化量子點的毒性研究

量子點的細胞毒性是指量子點造成的細胞活力降低或死亡，免疫應答功能紊亂，具體指標通常表現為甲烷二羧基醛（MDA）、活性氧（ROS）顯著升高，谷胱甘肽（GSH）、過氧化氫酶（CAT）顯著下降等[12]。毒理學研究已經證明，由于金屬離子的釋放和納米顆粒的特異性，量子點對多種系統構成了威脅，阻礙了量子點在生物醫學領域的廣泛應用。這是假定的量子點引起的毒性機制對氧化應激、活性氧（ROS）、炎癥和金屬離子的釋放都有一定的影響。同時，量子點治療過程中還會出現DNA損傷和亞細胞結構紊亂。

近年來，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在生物醫學領域中的應用中越來越廣泛，大多數含重金屬的量子點都需要功能化后才能使用，因此功能化量子點的毒理學評價非常重要[13]。而且不同種類和制備工藝的功能化量子點，沒有適用的統一評價標準，各功能化量子點的毒理學實驗工作量很大。但是，功能化量子點的毒性來源大體上可分為組成元素等自身性質和其他一些外部因素。

2.1 功能化量子點元素組成及粒徑大小與細胞毒性

由于大部分量子點都含重金屬元素，而且量子點粒徑很小，具有較大的比表面積，容易造成量子點大量在生物體內累積、滯留，引發細胞中毒、病變。一些學者關于乳腺癌細胞的研究表明，CdTe量子點會影響腫瘤細胞分裂，該量子點會造成遺傳性病變，對染色體和基因正常表達有較嚴重后果；使用CdHgTe和CdTe量子點注入體外培養的乳腺癌細胞和前列腺癌細胞，都造成細胞不同程度中毒；CdTe量子點注入小鼠體內18天后仍可被檢測到，經過30天代謝才完全清除[14]。有學者研究了無毒的ZnS包覆的InP和CdS量子點對細胞活性的影響，發現包覆后的量子點在注入初期影響不大，但是24 h后細胞活性明顯降低，多處細胞膜產生損傷[15]。根據CdS量子點體外毒性的研究表明，當CdS量子點和CdS微米顆粒的質量濃度低于20 μg/mL時，CdS納米顆粒比CdS微米顆粒具有更強的細胞毒性。微米級的CdS顆粒不會引起細胞或血液中活性氧簇增多，而納米級的CdS量子點可會使細胞內的活性氧簇提高20%～30%。納米級的CdS量子點與體外細胞共存24 h后，部分Cd2+從CdS量子點中溶出和細胞內新增加的活性氧簇反應掉還原型谷胱甘肽，導致細胞中毒[16]。

2.2 功能化量子點對細胞毒性的影響

近年來，量子點與生物體復雜的機制引起了科學家的極大興趣，其毒性產生的具體根源也因此受到高度重視。然而，細胞毒性特別是細胞器功能障礙的分子基礎至今仍不清楚。此外，功能化量子點的安全性評價沒有明確的程序。因此，迫切需要對其在多個系統中的潛在毒性進行系統評價。盡管已經有一些關于量子點毒性的綜述，但大多數都有致力于體外或體內毒性的澄清和相關影響因素分析。

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量子點后，可明顯降低該量子點的毒性。ZnS等包覆材料穩定了近紅外金屬硫化物量子點的晶體核心，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細胞的危害。但是，包覆材料特別是水溶性的材料也可能會造成細胞中毒。有學者分別研究了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量子點與WTK1細胞共同孵化12 h，發現11-巰基十一烷酸的質量濃度高于100 μg/mL時會造成細胞中毒性和DNA受損，正三辛基氧膦和ZnS包覆的CdSe量子點也會造成細胞輕微中毒，而使用巰基乙胺包覆時未發現造成中毒特征[6,12,13,16]。以上結果證明，量子點表面包覆材料類型也對量子點毒性大小有著較大影響。

2.3 功能化量子點生物毒性機制

大量體外研究表明，大多數真核生物對近紅外的金屬硫化物量子點敏感，確實存在毒性作用[12-13]。雖然許多研究已經討論了量子點功能化后對細胞的影響，但潛在的分子機制仍處于早期探索階段。已經證明量子點可以在包括人體肝系列細胞、肺系列細胞系中破壞細胞結構，削弱細胞功能上皮細胞等。此外，形態學改變、代謝紊亂以及多種形式的細胞死亡是量子點誘導毒性的明顯證據。基因測序顯示，3-巰基丙酸包覆金屬硫化物量子點和細胞共同孵化時，細胞分裂后基因表達上調，并伴有DNA鏈斷裂。即使沒有造成細胞毒性和ROS形成，該功能化量子點也會誘導大量DNA鏈斷裂。

3 結語

近紅外熒光量子點獨特的光學性質，在新型藥物載體材料、熒光標記物應用等生物醫學領域具有重要應用前景。但是，通常近紅外熒光量子點多為金屬硫化物、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，毒理學研究需要進一步研究。相關量子點的毒理學研究方法較多，基本為體外細胞毒性研究，而且量子點在水溶液中聚集，與生物體內分布和各系統毒性影響存在一定差別，因此以上問題急需量子點生物應用領域學者繼續深入研究。