碳量子點在腫瘤治療中的應用

張亞楠 溫海霞

[摘要] 碳量子點是一類新型的熒光納米材料，具備優異的導電性、極好的生物相容性能、環境友好性、穩定性能等優勢，其在生物、醫學、光學、納米電子學、傳感器等領域、腫瘤診斷中的靶向成像及腫瘤治療中的藥物靶向運輸領域中取得巨大的進步。本文主要綜述碳量子點的制備、生物特性、生物應用、在體內和體外成像以及生物體新的熒光標志物、藥物傳遞、靶向治療、緩解藥物、延長藥物作用時間提高藥效以及在乳腺癌治療中的未來應用前景。

[關鍵詞] 碳量子點;熒光探針;生物成像;乳腺癌

[中圖分類號] R73-3? ? ? ? ? [文獻標識碼] A? ? ? ? ? [文章編號] 1673-7210（2020）05（a）-0069-04

Application of carbon quantum dots in tumor therapy

ZHANG Ya′nan? ?WEN Haixia▲

Department of Physiology， Basic Medicine， Harbin Medical University， Heilongjiang Province， Harbin? ?150081， China

[Abstract] Carbon quantum dots is a kind of new fluorescent nano material， has excellent electrical conductivity， excellent biological compatibility， environment friendly and stable performance advantages， it has made tremendous progress in the fields of biology， medicine， optics， nanoelectronics， sensors， etc.， tumor targeting imaging in the diagnosis and treatment of drug targeting. This paper mainly reviews the preparation， biological characteristics， biological applications of carbon quantum dots， in vivo and in vitro imaging， new fluorescence markers of organisms， drug delivery， targeted therapy， mitigation drugs， prolonging drug action time to improve the efficacy of treatment， and the future application prospect in the treatment of breast cancer.

[Key words] Carbon quantum dots; Fluorescent probe; Biological imaging; Breast cancer

碳量子點（carbon quantum dots，CQDs）是一種新興的熒光納米材料，具有良好的光學性能。納米顆粒具有尺寸較小、毒害作用低、水溶性優異、環境友好、價格低廉、原料可通過多種渠道獲得等諸多優勢。因而CQDs應用前景廣泛，在生物醫學領域和生物成像領域有突出的應用價值，已引起廣泛關注[1]。

1 CQDs的概述

1.1 CQDs的簡介

CQDs是一種幾何形狀近乎球形納米碳顆粒，粒徑<10 nm，單分散，具有光致發光的性質[2]。2004年Xu等[3]通過電泳法對單臂碳納米管進行純化實驗時，無意間發現了一種發熒光的物質，推測可能是CQDs。2006年，Sun等[4]等制備了尺寸很小納米粒子通過激光消融的方法，用聚乙二醇聚合物1500 N（polyethylene glycol，PEG1500 N）進行表面鈍化，發現了可隨可見光區域變化而改變熒光的物質。有機染料和傳統的半導體量子點具有以下缺點：造價高、對環境破壞大、產生光漂白現象。與這些比較，CQDs不僅有優異的熒光特點，還擁有許多其他的優良性能，比如制作成本低、良好的溶水性、穩定性的化學性能、表面易于修飾、良好的光穩定性、低生物毒性等[5-6]，因此，CQDs被廣泛應用到分析檢測[7]、生物傳感[8-9]和生物成像[10-11]等方面。

1.2 CQDs的制備

1.2.1 自上而下法? 自上而下的合成方法是指將大尺寸分子的碳源利用一系列物理或者刻蝕技術轉變成所需要的小分子CQDs的方法[12]。自上而下的方法包括電弧放電凝膠電泳法、激光燒蝕法和電化學氧化，通常需要昂貴的設備和苛刻的條件來剝落或氧化碳粉或石墨棒[13]。

1.2.2 自下而上法? 自下而上法是利用碳材料合成CQDs通過小分子的分子或者游離的離子[12]。自下而上法合成CQDs的碳材料來源廣泛如葡萄糖、尿素、聚乙二醇、檸檬酸離子液體等有機小分子材料或低聚物。合成方法眾多，如燃燒法、模板法、熱解法、化學氧化法、微波合成法、水熱/溶劑熱處理法等[14]。

1.3 CQDs的特性

1.3.1 CQDs的熒光特性? 目前對CQDs發光機理的研究，眾多研究者還未給出明確定論。因為CQDs顯示出獨特的光學性質，是利用了一系列物理或者化學的方法，CQDs的多種合成方法在光學性質和結構上都存在很大程度的不同，所以很難解釋CQDs的發光原理。但近期大量研究顯示[14-18]，當通過鈍化處理過的有機物附著在CQDs的表面時，可以很大程度上提高CQDs的熒光性能。目前的研究認為[19-21]，CQDs熒光發射的影響因素主要包括納米半導體量子限域效應、表面局域電子態、分子態和交聯增強效應，這些因素在CQDs發射過程中影響效果不同。關于CQDs的研究顯示[22]，CQDs的激發波長決定了其光學性能，即CQDs激發光的強度越強和波長越長，CQDs的熒光發射強度越強，并決定了熒光發光峰的位置。CQDs濃度的改變是否可直接影響C點納米顆粒之間相互作用，從而對其熒光發射特性產生影響，這需要進一步研究探討。

1.3.2 CQDs的生物特性? 碳是CQDs的主要構成元素，也是人體中的必須元素之一。多項研究顯示[23-24]，CQDs的濃度越高，越可刺激機體對外界的免疫應答系統，從而會使干擾素的水平升高、抗原表位因子數量增多，但這些刺激不會對機體的免疫器官產生任何病變性的傷害。

2 CQDs的應用

2.1 CQDs的生物應用

2.1.1 成像? 由于CQDs獨特的熒光性質，所以CQDs在科研實驗和生物成像方面成為前沿的應用手段。因為CQDs具有細胞毒性低和對細胞的追蹤能力強等多種潛力，因此可將其作為熒光探針在各類細胞中進行細胞標示。同樣，低細胞毒性和可人為決定發光特性，使得CQDs在活細胞生物樣本的造影方面也有著廣泛的應用價值。CQDs的諸多優勢使其逐漸代替半導體量子點，成為生物醫學領域中新型的熒光追蹤物[1]。

2.1.2 載藥? 光動力療法（photodynamic therapy，PDT）是一種具有精準定位藥物和特定波長激光聯合使用的方法，是以光動力效應作為基礎進行腫瘤篩選和病灶切除的一種新興技術[25]。由于CQDs獨特的熒光特性，因此CQDs也可用于藥代動力學和藥物定位效應的研究。把CQDs作為載體與常規藥物重組來改善不易觀察和標記的難題，同時CQDs還可緩慢釋放藥物，延長藥物在體內的作用釋放時間，還有CQDs甚至可以直接改變藥物的分子結構，達到提高藥效的作用[26]。

2.1.3 毒性? 一般來說，碳材料具有優良的化學穩定性，不會釋放有害物質對生物體造成損害。然而CQDs由于體積小、表面積大并具有較高化學活性，有可能對生物體產生化學毒害作用，所以眾多研究人員在生物醫學方面進行了大量的CQDs安全性的研究[27-28]。研究顯示[29]，腎臟可以去除<5 nm的量子點（quantum dots，QD），減少了在體內積聚的風險[30]。

2.2 CQDs在癌癥診斷和治療中的應用

2.2.1 CQDs在生物醫學領域中的應用? 在癌癥診斷中，光學成像技術占有重要地位，其中的熒光分子成像由于檢測靈敏度高、成像迅速、空間分辨率高、可多參數測試等優點，成為了腫瘤診斷中研究熱點[31]。目前許多類型的熒光探針正在使用當中，如半導體熒光量子點、熒光納米硅粒子、CQDs等。其中，由于CQDs具有較低的毒害作用、較高生物追蹤潛能以及可人為調節的發光性能等[32]優良性能，使得許多學者都在極力挖掘其在生物治療、臨床醫學成像領域的潛能。Tang等[33]在追蹤記錄小鼠局部部位的腫瘤治療過程時，利用微波法制備的綠色熒光CQDs，將其作為運輸載體與藥物阿霉素結合，從而區別正常細胞與癌細胞。Zheng等[34]將藥物阿霉素連接于制備的CQDs表面，在二者的熒光共振能量轉移法（fluorescence resonance energy transfer，FRET）機制上設計了一種葉酸靶向的turn-on型的納米熒光探針，實時監測藥物釋放的過程。Li等[35]利用線粒體作為CQDs的體內成像和抗癌藥物多柔比星（DOX）的傳遞系統，結果顯示CQDs不會破壞線粒體的完整性，并且保持了CQDs的光學性能。除此之外，線粒體傳遞系統還改善了CQDs在器官中的生物分布，延長了靜脈注射后CQDs的保留時間。實驗結果顯示，與正常的線粒體比較，負載鹽酸多柔比星的線粒體（mitochondria hydrochloride，Mito-DOX）顯示出增強的治療效果。

2.2.2 CQDs在乳腺癌治療中的應用? 乳腺癌是一種好發于女性乳腺上皮組織、具有高度異質性的惡性腫瘤[36]。據統計，乳腺癌發病率一直處于較高的水平，死亡率逐年增加，嚴重危害女性身體健康[37]。有研究通過構建人源的乳腺癌細胞（human breast adenocarcinoma cell line，MCF-7）模型，把氯化釓（gadolinium chloride，GdCl3）通過微波輔助法分離出釓離子Gd3+后摻雜到CQDs中，進而對CQDs表面進行氨基修飾，獲得較高量子產率的Gd-CQDs。然后與去鐵蛋白納米籠（apoferritin，AFn）連接，外面包被水溶性的鹽酸阿霉素（DOX），以體內葉酸為配體進行定位，制成Gd-CDs/AFn（DOX）/FA納米籠給藥系統。將該系統作用于人源的乳腺癌細胞（MCF-7），通過細胞增殖實驗測定抗腫瘤活性，結果顯示Gd-CQDs/AFn（DOX）/FA納米籠給藥系統通過對腫瘤靶向成像和放療增敏，能很好地抑制乳腺癌細胞的增殖[38]。

3 CQDs的應用前景

總之，CQDs由于具有熒光的特性、生物相容的特性以及穩定的化學結構，可廣泛應用于生物成像技術，具有巨大的生物醫學成像和檢測潛力。但來自重金屬和膠體不穩定性的毒理學和藥理學問題，也一定程度上限制了CQDs在癌癥和其他疾病診斷和治療過程中的應用進展[39-40]。不過，由于腎臟只能去除<5 nm的CQDs[30]，因此將CQDs應用于藥物化學合成、生物醫學成像、靶向治療時，應充分考慮到體內應用的生物安全性，如降解、排泄、持久性和免疫應答的毒理學和藥代動力學等問題，使CQDs在制備和醫學臨床應用上更加完善。

[參考文獻]

[1]? 閆鵬，艾凡榮，嚴喜鸞，等.碳量子點的生物應用：成像、載藥與毒性[J].材料導報，2017，31（19）：35-42.

[2]? Baker S，Baker GA. Luminescent Carbon Nanodots：Emergent Nanolights [J]. Angew Chem Int Ed，2010，49（1）：6726-6744.

[3]? Xu X，Ray R，Gu Y，et al. Electrophoretic analysis and purification of fluorescent single-walled carbon nanotube fragments [J]. JASC，2015，126（40）：12736-12737.

[4]? Sun YP，Zhou B，Lin Y，et al. Quantum-Sized Carbon Dots for Bright and Colorful Photoluminescence [J]. J Am Chem Soc，2006，128（24）：7756-7757.

[5]? Shen J，Zhu Y，Yang X，et al. Graphene quantum dots：emergent nanolights for bioimaging，sensors，catalysis and photovoltaic devices [J]. Chem Commun，2012，43（1）：3686-3699.

[6]? Fang Y，Guo S，Li D，et al. Easy synthesis and imaging applications of cross-linked green fluorescent hollow carbon nanoparticles [J]. Acs Nano ，2012，6（1）：400-409.

[7]? Guo YG，Zhang LF，Zhang SS，et al. Fluorescent carbon nanoparticles for the fluorescent detection of metal ions [J]. Biosens Bioelectron，2015，63（3）：61-71.

[8]? Li H，Zhang Y，Wang L，et al. Nucleic acid detection using carbon nanoparticles as a fluorescent sensing platform [J]. Chem Commun，2011，47（4）：961-963.

[9]? Zhao HX，Liu LQ，Liu ZD，et al. Highly selective detection of phosphate in very complicated matrixes with an off-on fluorescent probe of europium-adjusted carbon dots [J]. Chem Commun，2011，47（5）：2604-2606.

[10]? Yang ST，Cao L，Luo PG，et al. Carbon dots for optical imaging in vivo [J]. JASC，2009，131（6）：11308-11309.

[11]? Kong B，Zhu A，Ding C，et al. Carbon dot-based inorganic-organic nanosystem for two-photon imaging and biosensing of pH variation in living cells and tissues [J]. Adv Mater，2012，24（7）：5844-5848.

[12]? 董小綺，菅曉婷，柴雙雙，等.熒光碳量子點的特性及檢測巰基化合物的研究進展[J].化學研究，2018，29（5）：529-534.

[13]? Wang Y，Hu A. Carbon quantum dots：synthesis，properties and applications [J]. J Mater Chem，2015，2（34）：6921-6939.

[14]? Lai CW，Hsiao YH，Peng YK，et al. Facile synthesis of highly emissive carbon dots from pyrolysis of glycerol; gram scale production of carbon dots/mSiO2 for cell imaging and drug release [J]. J Mater Chem，2012，22（29）：14403-14409.

[15]? Anilkumar P，Wang X，Cao L，et al. Toward quantitatively fluorescent earbon-based “quantum” dots [J]. Nanoscale，2011，3（5）：2023-2027.

[16]? Hsu PC，Chang HT. Synthesis of high-quality carbon nanodots from hydrophilie compounds：Role of funetional Rroups [J]. Chem Commun，2012，48（33）：3984-3986.

[17]? Jaiswal A，Ghosh SS，Chattopadhyay A. One step synthesis of Cdots by microwave mediated caramelization of poly （ethylene glycol） [J]. Chem Commun，2012，48（3）：407-409.

[18]? 王曉磊.基于水熱合成和梯度分離法探究碳量子點的發光機理[D].北京：北京化工大學，2015.

[19]? Zhu S，Song Y，Zhao X，et al. The photoluminescence mechanism in carbon dots（graphene quantum dots. carbon nanodots. and polymer dots）：Current state and future perspective [J]. Nano Res，2015，8（2）：355-381.

[20]? Sun YP，Zhou B，Lin Y，et al. Quantunm-sized carbon dots for bright and colorful Photoluminescence [J]. J Am Chem Soc，2006，128（24）：7756-7757.

[21]? Liu H，Ye T，Mao C. Fluorescent carbon nanoparticles derived from candle soot [J]. Angew Chem Int Ed，2007，46（34）：6473.

[22]? Zhang YN，Zhang XW，Shi YP，et al. The Synthesis and Functional Study of Multicolor Nitrogen-Doped Carbon Dots for Live Cell Nuclear Imaging [J]. Molecules，2020， 25（306）：2-11.

[23]? Yang ST，Wang X，Wang H，et al. Carbon dots as nontoxic and high-performance fluorescence imaging agents [J]. J Phys Chem C Nanomater Interfaces，2009，113（42）：18110-18114.

[24]? Zhang J，Yu SH. Carbon dots：large-scale synthesis，sensing and bioimaging [J]. Materials Today，2016，19（7）：382-393.

[25]? 李黎波，李文敏，項蕾紅，等.光動力療法在中國的應用與臨床研究[J].中國激光醫學雜志，2012，21（5）：278-280.

[26]? Wang QL，Huang XX，Long YJ，et al. Hollow luminescent carbondots for drug delivery [J]. Carbon，2013，59（4）：192-199.

[27]? Liu C，Zhang P，Zhai X，et al. Nano-carrier for gene delievery and bioimaging based on carbon dots with PEI-passivation enchanced fluorescence [J]. Biomaterials，2012，33（13）：3604-3613.

[28]? Song Y，Feng D，Shi W，et al. Parallel comparative studies on the toxic effects of unmodified CdTe quantum dots， gold nanopartides， and carbon nanodots on live cells as well as green gram sprouts [J]. Talanta，2013，116：237-244.

[29]? Huang X，Zhang F，Zhu L，et al. Effect of injection routes on the biodistribution clearance，and tumor uptake of carbon dot [J]. ACS Nano，2013，7（7）：5684-5693.

[30]? 盛英卓.水熱法制備水溶性碳點及其熒光性能與應用研究[D].蘭州：蘭州大學，2015.

[31]? 高娜.新型碳量子點—透明質酸/阿霉素復合體系在腫瘤細胞成像及藥物傳輸中的應用[D].延安：延安大學，2017.

[32]? Fang M，Peng CW，Pang DW，et al. Quantum Dots for Cancer Research：Current Status，Remaining Issues，and Future Perspectives [J]. Cancer Biol Med，2012，9（3）：151-163.

[33]? Zeng Q，Shao D，He X，et al. Carbon dots as a trackable drug delivery carrier for localized cancer therapy in vivo [J]. J Mater Chuem B，2016，4（30）：5119-5126.

[34]? Tang J，Kong B，Wu H，et al. Carbon nanodots featuring efficient FRET for real-time monitoring of drug delivery and two-photon imaging [J]. Adv Mater，2013，25（45）：6569-6574.

[35]? Li WQ，Wang Z，Hao S，et al. Mitochondria -based aircraft carrier enhances in vivo imaging of carbon quantum dots and delivery of anticancer drug [J]. Nanoscale，2018， 10（8）：3744-3752.

[36]? 梁君偉，方志華，李青山.二甲雙胍聯合紫杉醇對人乳腺癌細胞凋亡及AMPK信號通路的影響[J/OL].中國病理生理雜志，2018，34（12）：2186-2192.

[37]? Chen W，Zheng R，Baade PD，et al. Cancer statistics in China，2015 [J]. CA Cancer J Clin，2016，66（2）：115-132.

[38]? 張麗.新型釓摻雜碳量子點用于腫瘤靶向性成像及其放療增敏研究[D].鎮江：江蘇大學，2016.

[39]? Hardman R. A toxicologic review of quantum dots：toxicity depends on physicochemical and environmental factors [J]. Environ Health Perspect，2006，114（2）：165-172.

[40]? Rzigalinski BA，Strobl JS. Cadmium-containing nanoparticles：perspectives on pharmacology and toxicology of quantum dots [J]. Toxicol Appl Pharmacol，2009，238（3）：280-288.

（收稿日期：2019-10-28? 本文編輯：劉永巧）