量子點探針輔助的近紅外熒光成像技術在腫瘤顯影中的應用

樊慧敏，朱麗君，馬燕，努爾尼沙·阿力甫

新疆醫(yī)科大學醫(yī)學工程技術學院/省部共建中亞高發(fā)病成因與防治國家重點實驗室，新疆烏魯木齊830011

前言

癌癥又稱為惡性腫瘤，是嚴重威脅人類生命健康，導致人類死亡的主要疾病之一［1］。通過早期發(fā)現(xiàn)和診斷，可有效降低癌癥的死亡率［2］。傳統(tǒng)的層析成像技術如計算機斷層成像（CT），磁共振成像（MRI）和正電子發(fā)射斷層掃描（PET）可無創(chuàng)地實現(xiàn)對體內(nèi)病變組織的觀察，但由于空間分辨率有限和反饋時間長而無法實現(xiàn)動態(tài)實時成像［3-4］。與層析成像相比，熒光成像技術具有高靈敏度、高時空分辨率、無電離輻射和無創(chuàng)實時成像等優(yōu)點［5］。并且能夠實現(xiàn)亞細胞水平的生物分子定位［6］。熒光成像技術的出現(xiàn)使基于癥狀的傳統(tǒng)診療方式向精準診療轉變，促進精準醫(yī)學的發(fā)展［7］。

近紅外熒光成像技術主要基于近紅外一區(qū)（NIR-I, 700～900 nm）和近紅外二區(qū)（NIR-II, 1 000～1 700 nm）光學波段［8-9］。與可見光相比，生物組織對近紅外波段內(nèi)光的吸收和散射較少，生物自發(fā)熒光較弱，這使得近紅外熒光成像技術時空分辨率高、對生物組織損傷小、背景熒光干擾小等優(yōu)點，在提供生理和病理信息具有顯著的優(yōu)勢［10］。然而，良好的熒光成像技術需要借助于熒光探針。為了促進近紅外熒光成像技術在生物醫(yī)學方面的進一步發(fā)展，對熒光探針的探究至關重要。

用于生物醫(yī)學的納米熒光探針分為無機和有機熒光探針［11-12］。其中無機熒光探針包括量子點［13］、稀土摻雜納米粒子（RENPs）［14］和單壁碳納米管（SWCNTs）。在這些材料中，量子點憑借其整齊的排列方式、量子尺寸效應和特殊的表面結構等優(yōu)勢，與傳統(tǒng)熒光納米材料相比具有吸收光譜寬而發(fā)射光譜窄、發(fā)射光顏色可調(diào)、斯托克斯位移大、量子產(chǎn)率（Quantum Yield,QY）高和抗光漂白性強等優(yōu)越的光學特性［15］。將量子點的優(yōu)點與近紅外熒光成像的特點結合，基于量子點探針的近紅外熒光成像技術在疾病診斷、藥物供應和治療監(jiān)測等方面的應用得到進一步拓展［5］。

本文將重點介紹基于量子點探針在腫瘤近紅外熒光成像方面的最新研究進展。概述量子點的相關知識，并討論硫化鉛（PbS）和硫化銀（Ag2S）發(fā)光量子點熒光探針在腫瘤顯影中的研究進展，對近紅外量子點探針的發(fā)展進行展望。

1 近紅外發(fā)光量子點探針

近紅外熒光成像（Near-Infrared Fluorescence Imaging,NIR-FI）技術是一種無電離輻射、非侵入性、實時性良好的成像技術［16］，其利用近紅外波段的激發(fā)光或發(fā)射光，使熒光探針發(fā)射不同波長的光信號而被探測器捕捉到，進而通過數(shù)據(jù)處理技術獲得實時圖像［17］。可直觀地顯示生物分子、細胞、組織和器官，也可跟蹤生物體的生理變化過程，并在亞細胞結構上為疾病的發(fā)生和發(fā)展提供可靠信息。相比于傳統(tǒng)成像方式，NIR-FI 技術可精準識別微小病灶，正確顯示腫瘤切緣，幫助判斷癌細胞的轉移情況。近年來，NIR-FI 技術發(fā)展主要集中在疾病早期診斷、手術影像導航、療效動態(tài)監(jiān)測和評估、靶向藥物遞送等方面，已成為生物醫(yī)學應用的重要工具［18］。

量子點又稱為半導體納米晶體微結構，是由IIVI 族或III-V 族元素組成，穩(wěn)定直徑在2～20 nm 之間的準零維納米材料［19］，量子點中的納米顆粒類似晶體的規(guī)整原子排列。具有寬激發(fā)、窄發(fā)射、強熒光和抗光漂白等優(yōu)異熒光性能［5,20］。量子點特殊的排列結構和尺寸促使其成為生物醫(yī)學研究的熱點。然而隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)可見熒光量子點的穿透深度和生物組織自發(fā)熒光限制了其后續(xù)的應用。與可見光相比，近紅外熒光克服了組織自吸收、散射及自發(fā)熒光干擾等問題，使研究人員將目光聚焦在近紅外發(fā)光量子點的研發(fā)。

2 近紅外發(fā)光量子點探針在腫瘤顯影中的應用

生物成像的最大挑戰(zhàn)之一就是同時實現(xiàn)高分辨率和高對比度，近紅外量子點探針可同時滿足這兩點。目前最常用的近紅外發(fā)光量子點探針主要有PbS和Ag2S，下面重點介紹這兩種量子點探針。

2.1 PbS量子點熒光探針

PbS 量子點是一種典型的半導體材料，具有窄的帶隙能量（0.41 eV）和大的激子玻爾半徑（18 nm）［21-22］，這使得PbS 量子點可在整個NIR 區(qū)發(fā)出明亮且可調(diào)的熒光。

2015年，Sasaki等［23］使用一步合成法制備了重組蛋白（GST-EGFP-GB1）包覆的PbS 量子點探針，用于在細胞和全身水平上對乳腺腫瘤進行雙熒光成像。此量子點探針可將探針的細胞分布與全身生物分布聯(lián)系起來。

2017年，Jeong 等［24］成功開發(fā)了一種對腫瘤微環(huán)境敏感的可激活NIR-II 探針——PA-NIRQD。該探針由高發(fā)光的PbS/CdS/ZnS 近紅外量子點連接蛋白酶激活的調(diào)節(jié)劑（AcM）制成，對基質(zhì)金屬蛋白酶（MMP）活性有反應。結腸癌小鼠模型顯示，10 min內(nèi)，該探針在腫瘤部位特異性激活并且信號增強了3倍。這種探針系統(tǒng)可以在全身水平上分析特定的腫瘤微環(huán)境標志物。

腫瘤淋巴結轉移是判斷腫瘤分期并制定相應治療方案的重要因素。2020年，Tian 等［25］設計了一種NIR-II區(qū)復合探針，應用于淋巴結浸潤癌檢測及影像引導手術中。染料IR-FD在NIR-IIa（1 100～1 300 nm）區(qū)定位腫瘤，PbS/CdS核/殼量子點在NIR-IIb（＞1 500 nm）區(qū)可視化觀察腫瘤侵襲的前哨淋巴結。兩種探針的發(fā)射光譜不重疊，因此互不干擾而實現(xiàn)雙色NIR成像。

盡管PbS量子點所產(chǎn)生的熒光明亮且可調(diào)，但是鉛的毒性嚴重限制了PbS在生物體內(nèi)的應用，因此科研人員迫切需要尋找新的無毒量子點。

表1 硫化鉛和硫化銀量子點熒光探針在腫瘤顯影中的應用舉例Tab.1 Examples of applications of lead sulfide and silver sulfide fluorescent quantum dot probes in tumor imaging

2.2 Ag2S量子點熒光探針

窄帶隙的Ag2S 量子點（0.9～1.1 eV）因其強大的NIR-II 熒光和較低的生物毒性而被廣泛用于近紅外熒光成像［32］。是臨床前研究的首個也是最有前途的NIR-II 熒光量子點。與第一代量子點不同，Ag2S 量子點不含鉛、汞或鎘等重金屬，在腫瘤中表現(xiàn)出高攝取率［26］。

為進一步提高量子點熒光探針的組織穿透深度和空間分辨率，中科院蘇州納米所王強斌研究員課題組李春炎等［27］采用PEG-Ag2S 量子點在NIR-II 中充當新型熒光探針（peak：1200 nm，QY≈16%），其空間分辨率達到微米級（低至40 μm）。該量子點能夠追蹤體內(nèi)微小腫瘤（直徑2～3 mm）周邊和內(nèi)部新血管的形成，實現(xiàn)了體內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)的實時動態(tài)可視化。由于聚乙二醇（PEG）的存在，該量子點具有很好的生物相容性。

同時，Ag2S 量子點還可以有效連接各種靶向功能分子（如蛋白質(zhì)、肽、葉酸、抗體）和化學治療劑，來提高早期疾病診斷的敏感性和對病變的識別，同時治療疾病。例如，Tang 等［28］通過將9 nm 的Ag2S 量子點與一種抗腫瘤的環(huán)狀五肽（Arg-Gly-Asp-DPhe-Lys）綴合，使乳腺腫瘤周圍對量子點的吸收效率提高了8～10倍，成像靈敏度顯著提高。

從近紅外量子點在腫瘤中成像進展可發(fā)現(xiàn)，熒光成像方式已從單一模式的量子點成像向多模式成像和成像診療一體發(fā)展。

2015年，李春炎等［29］展示了一種新型的雙模式納米探針（Gd-Ag2S）。該探針利用釓（Gd）的T1MR成像，在術前檢測腦腫瘤（U87MG）。利用Ag2S QDs熒光成像，在術中引導精確切除腫瘤。

2016年，西北大學Song 等［30］創(chuàng)建了血管靶向近紅外納米載藥體系——T&D@RGD-Ag2S（peak：1 100 nm）。將能與整合素αvβ3結合的肽環(huán)（cRGD）整合到Ag2S量子點表面，來實現(xiàn)腫瘤血管靶向。廣譜性血管內(nèi)皮抑制劑（TNP-470）和化療藥物阿霉素（DOX）用來協(xié)同腫瘤治療。

Li 等［31］開發(fā)出一種新型近紅外光觸發(fā)的智能多功能納米探針——Ag2S@M/D-P-RGD。此項研究的創(chuàng)新處在于利用可逆多肽cys-P-RGD 充當智能熱敏閥，阻塞被樹突狀SiO2包裹的Ag2S 量子點，防止DOX 泄漏。采用溫和多次短期激光輻照可有效消融腫瘤，同時減少藥物過度釋放和皮膚損傷的副作用。通過體外HeLa細胞實驗和體內(nèi)HeLa荷瘤裸鼠模型，證明該探針集成了可控的光熱—化療協(xié)同治療和實時成像，為腫瘤治療帶來希望。

3 前景與展望

腫瘤的早期檢測和準確診斷對成功治療和治愈人類癌癥至關重要。量子點鑒于其寬激發(fā)、窄發(fā)射、強熒光和抗光漂白等優(yōu)異熒光性能，在體內(nèi)熒光成像方面發(fā)揮著不可替代的作用，使其在腫瘤早期發(fā)現(xiàn)、腫瘤發(fā)展與轉移的追蹤和靶向協(xié)同治療等方面都有巨大的應用前景。

本文概述了量子點探針輔助的NIR-FI 技術在腫瘤顯影中的應用。量子點作為熒光標記物，已經(jīng)廣泛地應用在生物標記、活體示蹤、血管成像、器官成像和腫瘤成像等各個方面。除了作為生物醫(yī)學造影劑外，量子點還可以作為納米載體整合各種靶向物和化學試劑，在應用上有改進和提升的空間：（1）進一步探索挖掘量子點的其他理化性質(zhì)，開發(fā)具有明亮熒光且無毒的環(huán)保型納米探針；（2）量子點探針可以實現(xiàn)長時有效追蹤，這使其不能快速從體內(nèi)清除。如何平衡量子點探針的循環(huán)時間和排泄速率是其體內(nèi)熒光成像的一大挑戰(zhàn)；（3）生物組織有億萬個細胞，細胞又由不同的分子組成。需要探索開發(fā)具有精準靶向和準確定量的不重疊發(fā)射多色探針；（4）量子點作為光熱劑和熒光劑，通過溫度升高進行光熱治療和熒光成像。但若腫瘤內(nèi)部溫度過高，可能會對周圍健康組織造成損害，因此需要更精確的腫瘤內(nèi)溫度監(jiān)測工具。通過整合量子點使其可以集成像、光熱治療和納米溫度計于一體。

近年來，隨著量子點輔助的NIR-FI 技術在腫瘤顯影方面的應用研究，近紅外成像技術的應用將進一步擴大。在未來，量子點輔助的NIR-FI 將在生物和醫(yī)學等領域發(fā)揮著更為重要的作用。