量子點納米材料探針及其在腫瘤影像中的應用

2021-11-02 07:28:12孫溥臨

粘接 2021年10期

孫溥臨

摘要：針對現有量子點影像探針存在熒光性質不可控、生物毒性強的問題，本研究結合現有的CuInS量子點探針，研究制備出一種摻雜Zn離子可簡易合成的ZCIS/ZnS量子點納米探針，并通過改進其水溶性，得到一種可直接應用于醫學腫瘤影像的改進ZCIS/ZnS量子點納米探針。為提高該量子點納米探針的靶向性，研究根據EDC偶聯的原理，通過將改進ZCIS/ZnS量子點納米探針與cRGD多肽進行偶聯，得到ZCIS/ZnS-cRGD量子點納米探針，并從結構形態、細胞毒性和離體熒光3個方面重點評估了該量子點納米探針，并通過實驗論證了其有效性和實用性。實驗結果證明，本研究制備的ZCIS/ZnS-cRGD量子點納米探針是一種有效的腫瘤靶向探針，可用于實際腫瘤靶向檢測。

關鍵詞：CuInS;量子點;納米材料;熒光成像

中圖分類號：R329.2+6;Q26? 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1001-5922（2021）10-0058-04

Quantum Dot Nanomaterial Probe and Its Application in Tumor Imaging

Sun Pulin

（School of Mechanical Engineering，Shandong University of Technology， Zibo 255000， China ）

Abstract：In view of uncontrollable fluorescence properties and strong biological toxicity of existing quantum dot image probes，this study combines the existing CuInS quantum dot probes to prepare a ZCIS/ZnS doped with Zn ions that can be easily synthesized Quantum dot nanoprobe， and by improving its water solubility， an improved zcis/ZnS quantum dot nano probe can be directly applied to medical tumor imaging. In order to improve the targeting property of the QD nanoprobe， according to the principle of EDC coupling， the ZCIS/ZnS cRGD QD nanoprobe was obtained by coupling the modified ZCIS/ZnS QD nanoprobe with CGD peptide. The QD nanoprobe was evaluated from three aspects of structure morphology， cytotoxicity and fluorescence in vivo imaging， and its effectiveness and practicability were demonstrated by experiments. The experimental results show that the ZCIS/ZnS-cRGD quantum dot nanoprobe is an effective tumor targeting probe， which can be used for tumor targeted imaging in vivo.

Key words：CuInS; quantum dots; nanomaterials; fluorescence imaging

量子點作為一種新型納米材料，由于其優良的光學性質，被廣泛應用于生物標記。如劉蓓蓓、曹林（2019）建立了基于量子點的鉛鎘快速串聯檢測方法，用于檢測肉中的Pb和Cd含量是否超標等[1]。但由于鉛鎘本身屬于重金屬，因此基于這兩種元素的量子點具有潛在的生物毒性，故限制了它們在熒光活體成像方面的應用。近幾年，隨著量子點材料的發展，具有較低生物毒性的CuInS量子點材料在熒光活體成像方面得到快速發展，如馮彩萍、單路瑤等（2020）基于Fe3O4&CuInS2核殼結構構建了雙模式成像系統，實現了可視化治療[2]。但這些研究中量子點仍然存在熒光性質不可控的問題。為解決該問題，本研究結合現有的CuInS量子點探針與EDC偶聯的原理，制備出一種熒光性質穩定，且生物毒性較低的ZCIS/ZnS-cRGD量子點納米探針。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

本研究實驗主要使用到的儀器及其型號和生產廠家如表1所示，實驗中使用到的試劑和生產廠家如表2所示，試劑規格均為分析純。

1.2 實驗過程

1.2.1 量子點探針制備

（1）ZCIS量子點制備。步驟1：稱取76.8mg碘化亞銅、117.2mg醋酸銦、126.4mg硬脂酸鋅依次加入含冷凝管的100ml四口燒瓶中，并加入16ml十八烯、0.2ml油酸、2ml巰基十二烷混合。在氬氣環境中使用磁力攪拌將反應體系加熱到100℃。同時，利用真空泵持續對反應體系抽真空30min，每間隔8min回充和置換一次氬氣。步驟2：持續加熱反應體系至240℃，并維持該溫度到一定時間，可以觀察到反應溶液隨時間延長，顏色逐漸由淡黃色變成黃色、橙色、紅色、棕紅色直到黑色。為后續測試反應溶液的表征，在反應體系加熱過程中，每間隔5min需借助注射器從反應液中抽取少量溶液，并快速稀釋冷卻置于環己烷中。步驟3：維持加熱溫度240℃持續加熱70min后，將反應溶液置于自然條件下冷卻至室溫，并向溶液中加入3倍體積的過量乙醇/環己烷混合溶劑。采用8000g離心處理混合溶液20min，去除多余的副產物和反應前體，可得到純化的ZCIS量子點。

（2）改進ZCIS/ZnS量子點制備。步驟1：稱取32mg硫粉，在超聲波的條件下，將硫粉溶解于8ml十八烯與2ml油胺的混合溶液中，得到棕紅色硫前體液。稱取380mg硬脂酸鋅，在超聲波的條件下使其溶解于6ml的十八烯溶液中，得到白色渾濁狀態的鋅前體液;步驟2：將不進行任何處理的ZCIS量子點的反應溶液溫度降低到150℃。依次向溶液中加入4ml硫前體液和6ml鋅前體液，并將混合溶液加熱到220℃，并保持溫度使混合溶液持續反應1h后，將反應溶液置于自然條件下冷卻至室溫;步驟3：采用8000g離心處理混合溶液20min，去除多余的副產物和反應前體，可得到純化的ZCI/ZnS量子點，將其保存在三氯甲烷中;步驟4：向上述制備得到的含有20nmol ZCIS/ZnS量子點的三氯甲烷溶液中加入8mg的PMAO，將混合溶液在室溫條件下使用磁力攪拌劇烈攪拌3h。加入40μl的乙醇胺并繼續攪拌30min，再加入4ml硼酸緩沖液，利用旋轉蒸發完全去除溶液中的三氯甲烷，得到含有量子點的澄清透明水溶液;步驟5：采用100000g離心對含有量子點水溶液進行超速離心處理30min，重復3次，去除溶液中的多余反應物以及三氯甲烷。將改進后的ZCIS/ZnS量子點溶解于400μl的PBS中，以便用作后續實驗。

（3）ZCIS/ZnS-cRGD量子點探針制備。ZCIS/ZnS-cRGD量子點探針的制備方法主要是利用EDC偶聯的原理[5]，將改進后的ZCIS/ZnS量子點與cRGD多肽進行偶聯，其具體操作如下：

步驟1：將10nmol改進后ZCIS/ZnS量子點和10μmolEDC在400μl的PBS中進行混合，將混合溶液在避光室溫條件下進行震蕩，震蕩時長為15min;步驟2：向混合溶液中加入一定量的粉末狀cRGD，并在避光的室溫條件下震蕩2h;并采用100000g超速離心處理溶液30min，重復2次，去除多余的反應物，得到純化的ZCIS/ZnS-cRGD量子點探針。

1.2.2 ZCIS/ZnS-cRGD量子點探針性能測試

（1）細胞毒性測試。借助MTT實驗[6]對白鼠成纖維細胞系NTH-3T3進行表征，以檢驗ZCIS/ZnS-cRGD量子點探針的細胞毒性測試。具體操作如下：

步驟1：取含有10%胎牛血清的DMEM培養液與處于對數生長期的NIH-3T3細胞混合配置成細胞懸浮液。向48孔邊緣孔為無菌PBS填充的細胞培養板中，加入每孔200μl的細胞懸浮液，種植密度為每孔5000個細胞。在二氧化碳含量為5%，溫度為37℃的細胞培養箱中進行培養，培養時長12h;步驟2：向含有細胞懸浮液的孔板中加入不同濃度的ZCIS/ZnS量子點DMEM溶液，并在二氧化碳含量為5%，溫度為37℃的細胞培養箱中進行培養，培養時長24h，其中，每個濃度的ZCIS/ZnS量子點DMEM溶液需設置3個復孔;步驟3：向每孔中加入40μl的MTT溶液，培養4h后倒出培養液。加入300μl的二甲基亞砜，在避光低速的搖床上震蕩10min，直到結晶物完全溶解。采用酶聯免疫檢測儀檢測每孔的吸光值。

（2）離體熒光信號測試。本研究的熒光活體成像實驗是以白鼠腦膠質瘤為例展開的實驗[7]，具體操作如下：

步驟1：選擇兩組7周齡大小、體重為25g左右的雌性裸鼠20只，每組10只，在其右上肩部，采用皮下注射的方式，注射100μl含100萬個腫瘤細胞的PBS細胞懸浮液。約3周后，裸鼠體內腫瘤體積增長到5mm×5mm時，即可用于熒光活體成像實驗;步驟2：實驗前12h，停止喂食待用裸鼠，以盡量減少因食物的熒光造成的干擾。采用尾靜脈注射的方式，向第一組裸鼠注射含100μl的ZCIS/ZnS量子點PBS溶液，向第二組裸鼠注射含100μl的ZCIS/ZnS-cRGD量子點探針PBS溶液;步驟3：設置Carestream MSFX PRO熒光活體成像系統CCD的曝光時間為20s，激發波長510nm，發射波長為700nm。在不同時間點，使用該系統對注射量子點探針的老鼠進行熒光成像;步驟4：注射6h后殺死實驗老鼠并取出其肝、胃等主要臟器用作熒光成像，并利用成像系統的圖像處理軟件完成數據采集及分析[8]。

1.3 性能測試

1.3.1 HRTEM結構形貌分析

對稀釋在三氯甲烷中的純化ZCI/ZnS量子點進行超聲分散處理，取處理后的溶液10μl置于超薄碳膜的TEM測試銅網上，直到溶劑全部揮發。利用HRTEM對量子點結構和形貌進行表征。

1.3.2 XRD結構分析

取0.1ml分散于三氯甲烷中的純化后量子點均勻涂抹與晶體硅片上，待溶劑完全揮發，再次涂抹同體積的溶液，重復3次。利用XRD進行量子點晶體結構分析。

2 結果與分析

2.1 ZCIS/ZnS量子點的XRD圖

使用XRD對ZCIS和ZCIS/ZnS量子點進行結構表征，得到如圖1所示的結果。由圖1可知，ZCIS和ZCIS/ZnS量子點在XRD圖譜上均存在3個衍射主峰，ZCIS/ZnS的衍射主峰相較于ZCIS出現了一定紅移，說明Zn離子成功引入量子點，本研究成功制備了ZCIS/ZnS量子點。

2.2 改進ZCIS/ZnS量子點光學性質

利用HRTEM對改進ZCIS/ZnS量子點的光學性質進行表征，得到如圖2所示的結果。由圖2可知，改進的ZCIS/ZnS量子點的熒光性質與ZCIS/ZnS量子點的熒光性質相比，幾乎沒有發生變化。

2.3 ZCIS/ZnS-cRGD量子點細胞毒性評估

通過MTT實驗對ZCIS/ZnS-cRGD量子點細胞毒性進行評估，將不同濃度的ZCIS/ZnS-cRGD量子點與NIH3T-3細胞共同孵育48h，得到如圖3所示的結果。由圖3可知，當ZCIS/ZnS-cRGD量子點濃度小于0.8μmol時，細胞的存活率維持在87%以上，說明本研究制備的ZCIS/ZnS-cRGD量子點具有較低的毒性，可用于后續醫學研究和應用。

2.4 離體熒光信號強度測量

為進一步分析ZCIS/ZnS-cRGD量子點納米探針的代謝能力，在注射該探針5h后，解剖第二組裸鼠取出其主要臟器，并對其進行離體熒光成像和半定量分析，得到如圖4所示的結果。由圖4可知，肝臟、胃的熒光信號最強，其原因是RES能識別并捕獲ZCIS/ZnS-cRGD信號，因此肝臟的ZCIS/ZnS-cRGD信號強度最強;胃部殘留的食物含有大量的熒光信號，因此胃部的熒光強度相對較高。而相比于其它臟器，腫瘤的熒光強度最強，說明本研究制備的ZCIS/ZnS-cRGD量子點納米探針是一種有效的腫瘤靶向探針，可用于實際腫瘤靶向檢測。

3 結論

根據上文研究，可以得到以下4點結論：

（1）ZCIS/ZnS量子點在XRD圖譜上均存在3個衍射主峰，且相較于ZCIS量子點出現了一定紅移，說明本研究成功引入了Zn離子，制備得到了ZCIS/ZnS量子點。

（2）改進ZCIS/ZnS量子點納米材料具有良好的親水性和熒光性質，可直接應用于醫學影像。

（3）ZCIS/ZnS-cRGD量子點濃度小于0.8μmol時，細胞的存活率維持在87%以上，即本研究制備的ZCIS/ZnS-cRGD量子點具有較低的毒性。

（4）ZCIS/ZnS-cRGD量子點納米探針可明顯檢測到實驗裸鼠的腫瘤部位信號，且隨著時間的延長，腫瘤的輪廓更加清晰，即本研究制備的制備的ZCIS/ZnS-cRGD量子點納米探針具有良好的腫瘤特異性識別能力，是一種有效的腫瘤靶向量子探針，可用于實際腫瘤靶向的活體成像。

參考文獻

[1]劉蓓蓓，曹林.基于量子點建立鉛鎘快速串聯檢測方法[J].食品科學，2019，40（18）：335-341.

[2]馮彩萍，單路瑤，王曲玲，等.基于Fe3O4@CuInS2核殼結構的雙模式成像系統的構建[J].納米技術，2020，10（02）：16-24.

[3]馬逸驊，陳琳，楊永珍，等.釓摻雜碳量子點的制備及其雙模態成像研究進展[J].影像科學與光化學，2020，38（05）：763-770.

[4]王鑫，韓曉軍，陳冠英.基于稀土發光納米材料的時間分辨成像[J].發光學報，2020，41（09）：1045-1057.

[5]胡國文，喬玉玲.葉酸修飾的碳量子點在體外癌細胞成像中的應用[J].應用化學，2020，37（09）：1003-1009.