分子影像探针—量子点在癌症成像和早期检测中的应用

王贺宁，孟祥溪，周克迪，任秋实，孙红芳北京大学 工学院生物医学工程系，北京 100081

分子影像探针—量子点在癌症成像和早期检测中的应用

王贺宁，孟祥溪，周克迪，任秋实，孙红芳
北京大学 工学院生物医学工程系，北京 100081

1 研究背景

根据世界卫生组织于2014年2月4日世界癌症日发布的2014年《世界癌症报告》[1]，癌症已经成为全世界人类的最大致死原因，而中国的癌症发病率已经居于世界首位。随着环境污染，食品安全等各种问题的涌现，人类健康受到很多来自外部环境的威胁，无疑加剧了各种癌症发生的可能。因此如果能实现癌症的早期诊断和个性化的诊疗是非常重要的，可以大大降低癌症的死亡率，同时也提高病人的生存质量。生物医学成像技术在癌症的各个临床阶段中正在发挥越来越重要的作用，包括癌症预测、筛选、指导活检、癌症的分期、转移、预后、治疗计划和复发等各个阶段[2]。目前采用的癌症成像技术有无创的X射线断层扫描（CT），磁共振成像（MRI），超声（US）、正电子发射断层扫描（PET）、单光子发射断层显像（SPECT）和光学成像（Optical imaging）等多种影像手段进行检测。然而，这些成像技术大多数不能用于微观层面上的检测。

与此同时，随着纳米技术的快速发展，越来越多的研究工作者开始利用纳米颗粒作为多模态分子影像探针的载体。以纳米材料作为多模态分子影像探针的载体具有下述几方面的优点：① 高的比表面积，可以同时装载生物靶向分子和影像探针分子；② 通过负载于纳米颗粒，可以有效改善生物靶向性分子的体内稳定性和探针分子的药代动力学；③ 适宜的尺寸，可以利用肿瘤组织的高通透性和滞留效应（EPR效应）被动靶向肿瘤，提高影像探针的利用率。目前人们已将现有的光学成像技术与先进的纳米粒子为基础的光学对比剂相结合，实现了高分辨率的活体肿瘤成像。其中，可发射荧光的光学纳米颗粒——量子点，已经应用于多种生物医学成像研究中。本文将主要介绍量子点在癌症成像和早期检测中的应用。

2 量子点的定义以及在成像方面的优势

量子点（Quantum Dots, QDs）是一类由II/VI族或III/ V族元素组成的，直径为2～10 nm，能够接受激光激发产生荧光的半导体纳米微晶体，具有纳米颗粒典型的量子效应和独特的光学特性。与传统的有机染料和荧光蛋白相比，量子点具有荧光强度高，不容易淬灭的特点；此外，其发射的荧光波长可以通过量子点的尺寸，化学组成和晶格结构改变，能够在可见光和红外区的大范围波段进行调制，因此，量子点在生物成像领域有着很多的应用，并且被广泛应用于癌症成像和早期诊断[3]。

3 量子点在癌症成像和检测方面的应用

3.1 细胞成像的应用

研究人员应用量子点在体外检测，标记固定的细胞和组织标本，以及活细胞成像等方面做了很多工作。通过将量子点进行不同类型的功能化，如耦合链霉亲和素，抗体，受体配体如表皮生长因子（EGF）或血清素，识别肽等，可以将量子点靶向标记到细胞表面的蛋白。比如，在很多乳腺癌中都有高表达的HER2受体，将HER2受体的抗体加入已固定的乳腺癌细胞SK-BR-3，就可以用连接了免疫球蛋白IgG抗体的量子点进行成像。也可以将量子点标记在链霉亲和素上，可以靶向结合了生物素的一抗，对乳腺癌细胞进行成像[4]。王贺宁等在量子点表面耦合了透明质酸，通过透明质酸和CD44受体的靶向作用，实现了对CD44受体高表达的乳腺癌细胞MD-MB-231和MCF-7的特异性成像[5]。

除了对固定细胞的成像，量子点的长时间稳定性和高荧光效率，也使得量子点在活细胞成像方面有很大的优势。阮刚等人使用Tat肽结合的量子点（TAT-量子点）来进行活细胞成像，观察了活细胞摄取纳米颗粒以及在细胞内的转运。实验结果表明，该肽偶联的量子点通过巨吞噬作用内化。Tat-量子点首先束缚到囊泡的内表面上，继而被细胞器捕获。此外，他们还发现，TAT-量子点可以与细胞膜上的结构，例如丝状伪足结合，而且包含QD的囊泡能够从丝状伪足的前端夹断。这些结果不仅为Tat肽介导的传送机制提供了新的解释，也可用于纳米粒子探针作为细胞内靶向和成像的发展[6]。

3.2 早期癌症检测

除了用于细胞成像，生物偶联的量子点也用于靶向标记生物组织样本，进行生物标志物的成像。特别是在免疫组织化学中使用的多色量子点探针，是临床上非常重要的应用。将4种不同颜色波长的量子点（565，605，655和705 nm）分别与4种不同的骨转移行为的肿瘤标志物N-钙粘蛋白，EF（延伸因子）-1，E-钙粘蛋白和波形蛋白进行耦合，可以对FFPE前列腺癌的病理组织切片进行多色染色。用图像处理软件分析CCD采集到的图像，通过分析不同颜色量子点的荧光强度，就可以得到对应的病理切片中不同的肿瘤标记物浓度[7]。

3.3 在体成像

肿瘤的在体成像面临着很大的挑战，需要敏感性好，特异性高的探针分子。目前的成像机制一方面是造影剂的被动靶向，即利用肿瘤诱导生成的血管通常结构都不稳定，并且有很大的内皮空隙。这些空隙可以允许大分子通过（≤400 nm），并且由于缺乏有效的淋巴引流，这些大分子可以在肿瘤的微环境聚集。这种增强的渗透保留效应，也叫EPR效应，使得纳米颗粒和纳米治疗剂在肿瘤成像中发挥了很多的作用。

另一方面，癌细胞表面表达的一些特异性的生物分子，如表面受体等，可以用做探针分子主动靶向的分子靶标。在成像探针的研究中，癌抗原（分子成像）的主动靶向在医学领域有了很多的发展，可以用来检测早期癌症及其转移。由于量子点具有很强的荧光信号，并且可以偶联多个分子，可以与多种抗原进行高敏感性和特异性的癌症成像。

2002年Akerman等人最早开展了这方面的工作。 他们将量子点与肿瘤细胞和肿瘤血管的亲和性肽进行偶联，通过静脉将这些探针注射进入负载乳腺癌肿瘤的小鼠后，组织切片的显微荧光成像表明量子点可以特异性标记宿主的肿瘤血管系统[8]。之后Gao等人将量子点靶向肿瘤，进行了动物全身尺度的成像。通过将量子点与针对前列腺特异性膜抗原（PSMA）的抗体偶联，静脉注射到荷人类前列腺癌的小鼠皮下，成像结果显示注射了主动靶向量子点的的肿瘤荧光比注射非靶向量子点的荧光信号显著增强[9]。用同样的方法，Yu等人将甲胎蛋白抗体偶联至量子点，能够主动靶向小鼠的肝癌模型[10]。Cai等则采用量子点标记了整合素靶向肽RGD，显著增强了人脑胶质瘤肿瘤对量子点的摄取[11]。

细胞毒性和量子点在标记细胞过程中对细胞和动物体潜在的干扰是目前量子点的应用过程中的主要问题。目前最常使用的量子点的化学成分中含镉等有毒重金属原子[12]，而二价镉是有肾毒性的，因此利用量子点进行活细胞和动物的成像具有很大的争议。虽然这些重金属元素被掺入到量子点的核里，外层包裹了生物惰性的硫化锌和稳定的聚合物，但这些在临床上使用作为造影剂是否安全，还需要进一步的考察。由于发表的文章中用了多种不同的合成，增溶和功能化的方法，因此量子点的毒性问题比较复杂。很多文献当中并没有发现量子点在使用的浓度和实验过程中对细胞活力、形态、功能或发育不良的影响（从数小时至数天）。然而也有一些研究工作在较高浓度时，观测到了对胚胎发育的影响[13]。因此，量子点并不能说是完全无害的，但应该存在一个安全剂量范围，使得量子点的应用过程中不影响生物体活性。现在有很多工作通过改变量子点的成分，合成出了不含镉等有毒重金属的量子点，如Ag2S，CuInS2量子点等，大大降低了量子点的毒性，生物相容性有了很大的提高。

4 未来趋势

在临床应用中，往往需要对多个诊断指标的联合分析，才能够对疾病进行比较精确的诊断。而单一模态无法提供病灶的全面信息，若单独进行各个模态的成像则需要对患者分别注射影像制剂，进行多次成像，对患者将是一系列的痛苦。如果能有一体化的多模态的分子影像探针，仅需注射一次影像制剂，就可在多模态的成像仪器上一次性得到多个模态的影像结果，充分发挥不同成像模态的优势，获得全方位的更精确的疾病信息。这将大大减少患者的痛苦，对医生也省去了很多工作。因此发展一体化的多模态探针是分子影像探针领域的一个新趋势。

近年来，已经陆续有一些结合了不同成像模态的分子影像探针被报道。例如2010年，Kimura等人将Cy5.5近红外染料和64Cu-DOTA共价连接到Knotiin Peptide上，实现了整合素的特异性标记和小鼠的全身成像[14]。Ting等人将18F和近红外染料结合到Lymphoseek 即DTPA修饰的右旋糖苷上，实现了受体特异性的前哨淋巴结（SLN）的成像[15]。将耦合血卟啉的组氨酸螯合99Tcm则可做成荧光／同位素双模态探针的活体成像[16]。

与小的有机荧光分子比较，量子点具有大表面积，因此可以通过多功能的化学修饰来做成双模态或多模态的探针。比如将量子点与其他成像剂（例如，放射性核素或顺磁性探针）和治疗剂（例如，抗癌药物），通过化学连接或通过简单的物理方法连接，从而可以得到多功能纳米结构，实现多模态成像和成像治疗一体化。目前利用量子点制备的双模态探针已有报道。2007年，Schipper等人用64Cu标记800 nm和625 nm波长的氨基-PEG商业化的量子点，量化地研究了量子点在小鼠体内的全身性的分布，实现了PET和荧光的双模态成像[17]。2008年，Ducongé等人将18F标记在磷脂胶束的量子点表面，实现小鼠全身的双模态成像[18]。这两个工作作为将PET同位素和量子点结合的双模态探针最早的尝试，提供了双模态在体成像的可能。也有研究者将InP/ ZnS量子点作为核，外围连接MRI分子探针Gd，做成MRI／荧光量子点双模态探针，细胞穿透肽的连接则促进了纳米颗粒进入细胞进行双模态成像[19]。Farokhzad等人报道了将量子点，核酸适体，和小分子抗癌药物阿霉素（DOX）结合的的三元体系，实现了在体外的靶向成像，治疗和传感药物的释放[20]，从而使量子点可以作为成像治疗一体化的探针。

此外，由于传统量子点含有有毒重金属成分，因此发展新型的低毒性量子点也是未来的趋势。王强斌课题组合成了量子产率更高、生物相容性更好、尺寸均匀可控的Ag2S近红外量子点，细胞成像实验结果表明，通过在量子点表面修饰不同的特异性生物分子，可实现对不同细胞系进行特异性标记。通过系统的细胞生物安全性评价，包括细胞增殖、坏死和凋亡、活性氧和DNA损伤实验等结果表明，Ag2S近红外量子点几乎没有细胞毒性[21]。此外，高明远等人合成出了CuInS2等量子点，也提高了量子点的生物相容性。同时还合成出了掺Mn的量子点，从而可以进行MRI和荧光的双模态成像，实现了低毒量子点的双模态成像应用[22]。

5 总结

作为一种新型的荧光探针，量子点已经在生物医学成像和癌症检测的领域有了很多的应用。量子点不会取代传统的荧光分子或荧光蛋白融合技术，但量子点的多种优良特性比如更好的耐光性，近红外区域的光谱，以及长时间的单分子灵敏度，将很好地补充传统荧光技术的不足。量子点技术的发展，将可以大大地提高生物成像和检测的能力。

致谢

该项目由国家重大科学仪器专项（2011YQ030114）,国家基础研究计划973项目（2011CB707500）, 国家自然科学基金 （11104058）, 和河北省自然科学基金 （A2011201155）支持。

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A Novel Molecular Imaging Probe: Application of Quantum Dots in Cancer Imaging &Early Diagnosis

WANG He-ning, MENG Xiang-xi, ZHOU Ke-di, REN Qiu-shi, SUN Hong-fang
Department of Biomedical Engineering, College of Engineering, Peking University, Beijing 100081, China

半导体量子点（QDs）是一类可发荧光的纳米粒子，由于其独特的光学和电子特性，已被广泛用于生物医学成像。与传统的有机染料和荧光蛋白相比，它们的发射光谱可随尺寸大小调节，有很强的信号亮度，且可抵抗光漂白效应，并且可以同时激发多种颜色的荧光。当与靶向配体，如抗体，多肽或小分子偶联时，量子点可被用于靶向肿瘤标志物和肿瘤血管系统，具有很高的亲和力和特异性。本文主要综述了量子点在癌症成像方面的应用，同时也讨论了量子点应用于临床的局限性，并对其未来应用进行了一些展望。

量子点；癌症成像；分子影像探针

Semiconductor quantum dots (QDs) are tiny light-emitting particles on the nano-meter scale, and have been widely used for bio-medical applications due to their unique optical and electronic properties. Compared with traditional organic dyes and fluorescent proteins, they have size-tunable light emission, superior signal brightness, photo-bleaching resistance, and broad absorption spectra for simultaneous excitation of multiple fluorescence colors. When conjugated with targeting ligands such as antibodies, peptides or small molecules, QDs can be used to target tumor bio-markers as well as tumor vasculatures with high affinity and specificity. This paper summarizes some of the applications of QDs for cancer diagnosis and imaging. And it also discusses the restrictions for clinical applications and gives some perspectives for the future applications of QDs.

quantum dots; tumor imaging; molecular imaging probe

R197.39

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.04.002

1674-1633(2015)04-0007-04

2015-03-02

国家重大科学仪器专项（2011YQ030114），国家基础研究计划973项目（2011CB707500），国家自然科学基金（11104058），河北省自然科学基金（A2011201155）。

孙红芳，工程师。

通讯作者邮箱：shf@pku．edu．cn