量子点表面功能化及其在生物医学领域的应用研究

苏叶娅，文庚，刘新儒，陈夏扬，甘静静，张正国＊

（1.北方民族大学 化学与化学工程学院，宁夏银川 750021；2.京能集团宁夏公司，宁夏银川 750001）

近年来，同时具有分子成像功能和治疗功能的纳米材料受到越来越多研究者的关注。各种无机纳米材料，如纳米金颗粒、纳米磁性氧化铁颗粒、介孔二氧化硅颗粒、量子点（QDs）等得到了较快的发展，并逐步实现多种生物医学应用[1-2]。量子点是一种纳米级别的新型半导体材料，由于其特殊的光学性质，其表面易于功能化，在药物修饰、亲和配体和成像方面具有广泛的应用前景，在医学影像领域具有潜在的发展前景[3-4]。例如，在癌症治疗领域，量子点可用于药物的荧光标记、检测和治疗癌症，从而为靶向治疗策略提供关键信息。特别是近红外（NIR）荧光量子点可深入人体，人体内血红蛋白和水分对其荧光吸收较少，非常利于在体内成像。目前，多种近红外荧光量子点被成功研发，如CdHgTe、CdHgTe/ZnS、InAs、PbS、PbSe、CdSe、CuInS2、AgInS2、Ag2S等。然而，包括镉、汞、铅、碲和硒在内的化学成分的潜在释放，导致这些近红外荧光量子点具有急性和慢性毒性，限制了它们在生物系统特别是人体中的进一步应用[5-6]。

1993年，Bawendi等[7]首次合成了具有较高发光效率的CdSe量子点，其量子产率约为10%。虽然该量子点比荧光蛋白和传统有机染料发光效率更高，光学稳定性更好，有希望应用于生物体内病变组织标记或药物示踪，但是该量子点亲水性很差，难以与生物体相溶，限制了其在生物医学领域的应用。1998年，Yu等[8]通过对CdSe量子点表面修饰和功能化，首次解决了CdSe量子点水溶性与生物相容性这一难题。此后，CdSe量子点以及其他近红外荧光量子点成为最先进的荧光示踪材料，在确诊疾病、医学成像方面逐渐开始在动物上临床应用。但是，目前功能化以后量子点的安全性能和毒理作用并不清楚，亟需量子点医学领域工作者进一步厘清各量子点对生物体的影响。因此，CuInS2、AgInS2、Ag2S等无毒或微毒的近红外荧光量子点受到重视，并被认为是在生物体内应用是较佳的选择。Ag2S和Ag2Se量子点具有窄带隙、低毒等优点，同时巨大的表面积体积比易于进行表面功能化，但也易受到周围环境的非均相氧化还原化学的影响。最近，近红外荧光特征的Ag2S量子点、PbxAg2-xS量子点通过在量子点表面功能化一定药物，在小白鼠病变部位成功实现了成像和治疗[9-11]。

1 量子点表面改性和功能化方法

大多单分散性较好的量子点采用热注入法合成，但是该法中使用的油酸、油胺等试剂均疏水，合成的量子点表面含有疏水分子，因此难溶于水，无法用于生物医学研究。量子点表面改性是在量子点表面修饰，增加一层亲水的包覆壳，这层包覆壳可保护和稳定量子点，并发挥量子点生物活性作用。经过包覆的量子点具有较好的稳定性和水溶性，为实现量子点负载分子或药物的靶向性，再进一步通过化学键合、吸附等方法将核酸、蛋白等靶向生物分子链接在量子点表面，使其具有生物活性和抗原-抗体、受体-配体、DNA互补序列等的特异识别。同时，也可以仅仅使用量子点的荧光特性，用于病变部位成像或示踪。根据量子尺寸效应，即量子点发射光谱随量子点尺寸改变而发生变化，应用不同尺寸的量子点或不同化学组成的量子点进行多色分类标记。而且量子点具有吸收光谱宽而发射光谱很窄的这一特性，进入生物体后与不同生物分子结合，在特定光学仪器下即可显示出该生物分子或目标区域成像。

2 功能化量子点的毒性研究

量子点的细胞毒性是指量子点造成的细胞活力降低或死亡，免疫应答功能紊乱，具体指标通常表现为甲烷二羧基醛（MDA）、活性氧（ROS）显著升高，谷胱甘肽（GSH）、过氧化氢酶（CAT）显著下降等[12]。毒理学研究已经证明，由于金属离子的释放和纳米颗粒的特异性，量子点对多种系统构成了威胁，阻碍了量子点在生物医学领域的广泛应用。这是假定的量子点引起的毒性机制对氧化应激、活性氧（ROS）、炎症和金属离子的释放都有一定的影响。同时，量子点治疗过程中还会出现DNA损伤和亚细胞结构紊乱。

近年来，具有靶向性、示踪性、诊断与治疗性的近红外荧光金属硫化物量子点在生物医学领域中的应用中越来越广泛，大多数含重金属的量子点都需要功能化后才能使用，因此功能化量子点的毒理学评价非常重要[13]。而且不同种类和制备工艺的功能化量子点，没有适用的统一评价标准，各功能化量子点的毒理学实验工作量很大。但是，功能化量子点的毒性来源大体上可分为组成元素等自身性质和其他一些外部因素。

2.1 功能化量子点元素组成及粒径大小与细胞毒性

由于大部分量子点都含重金属元素，而且量子点粒径很小，具有较大的比表面积，容易造成量子点大量在生物体内累积、滞留，引发细胞中毒、病变。一些学者关于乳腺癌细胞的研究表明，CdTe量子点会影响肿瘤细胞分裂，该量子点会造成遗传性病变，对染色体和基因正常表达有较严重后果；使用CdHgTe和CdTe量子点注入体外培养的乳腺癌细胞和前列腺癌细胞，都造成细胞不同程度中毒；CdTe量子点注入小鼠体内18天后仍可被检测到，经过30天代谢才完全清除[14]。有学者研究了无毒的ZnS包覆的InP和CdS量子点对细胞活性的影响，发现包覆后的量子点在注入初期影响不大，但是24 h后细胞活性明显降低，多处细胞膜产生损伤[15]。根据CdS量子点体外毒性的研究表明，当CdS量子点和CdS微米颗粒的质量浓度低于20 μg/mL时，CdS纳米颗粒比CdS微米颗粒具有更强的细胞毒性。微米级的CdS颗粒不会引起细胞或血液中活性氧簇增多，而纳米级的CdS量子点可会使细胞内的活性氧簇提高20%～30%。纳米级的CdS量子点与体外细胞共存24 h后，部分Cd2+从CdS量子点中溶出和细胞内新增加的活性氧簇反应掉还原型谷胱甘肽，导致细胞中毒[16]。

2.2 功能化量子点对细胞毒性的影响

近年来，量子点与生物体复杂的机制引起了科学家的极大兴趣，其毒性产生的具体根源也因此受到高度重视。然而，细胞毒性特别是细胞器功能障碍的分子基础至今仍不清楚。此外，功能化量子点的安全性评价没有明确的程序。因此，迫切需要对其在多个系统中的潜在毒性进行系统评价。尽管已经有一些关于量子点毒性的综述，但大多数都有致力于体外或体内毒性的澄清和相关影响因素分析。

ZnS、ZnTe和聚乙二醇（PEG）都是近红外金属硫化物量子点功能化常用的包覆材料。研究表明，用ZnS、ZnTe、PEG包覆CdSe或CdTe量子点后，可明显降低该量子点的毒性。ZnS等包覆材料稳定了近红外金属硫化物量子点的晶体核心，降低了Cd2+等重金属离子泄漏的可能，从而避免了重金属离子对细胞的危害。但是，包覆材料特别是水溶性的材料也可能会造成细胞中毒。有学者分别研究了11-巯基十一烷酸、巯基乙胺、硫代甘油、正三辛基氧膦和ZnS包覆的CdSe量子点与WTK1细胞共同孵化12 h，发现11-巯基十一烷酸的质量浓度高于100 μg/mL时会造成细胞中毒性和DNA受损，正三辛基氧膦和ZnS包覆的CdSe量子点也会造成细胞轻微中毒，而使用巯基乙胺包覆时未发现造成中毒特征[6,12,13,16]。以上结果证明，量子点表面包覆材料类型也对量子点毒性大小有着较大影响。

2.3 功能化量子点生物毒性机制

大量体外研究表明，大多数真核生物对近红外的金属硫化物量子点敏感，确实存在毒性作用[12-13]。虽然许多研究已经讨论了量子点功能化后对细胞的影响，但潜在的分子机制仍处于早期探索阶段。已经证明量子点可以在包括人体肝系列细胞、肺系列细胞系中破坏细胞结构，削弱细胞功能上皮细胞等。此外，形态学改变、代谢紊乱以及多种形式的细胞死亡是量子点诱导毒性的明显证据。基因测序显示，3-巯基丙酸包覆金属硫化物量子点和细胞共同孵化时，细胞分裂后基因表达上调，并伴有DNA链断裂。即使没有造成细胞毒性和ROS形成，该功能化量子点也会诱导大量DNA链断裂。

3 结语

近红外荧光量子点独特的光学性质，在新型药物载体材料、荧光标记物应用等生物医学领域具有重要应用前景。但是，通常近红外荧光量子点多为金属硫化物、硒化物、碲化物，重金属元素毒性和包覆材料的毒性研究仍不完全，毒理学研究需要进一步研究。相关量子点的毒理学研究方法较多，基本为体外细胞毒性研究，而且量子点在水溶液中聚集，与生物体内分布和各系统毒性影响存在一定差别，因此以上问题急需量子点生物应用领域学者继续深入研究。