碳量子点在肿瘤治疗中的应用

张亚楠 温海霞

[摘要] 碳量子点是一类新型的荧光纳米材料，具备优异的导电性、极好的生物相容性能、环境友好性、稳定性能等优势，其在生物、医学、光学、纳米电子学、传感器等领域、肿瘤诊断中的靶向成像及肿瘤治疗中的药物靶向运输领域中取得巨大的进步。本文主要综述碳量子点的制备、生物特性、生物应用、在体内和体外成像以及生物体新的荧光标志物、药物传递、靶向治疗、缓解药物、延长药物作用时间提高药效以及在乳腺癌治疗中的未来应用前景。

[关键词] 碳量子点;荧光探针;生物成像;乳腺癌

[中图分类号] R73-3          [文献标识码] A          [文章编号] 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）是一种新兴的荧光纳米材料，具有良好的光学性能。纳米颗粒具有尺寸较小、毒害作用低、水溶性优异、环境友好、价格低廉、原料可通过多种渠道获得等诸多优势。因而CQDs应用前景广泛，在生物医学领域和生物成像领域有突出的应用价值，已引起广泛关注[1]。

1 CQDs的概述

1.1 CQDs的简介

CQDs是一种几何形状近乎球形纳米碳颗粒，粒径<10 nm，单分散，具有光致发光的性质[2]。2004年Xu等[3]通过电泳法对单臂碳纳米管进行纯化实验时，无意间发现了一种发荧光的物质，推测可能是CQDs。2006年，Sun等[4]等制备了尺寸很小纳米粒子通过激光消融的方法，用聚乙二醇聚合物1500 N（polyethylene glycol，PEG1500 N）进行表面钝化，发现了可随可见光区域变化而改变荧光的物质。有机染料和传统的半导体量子点具有以下缺点：造价高、对环境破坏大、产生光漂白现象。与这些比较，CQDs不仅有优异的荧光特点，还拥有许多其他的优良性能，比如制作成本低、良好的溶水性、稳定性的化学性能、表面易于修饰、良好的光稳定性、低生物毒性等[5-6]，因此，CQDs被广泛应用到分析检测[7]、生物传感[8-9]和生物成像[10-11]等方面。

1.2 CQDs的制备

1.2.1 自上而下法  自上而下的合成方法是指将大尺寸分子的碳源利用一系列物理或者刻蚀技术转变成所需要的小分子CQDs的方法[12]。自上而下的方法包括电弧放电凝胶电泳法、激光烧蚀法和电化学氧化，通常需要昂贵的设备和苛刻的条件来剥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通过小分子的分子或者游离的离子[12]。自下而上法合成CQDs的碳材料来源广泛如葡萄糖、尿素、聚乙二醇、柠檬酸离子液体等有机小分子材料或低聚物。合成方法众多，如燃烧法、模板法、热解法、化学氧化法、微波合成法、水热/溶剂热处理法等[14]。

1.3 CQDs的特性

1.3.1 CQDs的荧光特性  目前对CQDs发光机理的研究，众多研究者还未给出明确定论。因为CQDs显示出独特的光学性质，是利用了一系列物理或者化学的方法，CQDs的多种合成方法在光学性质和结构上都存在很大程度的不同，所以很难解释CQDs的发光原理。但近期大量研究显示[14-18]，当通过钝化处理过的有机物附着在CQDs的表面时，可以很大程度上提高CQDs的荧光性能。目前的研究认为[19-21]，CQDs荧光发射的影响因素主要包括纳米半导体量子限域效应、表面局域电子态、分子态和交联增强效应，这些因素在CQDs发射过程中影响效果不同。关于CQDs的研究显示[22]，CQDs的激发波长决定了其光学性能，即CQDs激发光的强度越强和波长越长，CQDs的荧光发射强度越强，并决定了荧光发光峰的位置。CQDs浓度的改变是否可直接影响C点纳米颗粒之间相互作用，从而对其荧光发射特性产生影响，这需要进一步研究探讨。

1.3.2 CQDs的生物特性  碳是CQDs的主要构成元素，也是人体中的必须元素之一。多项研究显示[23-24]，CQDs的浓度越高，越可刺激机体对外界的免疫应答系统，从而会使干扰素的水平升高、抗原表位因子数量增多，但这些刺激不会对机体的免疫器官产生任何病变性的伤害。

2 CQDs的应用

2.1 CQDs的生物应用

2.1.1 成像  由于CQDs独特的荧光性质，所以CQDs在科研实验和生物成像方面成为前沿的应用手段。因为CQDs具有细胞毒性低和对细胞的追踪能力强等多种潜力，因此可将其作为荧光探针在各类细胞中进行细胞标示。同样，低细胞毒性和可人为决定发光特性，使得CQDs在活细胞生物样本的造影方面也有着广泛的应用价值。CQDs的诸多优势使其逐渐代替半导体量子点，成为生物医学领域中新型的荧光追踪物[1]。

2.1.2 载药  光动力疗法（photodynamic therapy，PDT）是一种具有精准定位药物和特定波长激光联合使用的方法，是以光动力效应作为基础进行肿瘤筛选和病灶切除的一种新兴技术[25]。由于CQDs独特的荧光特性，因此CQDs也可用于药代动力学和药物定位效应的研究。把CQDs作为载体与常规药物重组来改善不易观察和标记的难题，同时CQDs还可缓慢释放药物，延长药物在体内的作用释放时间，还有CQDs甚至可以直接改变药物的分子结构，达到提高药效的作用[26]。

2.1.3 毒性  一般来说，碳材料具有优良的化学稳定性，不会释放有害物质对生物体造成损害。然而CQDs由于体积小、表面积大并具有较高化学活性，有可能对生物体产生化学毒害作用，所以众多研究人员在生物医学方面进行了大量的CQDs安全性的研究[27-28]。研究显示[29]，肾脏可以去除<5 nm的量子点（quantum dots，QD），减少了在体内积聚的风险[30]。

2.2 CQDs在癌症诊断和治疗中的应用

2.2.1 CQDs在生物医学领域中的应用  在癌症诊断中，光学成像技术占有重要地位，其中的荧光分子成像由于检测灵敏度高、成像迅速、空间分辨率高、可多参数测试等优点，成为了肿瘤诊断中研究热点[31]。目前许多类型的荧光探针正在使用当中，如半导体荧光量子点、荧光纳米硅粒子、CQDs等。其中，由于CQDs具有较低的毒害作用、较高生物追踪潜能以及可人为调节的发光性能等[32]优良性能，使得许多学者都在极力挖掘其在生物治疗、临床医学成像领域的潜能。Tang等[33]在追踪记录小鼠局部部位的肿瘤治疗过程时，利用微波法制备的绿色荧光CQDs，将其作为运输载体与药物阿霉素结合，从而区别正常细胞与癌细胞。Zheng等[34]将药物阿霉素连接于制备的CQDs表面，在二者的荧光共振能量转移法（fluorescence resonance energy transfer，FRET）機制上设计了一种叶酸靶向的turn-on型的纳米荧光探针，实时监测药物释放的过程。Li等[35]利用线粒体作为CQDs的体内成像和抗癌药物多柔比星（DOX）的传递系统，结果显示CQDs不会破坏线粒体的完整性，并且保持了CQDs的光学性能。除此之外，线粒体传递系统还改善了CQDs在器官中的生物分布，延长了静脉注射后CQDs的保留时间。实验结果显示，与正常的线粒体比较，负载盐酸多柔比星的线粒体（mitochondria hydrochloride，Mito-DOX）显示出增强的治疗效果。

2.2.2 CQDs在乳腺癌治疗中的应用  乳腺癌是一种好发于女性乳腺上皮组织、具有高度异质性的恶性肿瘤[36]。据统计，乳腺癌发病率一直处于较高的水平，死亡率逐年增加，严重危害女性身体健康[37]。有研究通过构建人源的乳腺癌细胞（human breast adenocarcinoma cell line，MCF-7）模型，把氯化钆（gadolinium chloride，GdCl3）通过微波辅助法分离出钆离子Gd3+后掺杂到CQDs中，进而对CQDs表面进行氨基修饰，获得较高量子产率的Gd-CQDs。然后与去铁蛋白纳米笼（apoferritin，AFn）连接，外面包被水溶性的盐酸阿霉素（DOX），以体内叶酸为配体进行定位，制成Gd-CDs/AFn（DOX）/FA纳米笼给药系统。将该系统作用于人源的乳腺癌细胞（MCF-7），通过细胞增殖实验测定抗肿瘤活性，结果显示Gd-CQDs/AFn（DOX）/FA纳米笼给药系统通过对肿瘤靶向成像和放疗增敏，能很好地抑制乳腺癌细胞的增殖[38]。

3 CQDs的应用前景

总之，CQDs由于具有荧光的特性、生物相容的特性以及稳定的化学结构，可广泛应用于生物成像技术，具有巨大的生物医学成像和检测潜力。但来自重金属和胶体不稳定性的毒理学和药理学问题，也一定程度上限制了CQDs在癌症和其他疾病诊断和治疗过程中的应用进展[39-40]。不过，由于肾脏只能去除<5 nm的CQDs[30]，因此将CQDs应用于药物化学合成、生物医学成像、靶向治疗时，应充分考虑到体内应用的生物安全性，如降解、排泄、持久性和免疫应答的毒理学和药代动力学等问题，使CQDs在制备和医学临床应用上更加完善。

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（收稿日期：2019-10-28  本文编辑：刘永巧）