无重金属量子点在化疗药物递送中的研究进展*

马 然 ，廖春燕

(1. 四川大学 生物医学工程学院， 成都 610065；2. 国家生物医学材料工程技术研究中心， 成都 610065)

0 引 言

根据国家卫健委发布的《中国居民营养与慢性病状况报告(2020年)》显示，由于平均寿命增加及人口结构老龄化，我国恶性肿瘤发病/死亡率已居全球第一[1-2]。化疗作为癌症治疗的重要手段，可以显著延长患者的生存周期并提高生活质量，然而严重的毒副作用如脱发、呕吐、体重下降、食欲减退等[3-4]，极大限制了化疗药物的使用剂量并影响了药物的疗效。虽然目前临床上也有其他治疗手段，如免疫疗法、放射疗法等，但化疗仍然是肿瘤一线治疗的首选方案。为了降低药物全身毒性、增加机体内滞留时间、提高药物稳定性和改善化疗药物治疗效果，人们选用纳米载体递送化疗药物[5-6]。

量子点(quantum dots，QDs)是一类尺寸在2～10 nm之间的半导体纳米晶体[7-9]，当它的粒径小于或等于其波尔激子半径时，电子和空穴被量子限域，连续能带变成分立能级结构，将引起量子尺寸效应、介电限域效应和量子隧道效应，并表现出介于宏观和微观物体之间的特殊物理化学性质[10-11]。QDs在生物医学领域具有一系列优势，例如它的表面状态丰富、表面结构多样化，允许人们进行多种化学修饰和改性[12-14]等。利用这些独特性质，基于QDs设计的纳米载体近年来已经在化疗药物递送领域取得了较大进展[15-16]。

目前已有报道将传统量子点如硒化镉/硒化锌量子点(CdSe/ZnSe QDs)、硒化镉/硫化锌量子点(CdSe/ZnS QDs)等用于化疗药物递送，但由于它们都含有重金属元素，不仅难于获得、合成工艺复杂，且对身体具有一定的毒副作用，难以在临床上广泛应用[17-18]。为解决上述问题，无重金属量子点(non-heavy metal quantum dots, NHM-QDs)受到了越来越多的关注；它们的原材料不含重金属、合成简单，且往往毒性较低、生物相容性良好。本文讨论了作为药物载体被研究应用得最多的几种无重金属量子点，即碳量子点(CQDs)、石墨烯量子点(GQDs)、黑磷量子点(BPQDs)和氧化锌量子点(ZnO QDs)的常用合成方法，并重点综述了它们在化疗药物递送方面的研究进展及发展中需要解决的问题。

1 无重金属量子点的合成

NHM-QDs的制备方法可分为自下而上和自上而下两大类。自下而上法即以小分子作为前驱体通过一系列的化学反应制备NHM-QDs，比如水热法、溶液化学法、化学气相沉积法等；而自下而上法的主体思路则是通过物理或化学方法将大尺寸的材料切割成小尺寸的NHM-QDs，比如常见的液体剥离法、机械剥离法、电化学氧化法等。表1对NHM-QDs常见的制备方法及相应优缺点进行了总结。

表1 典型无重金属量子点的常用制备方法Table 1 Most commonly used methods for the synthesis of typical NHM-QDs

2 无重金属量子点在化疗药物递送方面的研究进展

无重金属量子点在一定程度上很好地满足了纳米载体所需具备的一系列要求，如低细胞毒性、生物相容性优异、载药能力强等，近年来在化疗药物递送领域取得了较多研究进展。

2.1 碳量子点递药体系

碳量子点(carbon quantum dots，CQDs)作为荧光纳米材料的一种，具有优异的生物相容性、水溶性、低毒性和光学性能[30]，可以标记定位肿瘤细胞，对寻找癌变部位具有指导作用[31]。此外，CQDs的π电子共轭结构与表面的各种亲水基团如-NH2、-OH和-COOH使其可以通过共价偶联或超分子相互作用(如静电作用、π-π堆积等)负载化疗药物[32]，进而提高药物的溶解度、增加体内滞留时间并减少药物毒副作用[30,33]，在药物传递领域具有突出的应用价值。

利用羧基与氨基的缩合反应是CQDs与化疗药物分子共价偶联的主要策略。Samimi等[34]合成了氮掺杂碳量子点(N-CQDs)，并将其与奎宁酸(quinic acid)结合，如图1所示；借助于奎宁酸与乳腺癌组织中过表达的血管生成因子亲和力强这一特性[35]，得到的载体N-CQDs-Quinic acid可以在乳腺癌细胞处富集。然后再通过静电作用在该载体上负载化疗药物吉西他滨(Gem)制备出纳米递药系统N-CQD-Quinic acid-Gem。研究证实，奎宁酸偶联的N-CQDs具有优异的发光性能和肿瘤富集能力，是一种很好的多功能纳米载体；载药后得到的N-CQD-Quinic acid-Gem与Gem单体相比细胞毒性和肿瘤抑制能力更强，在肿瘤诊断和治疗一体化方面具有巨大的应用潜力。

图1 N-CQD-Quinic acid合成示意图[34]Fig 1 Schematic illustration of N-CQD-Quinic acid preparation[34]

上述策略中 CQDs 与药物分子是通过共价键合的方式进行的，操作相对比较繁琐，而直接通过静电作用构建载药体系可以很好地解决这一问题。Zavareh等[36]将CQDs与壳聚糖结合，并同时负载5-氟尿嘧啶(5-FU)和适配体(Apt)构建了(5-FU-CS-CQD-Apt)纳米粒子。其中，壳聚糖和5-FU可以与带负电的CQDs通过静电相互作用相结合，为CQDs提供正电荷的同时也提高了体系的稳定性，使纳米粒子能更好地与细胞表面相互作用；此外，还能赋予纳米粒子pH敏感性，在肿瘤治疗中得以发挥更大的应用价值。研究证实，5-FU-CS-CQD-Apt对人乳腺癌细胞(MCF-7)具有较高毒性，可作为乳腺癌治疗的潜在纳米载体。

以上工作为CQDs在肿瘤治疗领域的应用提供了新的思路，也展示出其显著的药物递送潜力。但是如何利用天然碳源高效生产出均质、高纯的CQDs还有待深入研究[37-38]。此外，在CQDs的制备中通常需要使用强酸或其他有机溶剂，包含复杂的后处理工序[39]，因此开发出一种流程简单、原料可再生的环保制备技术也就显得极为重要。

2.2 石墨烯量子点递药体系

近年来，新型的零维碳纳米材料石墨烯量子点( graphene quantum dots，GQDs) ，由于兼具石墨烯的独特结构和碳量子点的边界效应及量子限域效应而受到广泛关注[40-41]。GQDs的物理化学性质优异，不仅毒性低、比表面积大、水溶性和生物相容性良好，还具有独特的光学性能，如荧光发射可调、吸收光谱宽且连续、荧光量子产率高和光学稳定性极佳等，适合于多种生物应用[42-44]；此外，GQDs含有各式官能团(如羧基、羟基、羰基和环氧等)且其sp2碳富含π电子，这些结构优势使得GQDs可以通过π-π相互作用和氧官能团功能化实现对药物分子的更强结合，成为理想的药物载体[15,45]。下面简要介绍GQDs用于药物递送的最新研究实例。

与碳量子点类似，GQDs可以通过羧基与氨基间的缩合反应偶联化疗药物分子。比如，Sheng等[46]利用GQDs表面的-COOH与化疗药物阿糖胞苷(Cyt)表面的-NH2反应来负载Cyt，再包覆壳聚糖(CS)凝胶，最终得到递药系统CS/GQDs/Cyt，如图2(a)所示。由于CS凝胶极大地抑制了GQDs的团聚，因此与GQDs相比，CS/GQDs的荧光稳定性明显增强。此外，Cyt包载是通过酰胺化反应实现的，在酸性介质中GQDs和Cyt之间的酰胺键水解，使Cyt得以从载体中释放，由此可见CS/GQDs/Cyt具有pH敏感性。上述研究结果为利用壳聚糖等天然多糖构建智能、便捷的药物控释体系提供了新的途径。

除了共价偶联，GQDs还可以通过π-π相互作用实现药物分子的高效吸附结合。Hu等[47]设计了基于GQD的纳米飞行器(SCNAs)，它可穿透和递送抗癌药物到达深部肿瘤处。在该SCNAs的制备过程中，GQDs作为药物的强吸附剂，可通过π-π堆积作用将DOX整合到其表面，实现化疗药物的有效负载。当SCNAs到达肿瘤组织后，会响应肿瘤组织处的微酸环境实现聚集转变；此外，在近红外光的照射下，GQDs可以通过局部高温破坏肿瘤球体，同时SCNAs分解为5 nm的DOX/GQD单体，促进化疗药物深入肿瘤组织发挥药效，从而有效抑制肿瘤的生长，如图2(b)所示。

图2 CS/GQD/Cyt制备示意图(a) [46]; SCNAs在肿瘤弱酸性环境中聚集转变和NIR激活分解示意图(b) [47]Fig 2 Schematic illustration showing the preparation of CS/GQDs/Cyt (a) [46], SCNAs for hierarchical tumor targeting through an aggregation transition in the weak acidity of the tumor environment and NIR-activated disassembly of SCNAs into DOX/GQDs (b) [47]

石墨烯量子点是运输药物的优良载体，在纳米载药系统的构建方面具有重要的应用前景；但是要使GQDs真正应用于临床，还有许多问题亟待解决。比如目前只能小规模合成GQDs且得到的产物尺寸分布不均，因此必须尽快找到一种能对GQDs形状和尺寸进行调控的量化合成方法。此外，在完成药物递送后，如何增加GQDs载体的体内降解速度，减少体内蓄积也是值得考虑的问题。

2.3 黑磷量子点递药体系

黑磷量子点(black phosphorus quantum dots，BPQDs)由于其优异的物理化学性能在药物递送方面极具应用潜力。首先，BPQDs易与氧气和水发生氧化反应，最终的降解产物为无毒性的磷酸盐和磷酸酯，它们不仅是人体代谢产物，同时也可作为体内其他生物反应的底物[48-50]，因此BPQDs具有良好的生物相容性和生物降解性。其次，在BPQDs结构中每个磷原子都具有孤对电子，故拥有一定表面活性[51]，可以实现多种表面改性与修饰。比如，Sun等[52]报道了PEG对BPQDs的表面改性，Luo等[53]在BPQDs上成功修饰了功能性小分子叶酸。此外，黑磷(BP)表面的褶皱结构使其具有高比表面积，从而适用于负载药物；并且由于磷酸的作用，BP表面带负电荷，可以通过静电相互作用负载带正电荷的药物分子或纳米颗粒[54-56]。

基于以上性质，Wang等[57]将叶酸(folic acid)偶联到BPQDs表面，并利用静电作用负载化疗药物DOX，成功构建出PEG@BPQD@DOX递药系统，实现了叶酸受体介导的三重协同靶向肿瘤治疗。上述体系的载药量高达65%，这证实了BPQDs作为递药载体具有较高载药能力，而且PEG@BPQD@DOX具有良好的生物相容性并能被靶细胞有效内化；此外，BPQDs可同时发挥光动力治疗和光热治疗功效。这一基于BPQDs的递药系统同时具备光动力治疗、光热治疗、化疗和多模态成像功能，具有优异的肿瘤抑制效果，如图3所示。

图3 FA-PEG @ BPQD @ DOX纳米复合材料的制备及其光动力疗法、光热疗法和化学疗法协同抗癌机理示意图[57]Fig 3 A schematic of the preparation of the FA-PEG@BPQD@DOX nanocomposite and its anticancer mechanism of the combination of photodynamic therapy,photothermal therapy and chemotherapy[57]

此外，BPQDs还可作为多孔纳米载体的封盖/开关材料，在化疗药物递送中发挥关键作用。比如，Wu 等[58]设计了一种命名为ss-Fe3O4@C的纳米载体，表面封盖着BPQDs。ss-Fe3O4@C拥有双层球壳状结构：内部的磁铁矿层表现出超顺磁性，外层的介孔碳层也有一个直径为67 nm的中心腔；DOX可以通过π-π堆积和疏水相互作用成功包裹在ss-Fe3O4@C 纳米粒子上。而外层的BPQDs作为化疗药物释放的“守卫者”发挥着封盖剂的功能，同时也是载药的额外介质。研究者分析了该体系中阿霉素的释放动力学，发现在pH值=5.0 条件下，用近红外光和10 mM谷胱甘肽共同作用肿瘤细胞时，阿霉素的释放率可达 80%以上。

综上，由于BPQDs具有光热性能、生物相容性和生物降解性良好等突出优点，在肿瘤治疗中应用前景广阔；当它作为载体负载化疗药物时，还可以实现多重协同肿瘤治疗并具有多模态成像功能。但是BPQDs的固有稳定性差，在氧气和水的作用下会快速降解，导致载药功能失效与光学特性恶化，这在一定程度上阻碍了其在生物医学领域的进一步应用[59-60]。为解决这一问题，研究者进行了大量努力，取得了良好进展：如使用金属或高电负性元素材料对BPQDs表面进行修饰[50,59-63]、利用生物聚合物涂层来减少BPQDs与氧气和水分的接触[59]，或以聚多巴胺(PDA)为涂层材料对BPQDs表面进行钝化等[64]。上述这些策略各有优缺点，为BPQDs稳定给药、高效肿瘤治疗提供了有利的参考。

2.4 氧化锌量子点递药体系

氧化锌量子点(ZnO QDs)具有细胞毒性低、生物相容性好、易于制备和生产成本低等优点，在生物医学领域应用前景广阔[65-66]。特别地，ZnO QDs对酸具有响应性，当pH值<5.5时，ZnO QDs可以迅速降解为Zn2+[67]，而Zn2+对肿瘤细胞具有毒性，有助于实现协同治疗癌症；Nel等[68]详细研究了ZnO QDs的溶解行为，发现氧化锌量子点只有在溶解后才表现出显著的细胞毒性作用，并优先杀死癌细胞。基于上述优异性能，ZnO QDs可用于构建pH响应型药物递送系统，有效实现化疗药物的缓/控释。

比如，Cai等[69]报道了一种基于PEG修饰氧化锌量子点(PEG-ZnO QDs)的pH响应性药物递送系统，用于癌细胞内药物的控制释放：负载化疗药物阿霉素(DOX)的改性ZnO QDs被癌细胞吸收后可以响应核内体/溶酶体中的酸性环境，溶解产生Zn2+，同时触发阿霉素的释放，起到Zn2+和DOX的协同抗肿瘤作用。其药物递送示意如图4所示。研究结果表明，PEG-ZnO QDs的DOX载药量高达30%，对应于83.4%的负载率。在pH值=5.0的缓冲液中，在80 h后可释放近72%的DOX，而在pH值=7.4的缓冲液中释放的DOX的量不超过36%。

图4 基于ZnO QDs的pH响应性药物递送平台作用机理示意图[69]Fig 4 Schematic illustration of pH-responsive drug delivery platform based on ZnO QDs[69]

由此可见，ZnO QDs在构建pH响应型药物递送系统方面具有较大优势：肿瘤细胞的酸性环境可以很好地触发ZnO QDs的降解反应，产生Zn2+的同时也可释放负载的化疗药物，实现协同肿瘤治疗的功效。但值得注意的是，ZnO QDs的水稳定性较差且在体内容易聚集[70-72]，因此ZnO QDs药物递送系统的血液循环时间还有待提升。近年来，研究者试图采用表面功能化修饰的方法解决这一问题，取得了一定进展：利用两性离子聚合物包覆ZnO QDs可以延长其体内滞留时间， 而利用甲基丙烯酸甲酯(MMA)[73]、聚苯乙烯(PS)[74]、叶酸[75]和透明质酸[69]等聚合物可对ZnO QDs进行改性，改善原有性能。比如，Wang等[76]利用两性离子聚合物CBMA-co-DMAEMA包覆ZnO QDs，构建了一种新型的pH响应性化疗药物递送载体，显著提高了ZnO QDs的水稳定性，增加其血液循环时间，并促进肿瘤细胞对ZnO QDs的内吞。研究者选择DOX作为模型药物，通过共价作用和Zn2+-DOX螯合物的形成将其负载到修饰后的ZnO QDs上，得到纳米递药系统ZnO@P(CBMA-co-DMAEMA) -DOX。上述纳米递药系统进入癌细胞后，可实现溶酶体酸降解，释放抗癌药物DOX，从而实现Zn2+协同肿瘤治疗。上述工作为改善ZnO QDs递药载体水稳定性差、体内易聚集的这一问题提供了有效的改性策略，相信随着研究的不断深入，未来会有更多新思路的诞生。

3 小 结

NHM-QDs由于其独特的物理化学性质、较小的尺寸和易于修饰的表面结构，在药物递送方面具有较大应用优势和潜在的临床应用前景。表2对本文涉及的各NHM-QDs在化疗药物递送方面的特点进行了总结。其中WDQ(mg)为无重金属量子点递药体系的质量，WD(mg)无重金属量子点所负载的药物质量，Wi(mg)为投放药物的质量，WQ(mg)为无重金属量子点的质量，Ws(mg)为上清液中药物的质量。

表2 本文涉及的各种无重金属量子点在化疗药物递送方面的特点总结Table 2 Summary of the characteristics of each non-heavy metal quantum dots involved in this paper in termsof chemotherapeutic drug delivery

4 结 语

尽管NHM-QDs在化疗药物递送方面具有优势，但仍有一系列问题亟待解决。首先便是生物安全性问题，如何研制出更高稳定性和低毒性的NHM-QDs是其作为药物载体的前提和基础。虽然NHM-QDs的毒副作用相比于传统量子点已经有所下降，但当其作为药物载体时仍会不可避免地对正常组织产生毒性；因此能否开发一类由内源性物质构筑、天然无毒的量子点就显得尤为关键。此外，科学家们常常通过在无机量子点表面包裹有机涂层来增加其生物相容性(如用PEG包覆[77])，而有机层破裂导致的无机核心暴露则会成为量子点体内毒性的来源之一。如何改善NHM-QDs的合成工艺，选择适当的有机层材料，并提高有机层的稳定性具有重要意义。另外，目前对于NHM-QDs的生物毒性评价体系仍不够完善，相关的毒理学研究也不够充分；对于不同种类NHM-QDs通过血液的运输后的组织分布情况、代谢数据还没有系统地归纳，这为NHM-QDs进一步的临床应用造成了阻碍。

其次，如何获得高质量、可大规模生产、合成方法简单的NHM-QDs也有待解决。以GQDs为例，现有的合成方法大多规模较小且得到的产品尺寸分布不均，因此急需找到一种更高效且能对GQDs 的形状和尺寸进行调控的合成方法[78]。另外，在NHM-QDs的合成过程中如何实现其尺寸的精确控制异常重要。对于负载化疗药物用于肿瘤治疗的NHM-QDs而言，其一方面需具有EPR 效应(enhanced permeability and retention effect)，可以有效富集在肿瘤组织处；另一方面又要拥有较大的表面积以实现化疗药物的高包载。如果无法得到合适粒径的NHM-QDs，则无法满足特定化疗药物递送场合的需要。

最后，有关NHM-QDs主动靶向组织的有效性研究还需继续深入。量子点由于其较小的尺寸，在进入生物体后，会被人体网状内皮系统(RES)和单核吞噬细胞系统(MPS)非特异性识别和摄取，并迅速从血液循环中被清除[79]，因此如何实现量子点载药体系对肿瘤组织的精确定位就显得极为重要。近年来，研究者已经做出了诸多有价值的尝试：如在量子点表面接枝叶酸[57]、氨基葡萄糖使其靶向肿瘤细胞[80]，运用RGD短肽修饰的水相合成近红外量子点对活体肿瘤实现了主动靶向[81]等。但上述手段对于某些表面官能团较少的NHM-QDs操作困难，且接枝靶向分子的数量仍难以调控，有时靶向分子甚至会与待负载药物竞争活性位点[82]，具有一定的不可控性。

总之，NHM-QDs在药物递送方面的应用研究已经取得了很大进展，必将受到越来越多的关注。通过绿色合成路线实现NHM-QDs的高效低毒、大规模可控合成是其未来的发展趋势之一。此外，由于量子点独特的光学特性，在药物递送的同时还能实现生物成像，因此基于NHM-QDs的诊疗一体化研究也会大放异彩。相信在不久的将来，NHM-QDs能在疾病诊断和治疗中发挥出更大的作用。