生物醫(yī)學量子點研究

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1QDs在生物醫(yī)學中的應(yīng)用

1.1在蛋白質(zhì)分析中的應(yīng)用QDs最初用于生物領(lǐng)域是應(yīng)用于簡單的生物大分子，鏈接方法是將QDs通過帶有氨基或羧基的試劑修飾，調(diào)節(jié)溶液環(huán)境，通過QDs表面的功能基團和生物分子上的氨基或羧基實現(xiàn)共價偶聯(lián)或靜電作用等來完成QDs與生物大分子(蛋白質(zhì)、核酸、生物酶等)的鏈接，目前這一領(lǐng)域的應(yīng)用仍然非常活躍。Nie［9］等人將QDs用于非同位素標記的生物分子的超靈敏檢測，使巰基乙酸處理過的ZnS包裹的CdSeQDs通過酰胺鍵與轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合，進而能被細胞膜上的受體離子通道識別，進入細胞內(nèi)部，在結(jié)合或傳輸過程中沒有明顯的干擾作用。這表明利用這種方法可以研究活細胞中供體/受體之間的反應(yīng)或分子交換。Goldman等［10］曾將QDs與抗體結(jié)合，成功地對葡萄球菌腸毒素和2，4，6－三硝基甲苯進行了熒光免疫分析。Ghazani等［11］將組織微陣列技術(shù)、光譜分析技術(shù)與QDs相結(jié)合，發(fā)展了一種用于定量測定腫瘤中蛋白質(zhì)表達的新方法。Mahtab等［12］將具有特定結(jié)構(gòu)的核酸序列吸附于QDsCdS上，QDs表面敏化發(fā)光行為則能區(qū)分“直線型”、“彎曲型”和“扭結(jié)型”的雙鏈寡核苷酸，在探測核酸結(jié)構(gòu)的方法上有了創(chuàng)新。Koji等［13］構(gòu)建了一種更新穎、快捷的蛋白質(zhì)記錄材料可根據(jù)光連接器提供的信息調(diào)整記錄、閱讀熒光蛋白的排列，清晰地讀出蛋白質(zhì)配體復(fù)合物的組成，該技術(shù)對生物芯片的微型排列具有重要的意義。

1.2在DNA分子研究中的應(yīng)用QDs經(jīng)過恰當?shù)男揎椏梢耘cDNA分子進行連接。Ebenstein等［5］采用單QDs識別DNA結(jié)合蛋白。先將DNA與DNA結(jié)合蛋白交聯(lián)，然后用偶聯(lián)逆轉(zhuǎn)錄因子抗體的4種不同顏色的QDs標記上述交聯(lián)復(fù)合物，經(jīng)過一系列處理最后在單一光源的激發(fā)下，QDs于605nm、625nm、655nm及705nm發(fā)出綠、紅、黃、白4種不同的顏色，通過熒光顯微技術(shù)來分析判斷蛋白質(zhì)的位置從而能夠確定DNA分子上的多個蛋白質(zhì)的位置。Han等［14］利用不同顏色的QDs標記多色編碼微珠與遺傳物質(zhì)條帶連接，用于DNA雜交檢測，在DNA的測序方面取得了突破性進展。Qi等［15］采用amphipol修飾QDs，amphipol具有交錯的親水性和疏水性側(cè)鏈，可攜帶siRNA進入細胞質(zhì)并保護siRNA防止其被酶解，實現(xiàn)了實時監(jiān)測QDs-siRNA在細胞中的進出、內(nèi)吞小體的逃逸、運輸、傳遞過程，而這種多功能QDs的出現(xiàn)，也促進了實用基因組學和基因治療學的研究。

1.3在活細胞及活體組織成像中的應(yīng)用QDs熒光探針在多光子顯微鏡技術(shù)中的應(yīng)用，使其在活組織中的多色成像成為可能。最早Dubertret等［16］將QDs膠囊注入非洲蟾蜍胚胎中觀察其胚胎發(fā)育過程，發(fā)現(xiàn)膠囊QDs在生物體內(nèi)很穩(wěn)定，且毒性很低，不影響細胞生長和發(fā)育，也不易發(fā)生光漂白，是對QDs熒光探針用于活體組織的成功探索。Gao等［17］將QDs包于PEG-PLA中，連接麥胚芽凝集素(WGA-QDs-NP)后注入鼻腔，QDs經(jīng)嗅覺黏膜組織進入大腦皮層細胞標記了大腦組織中的病變部位，促進了對中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷和治療方面的研究。Yum等［6］用納米針將熒光QDs通過機械化學的方法滲透細胞膜進入活細胞的細胞質(zhì)和細胞核，這較傳統(tǒng)方法有了重大突破。Zhang等［18］利用CdHgTeQDs在近紅外區(qū)針對裸鼠進行了熒光成像。結(jié)果顯示近紅外QDs熒光標記物具有更強穿透力、更易激發(fā)且檢測靈敏度更高等優(yōu)點，故可進行更長時間的生物體外和活體的實時跟蹤和熒光檢測，這標志著QDs作為新興熒光標記物在活細胞生命動態(tài)過程示蹤研究中將發(fā)揮極為重要的作用。

1.4在激素及生物因子研究中的應(yīng)用QDs不僅可以在細胞水平及動物活體中應(yīng)用，在細胞亞結(jié)構(gòu)中甚至在激素和生物因子水平也有報道。Matsu-no［19］利用QDs的特性和激光共聚焦掃描顯微鏡對生長激素和泌乳刺激素及它們的mRNA進行了三維成像。Lidke等［20］將QDs標記到表皮生長因子上，通過激光共聚焦顯微鏡，觀測到腫瘤細胞通過胞吞途徑特異性攝取這種表皮生長因子的全過程。這些成果將為生長發(fā)育學和內(nèi)分泌學的研究打開了一個新窗口。

1.5在腫瘤等疾病研究中的應(yīng)用近年來QDs在細胞生物研究應(yīng)用領(lǐng)域得到進一步拓寬，將QDs熒光探針用于腫瘤等疾病的研究具有突破性意義。早期Bawendi等［21］就提出利用近紅外熒光QDs進行動物體內(nèi)前哨淋巴結(jié)活組織檢查的方法。他們將近紅外QDs用多配位基配體包覆后注入動物體內(nèi)進行整體成像發(fā)現(xiàn)，通過QDs標記，醫(yī)生可看清lcm深組織下的前哨淋巴結(jié)，且可準確地指導手術(shù)進行，確保前哨淋巴結(jié)的完全切除。與傳統(tǒng)的外科手術(shù)相比，前哨淋巴結(jié)的活組織檢查可減少手術(shù)創(chuàng)傷，且檢查結(jié)果更為準確。Yu等［22］用能靶向于肝細胞癌的甲胎蛋白抗體鍵合QDs作為熒光探針，通過整體的熒光成像系統(tǒng)對肝癌細胞進行成像來檢測活體內(nèi)的肝癌細胞。Tada等［23］采用背部皮膚固定器和高靈敏CCD高速共聚焦顯微鏡觀察乳腺癌細胞特異性探針在老鼠體內(nèi)的運動情況，這種高靈敏可視化示蹤為癌癥研究提供了新方法。Jiang等［24］將連接聚乙烯亞胺和透明質(zhì)酸的QDs(PEI-HAQDs)注入B16F1細胞，結(jié)果顯示在HA受體介導下，PEI-HA表現(xiàn)出對小干擾RNA(siRNA)特異的標識性能，而且PEI-HA-siRNA主要積聚在肝臟、腎臟和腫瘤。Bhirde等［25］通過將帶有抗癌藥—順鉑的QDs和表皮生長因子(EGF)分別偶聯(lián)在單壁碳納米管兩端而把抗癌藥帶入癌細胞，并通過QDs觀察抗癌藥對癌細胞的作用，為癌癥的治療開辟了新天地。

2QDs作為熒光探針目前面臨的挑戰(zhàn)

QDs熒光探針技術(shù)最大的挑戰(zhàn)就是如何克服其細胞毒性。最近Mahto等［26］對表面修飾的毒性進行了研究，發(fā)現(xiàn)不同修飾的QDs在細胞中的定位不同。共聚焦圖像顯示巰基乙胺MPA包裹的QDs主要分布在胞質(zhì)區(qū)，而GA/TOPO(對表面配位基進行修飾)包裹的QDs在細胞中卻沒有發(fā)現(xiàn)。入胞的MPA包裹的QDs有良好的細胞相容性，而胞外的GA/TOPO包裹的QDs細胞毒性卻很大。Li等［27］研究結(jié)果證實粒徑大小對其毒性的影響，低于40μg/ml時，納米級的CdSQDs毒性顯著大于微米級的CdS。QDs的毒性機制仍需進一步研究，隨著技術(shù)的發(fā)展，QDs的合成修飾有望走向“綠色化、低毒化”，為QDs更廣泛的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

3展望

QDs在很多領(lǐng)域的應(yīng)用都還處于初期研究階段，各國科學家都在為發(fā)掘其潛在價值而不懈努力。QDs的活細胞靶向和多元成像是當前國際研究的熱點，但是如何有效包覆QDs并使其表面功能化，明確QDs在有機體內(nèi)的代謝機理，進一步提高其生物相容性、降低其毒性，制備出熒光明亮、穩(wěn)定、生物相容性好的QDs探針，是當前相關(guān)領(lǐng)域科學工作者今后研究的重要方向。隨著研究的不斷深入，QDs有望給生物化學、分子生物學、細胞生物學、基因組學、蛋白質(zhì)組學、藥物篩選、醫(yī)學成像、生物芯片、溶液矩陣和生物大分子相互作用等多個研究領(lǐng)域帶來重大突破。但要想真正實現(xiàn)它在生物醫(yī)學領(lǐng)域的深入應(yīng)用，除了在合成技術(shù)上不斷優(yōu)化，以期獲得性能更加優(yōu)異的QDs(如光學性質(zhì)、生物適應(yīng)性等)，還應(yīng)該進一步完善其生物安全性評價的研究。