生物醫(yī)學(xué)量子點(diǎn)研究

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1QDs在生物醫(yī)學(xué)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(tuán)和生物分子上的氨基或羧基實(shí)現(xiàn)共價(jià)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?；钴S。Nie［9］等人將QDs用于非同位素標(biāo)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(jìn)而能被細(xì)胞膜上的受體離子通道識(shí)別，進(jìn)入細(xì)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(xì)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(duì)葡萄球菌腸毒素和2，4，6－三硝基甲苯進(jìn)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(dá)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(duì)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(dāng)?shù)男揎椏梢耘cDNA分子進(jìn)行連接。Ebenstein等［5］采用單QDs識(shí)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(biāo)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(gè)蛋白質(zhì)的位置。Han等［14］利用不同顏色的QDs標(biāo)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(jìn)展。Qi等［15］采用amphipol修飾QDs，amphipol具有交錯(cuò)的親水性和疏水性側(cè)鏈，可攜帶siRNA進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)并保護(hù)siRNA防止其被酶解，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測QDs-siRNA在細(xì)胞中的進(jìn)出、內(nèi)吞小體的逃逸、運(yùn)輸、傳遞過程，而這種多功能QDs的出現(xiàn)，也促進(jìn)了實(shí)用基因組學(xué)和基因治療學(xué)的研究。

1.3在活細(xì)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(xì)胞生長和發(fā)育，也不易發(fā)生光漂白，是對(duì)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(jìn)入大腦皮層細(xì)胞標(biāo)記了大腦組織中的病變部位，促進(jìn)了對(duì)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(jī)械化學(xué)的方法滲透細(xì)胞膜進(jìn)入活細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)和細(xì)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(duì)裸鼠進(jìn)行了熒光成像。結(jié)果顯示近紅外QDs熒光標(biāo)記物具有更強(qiáng)穿透力、更易激發(fā)且檢測靈敏度更高等優(yōu)點(diǎn)，故可進(jìn)行更長時(shí)間的生物體外和活體的實(shí)時(shí)跟蹤和熒光檢測，這標(biāo)志著QDs作為新興熒光標(biāo)記物在活細(xì)胞生命動(dòng)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(xì)胞水平及動(dòng)物活體中應(yīng)用，在細(xì)胞亞結(jié)構(gòu)中甚至在激素和生物因子水平也有報(bào)道。Matsu-no［19］利用QDs的特性和激光共聚焦掃描顯微鏡對(duì)生長激素和泌乳刺激素及它們的mRNA進(jìn)行了三維成像。Lidke等［20］將QDs標(biāo)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(xì)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(xué)和內(nèi)分泌學(xué)的研究打開了一個(gè)新窗口。

1.5在腫瘤等疾病研究中的應(yīng)用近年來QDs在細(xì)胞生物研究應(yīng)用領(lǐng)域得到進(jìn)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(jìn)行動(dòng)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(dòng)物體內(nèi)進(jìn)行整體成像發(fā)現(xiàn)，通過QDs標(biāo)記，醫(yī)生可看清lcm深組織下的前哨淋巴結(jié)，且可準(zhǔn)確地指導(dǎo)手術(shù)進(jìn)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(zhǔn)確。Yu等［22］用能靶向于肝細(xì)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(duì)肝癌細(xì)胞進(jìn)行成像來檢測活體內(nèi)的肝癌細(xì)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(xì)胞特異性探針在老鼠體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)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(xì)胞，結(jié)果顯示在HA受體介導(dǎo)下，PEI-HA表現(xiàn)出對(duì)小干擾RNA(siRNA)特異的標(biāo)識(shí)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(xì)胞，并通過QDs觀察抗癌藥對(duì)癌細(xì)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(xì)胞毒性。最近Mahto等［26］對(duì)表面修飾的毒性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)不同修飾的QDs在細(xì)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(duì)表面配位基進(jìn)行修飾)包裹的QDs在細(xì)胞中卻沒有發(fā)現(xiàn)。入胞的MPA包裹的QDs有良好的細(xì)胞相容性，而胞外的GA/TOPO包裹的QDs細(xì)胞毒性卻很大。Li等［27］研究結(jié)果證實(shí)粒徑大小對(duì)其毒性的影響，低于40μg/ml時(shí)，納米級(jí)的CdSQDs毒性顯著大于微米級(jí)的CdS。QDs的毒性機(jī)制仍需進(jìn)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(xué)家都在為發(fā)掘其潛在價(jià)值而不懈努力。QDs的活細(xì)胞靶向和多元成像是當(dāng)前國際研究的熱點(diǎn)，但是如何有效包覆QDs并使其表面功能化，明確QDs在有機(jī)體內(nèi)的代謝機(jī)理，進(jìn)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(dāng)前相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)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(xué)、分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、藥物篩選、醫(yī)學(xué)成像、生物芯片、溶液矩陣和生物大分子相互作用等多個(gè)研究領(lǐng)域帶來重大突破。但要想真正實(shí)現(xiàn)它在生物醫(yī)學(xué)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(xué)性質(zhì)、生物適應(yīng)性等)，還應(yīng)該進(jìn)一步完善其生物安全性評(píng)價(jià)的研究。