生物熒光成像用分子與納米探針

李世琴，安文汀，李榮霞，趙俊紅，焦勇

（山西大學(xué)分子科學(xué)研究所，太原 030006）

1 引言

生物成像是一個多學(xué)科交融、多技術(shù)集成、發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛的新興領(lǐng)域。以核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)和計算機體層攝影(Computed Tomography,CT)為代表，生物醫(yī)學(xué)成像在臨床診斷上發(fā)揮著不可替代的重要作用［1］。

生物熒光成像是近年來發(fā)展較快、引人矚目的生物成像方向之一。熒光技術(shù)因其快捷、靈敏、重復(fù)性好、無放射性，多個光物理參量（如激發(fā)波長、發(fā)射波長、熒光強度、熒光壽命、發(fā)射各向異性）可用于檢測等優(yōu)點，在生命科學(xué)研究中獲得了廣泛應(yīng)用［2-3］。熒光探針是生物熒光成像的核心技術(shù)之一。目前為止，熒光探針可大體上分為：（1）化學(xué)類：有機染料，納米材料（含半導(dǎo)體量子點、上轉(zhuǎn)換稀土納米粒子、貴金屬粒子、納米鉆石等），以及金屬配合物（含稀土配合物）等；（2）生物類：藻膽蛋白，基因編碼熒光蛋白 （如Green Fluorescent Protein,GFP）， 分子燈標(biāo)（Molecular Beacon，一類發(fā)卡結(jié)構(gòu)的寡聚核苷酸熒光探針）等。本文僅對目前應(yīng)用最為廣泛的有機染料和研究最為活躍的半導(dǎo)體量子點及上轉(zhuǎn)換稀土納米粒子等化學(xué)類熒光探針，從發(fā)光機制、設(shè)計發(fā)展策略、合成制備方法以及生物成像應(yīng)用實例等方面，予以簡要評述。

2 生物成像用熒光探針的一般屬性

一般地，適用于生物成像的熒光探針須具備以下性質(zhì)：

（1）光物理性質(zhì)：便于激發(fā)和檢測，不會與生物基質(zhì)同時被激發(fā)，生物背景干擾??；較高的摩爾消光系數(shù)和熒光量子產(chǎn)率；

（2）化學(xué)性質(zhì)：在相關(guān)緩沖液、細(xì)胞培養(yǎng)液或體液中較好的溶解性；使用條件下的熱、光穩(wěn)定性；標(biāo)記的位點特異性；

（3）生物相容性：標(biāo)記所帶來的立體或尺寸相關(guān)的干擾效應(yīng)要盡量?。灰子谶M(jìn)入細(xì)胞；標(biāo)記的生物毒性小。

3 有機染料

有機染料是目前應(yīng)用最為廣泛的一類熒光探針。有機染料的光物理性質(zhì)取決于其分子的電子躍遷類型：（1）離域于整個發(fā)色團(tuán)的共振躍遷，相應(yīng)的染料稱為共振染料；（2）分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移躍遷，相應(yīng)的染料稱為電荷轉(zhuǎn)移染料。依據(jù)結(jié)構(gòu)－性質(zhì)關(guān)系，可以通過精心的設(shè)計策略實現(xiàn)對發(fā)光性質(zhì)的精細(xì)調(diào)控。大多數(shù)常見熒光探針，諸如熒光素類、羅丹明類、大多數(shù)的氟 硼熒類 （Boron-dipyrromethene,BODIPY）和花菁素類，都屬于共振染料。其特征是：相對較窄的、通?；殓R像的吸收和發(fā)射帶；溶劑極性不敏感的、較小的Stokes位移；高的摩爾消光系數(shù)；中等或高的熒光量子產(chǎn)率。然而，吸收和發(fā)射光譜的有限的分離，使得不同染料之間的相互干擾不易避免。相反地，電荷轉(zhuǎn)移染料，例如香豆素類，在極性溶劑中則具有分離較好的、較寬的吸收和發(fā)射帶，較大的依賴于溶劑極性的Stokes位移。然而，摩爾消光系數(shù)和熒光量子產(chǎn)率通常較共振染料為之低。

有機染料類熒光探針的設(shè)計發(fā)展策略多種多樣。其中一種常見的設(shè)計發(fā)展策略就是基于某一類母體結(jié)構(gòu)而不斷修飾、功能化的衍生策略。以羅丹明類染料為例，就是以氧雜蒽為母體結(jié)構(gòu)而發(fā)展起來的一類堿性染料。早在三十年前，具有強紅色熒光的磺化羅丹明B和磺化羅丹明101衍生物就與熒光素連接在一起，被用于雙信號或多信號的熒光分析檢測［4-5］。此后，Lefevre等［6］利用6-氨基己酸將磺化羅丹明B和磺化羅丹明101衍生物連接起來，提高了熒光特性，使之更適于熒光標(biāo)記。Nagano等［7］開發(fā)了一種基于羅丹明發(fā)色團(tuán)的NO熒光探針，550nm激發(fā)，檢測限7nm，已成功用于活細(xì)胞的NO熒光成像。近來，復(fù)旦大學(xué)李富友等［8］發(fā)展了一種羅丹明類熒光染料，利用Cu2+與氧、硫原子的配位作用而引起羅丹明結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，實現(xiàn)Cu2+的胞內(nèi)外檢測。

另一種設(shè)計發(fā)展策略可稱為靶標(biāo)導(dǎo)向策略。例如，活性氧物種（Reactive Oxygen Species,ROS）熒光探針是近年來有機熒光探針的研究熱點之一。ROS與生命體的健康、老化和疾病都有密切關(guān)系。線粒體是細(xì)胞內(nèi)氧氣的主要消耗者，是ROS的主要源頭，在ROS的生物學(xué)研究中居于中心地位。線粒體靶向的ROS熒光探針為揭示ROS的生化奧秘可提供高時空分辨率的強有力工具。線粒體靶向的ROS熒光探針的設(shè)計策略是：從功能要求出發(fā)，結(jié)構(gòu)上由兩部分組成：（i）靶向載體部分，定向輸運分子到線粒體；（ii）高選擇性、特異性的分子開關(guān)部分，與特定ROS作用后，點亮熒光。例如，Chang等［9］報道了一例這類探針MitoPY1。它以親脂性陽離子三苯基膦（Triphenylphosphonium,TPP）基團(tuán)為靶向線粒體的分子載體。靶向機理是，由跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度所形成的負(fù)電勢，可以使陽離子基團(tuán)通過靜電作用定位于線粒體。分子開關(guān)部分機理是由硼酸基團(tuán)選擇性地與H2O2反應(yīng)，打開羅丹明的閉環(huán)結(jié)構(gòu)，從而形成大共軛體系而產(chǎn)生熒光。Guo等［10］報道了一種H2O2和氧還金屬離子 “串連雙開關(guān)模式”的熒光探針，即只有在一定濃度的H2O2存在的前提下 （開關(guān)1），同時存在氧還金屬離子（開關(guān)2），熒光探針才會被 “點亮”。這種熒光探針在細(xì)胞的氧化脅迫狀態(tài)（H2O2水平）的實時檢測，以及活體組織的抗Fenton反應(yīng)方面有較大應(yīng)用潛力。

利用有機染料標(biāo)記蛋白質(zhì)等生物大分子，進(jìn)而利用多種熒光成像手段研究被標(biāo)記物種的跨膜行為，胞內(nèi)分布，與特定細(xì)胞器的共定位，信號轉(zhuǎn)導(dǎo)路徑，以及生理及病理效應(yīng)等活細(xì)胞熒光成像分析，在分子生物學(xué)、生理學(xué)和病理學(xué)研究領(lǐng)域越來越成為一種直觀有效的研究模式。

簡言之，有機染料分子小、結(jié)構(gòu)簡單、可以快速通過很多生物屏障，且商品化的分子較多，在體內(nèi)外熒光成像、DNA自動測序、抗體免疫分析、抗癌藥物開發(fā)、疾病診斷等方面應(yīng)用廣泛。但一般而言，其光化學(xué)穩(wěn)定性較差，易于光漂白和降解；Stocks位移較小，易于受到干擾而降低檢測靈敏度；熒光壽命在細(xì)胞和組織內(nèi)停留時間較短，較難以實現(xiàn)長時間的實時動態(tài)信號追蹤，使其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用受到了一定限制。

4 半導(dǎo)體量子點

半導(dǎo)體量子點（Quantum Dots,QDs）是一類由Ⅱ-Ⅵ或Ⅲ-Ⅴ族元素組成的、粒徑小于或接近激子波爾半徑的納米粒子。其光物理性質(zhì)表現(xiàn)出顯著的量子限域效應(yīng)（Quantum Size Effect,QSE），即熒光的吸收和發(fā)射性質(zhì)依賴于粒徑大小，隨著粒徑減小而藍(lán)移。半導(dǎo)體量子點具有以下獨特的光譜性質(zhì)：（1）“寬激發(fā)，窄發(fā)射”，即激發(fā)波長范圍寬而發(fā)射波長范圍窄，因而可用同一波長同時激發(fā)多種量子點而獲得多色熒光；（2）發(fā)射峰較窄，峰形對稱，重疊?。唬?）量子限域效應(yīng)顯著，可以通過調(diào)節(jié)粒徑和組成來實現(xiàn)發(fā)射波長的調(diào)控；（4）熒光強度較高、穩(wěn)定性及抗光漂白能力較強，便于對標(biāo)記物進(jìn)行長期、實時跟蹤觀察；（5）經(jīng)表面修飾后，生物兼容性好，易于進(jìn)行特異性連接，進(jìn)而進(jìn)行生物活體標(biāo)記和檢測；（6）雙光子截面較大，可在較低激發(fā)強度下進(jìn)行活體的深層組織成像?；谏鲜鎏攸c，近年來量子點在生物分子檢測、細(xì)胞和活體多色標(biāo)記成像、正常及病變組織的定位和成像等領(lǐng)域的應(yīng)用得到了快速發(fā)展。

量子點有多種合成方法，包括溶膠凝膠法、氣相沉積法、電化學(xué)沉積法和微乳液法等。早期由氣相沉積法制得的量子點粒徑分布寬，量子產(chǎn)率低。近年來研究發(fā)現(xiàn)，溶膠法制備的量子點具有很好的發(fā)光性能，成為目前應(yīng)用最廣泛的制備方法。溶膠法分為有機相法和水相法兩種。盡管有機相法制備的量子點具有結(jié)晶性好、尺寸均一、粒度可調(diào)等優(yōu)點，但該方法條件苛刻，原料昂貴，毒性大，易燃易爆，且制得的量子點在空氣中不穩(wěn)定性，特別是納米晶表面通常包覆著憎水性基團(tuán)，限制了其在生物成像的應(yīng)用。比較而言，水相法有很多優(yōu)點，如操作簡單、毒性小、成本低，最突出的就是可以根據(jù)需要直接設(shè)計成生物探針，無需進(jìn)一步修飾。近年來發(fā)展的高溫水熱法和微波輔助水熱法等進(jìn)一步提高了量子點的相關(guān)性能。我們實驗室主要采用水熱法合成水溶性CdTe/CdS殼核量子點，并將其應(yīng)用于活細(xì)胞熒光成像。

量子點進(jìn)一步與抗體或靶向性的小分子配體相偶聯(lián)，可用于細(xì)胞或亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的特異性標(biāo)記。1998年，Alivisatos等［11］報道了量子點的生物標(biāo)記，初步解決了量子點的水溶性及與生物分子偶聯(lián)問題。Zhao等［12］利用細(xì)胞核特異性染料Hoechst 33342的“分子向?qū)А弊饔?，將其與水溶性CdTe量子點以非共價形式偶聯(lián)起來，成功地將量子點定位于活細(xì)胞的核酸負(fù)電骨架上。龐代文等［13］開展了基于量子點的熒光免疫技術(shù)研究，同時對乳腺癌的HER2和ER細(xì)胞進(jìn)行了雙色熒光成像。張春陽等［14］利用雙光子掃描熒光顯微鏡，觀察、驗證了量子點標(biāo)記的天花粉蛋白以受體介導(dǎo)的內(nèi)吞方式進(jìn)入人絨癌細(xì)胞的機理，及其在細(xì)胞內(nèi)的分布。此外，用量子點標(biāo)記前列腺特異性膜抗原（PSMA）的抗體，經(jīng)小鼠尾靜脈注射，實現(xiàn)了對表達(dá)PSMA的前列腺癌的靶向成像［15］；量子點偶聯(lián)曲妥單抗，被成功地用于KPL-4荷瘤裸鼠中Her2的成像研究，在活體中觀察到量子點從血管逐步移入細(xì)胞核的整個過程［16］。

盡管QDs的應(yīng)用研究非常廣泛，但目前仍面臨諸多挑戰(zhàn)：粒徑均一化控制較難，表面缺陷較多，影響發(fā)光穩(wěn)定性；生物標(biāo)記時多個生物分子會同時連接在量子點上，難于控制生物分子的取向、可能發(fā)生團(tuán)聚；生物毒性問題等。另外，熒光的非單指數(shù)型衰減行為，使之不適用于時間分辨的熒光檢測。

有機染料和量子點的發(fā)光機制是光子能量損失的下轉(zhuǎn)換過程，即發(fā)射波長較激發(fā)波長為之長 （紅移）。當(dāng)用紫外或藍(lán)光激發(fā)時，其在生物成像上所面臨的突出問題就是生物組織自體熒光產(chǎn)生的背景干擾。稀土上轉(zhuǎn)換納米粒子（Upconversion Rare Earth Nanoparticles,UCRE-NPs）有望克服這一難題。其發(fā)光機制是稀土納米粒子吸收兩個或多個低能光子而輻射一個高能光子的上轉(zhuǎn)換過程，即發(fā)射波長比激發(fā)波長短的反Stokes發(fā)光。利用稀土上轉(zhuǎn)換納晶的這一獨特優(yōu)勢，以近紅外或紅外光為激發(fā)源，熒光成像時可大大降低或消除自體熒光干擾、提高信噪比和檢測靈敏度。同時，近紅外光還具有對生物組織幾乎無損傷的、高達(dá)十?dāng)?shù)厘米的穿透力。因而，近年來近紅外光激發(fā)－可見光發(fā)射的稀土上轉(zhuǎn)換納米粒子激起了人們越來越濃厚的研究興趣。

稀土上轉(zhuǎn)換納米材料的制備方法主要有熱分解法、水熱溶劑熱法、共沉淀法和溶膠凝膠法等。稀土氟化物是目前多種稀土上轉(zhuǎn)換納米材料中發(fā)光效率較高、應(yīng)用較多的一種。熱分解法的典型步驟是，將預(yù)先制備好的三氟乙酸稀土鹽添加到高沸點有機溶劑（油酸、油胺等）中，氮氣保護(hù)下升溫至250-340℃，使三氟乙酸稀土鹽熱分解生成稀土氟化物納米晶體。北京大學(xué)嚴(yán)純?nèi)A等［17］利用熱分解方法制備了單分散的LaF3三角納米盤，隨后通過改變溫度、加熱時間等條件，制備了各種形貌可控的不同晶相的稀土熒光納晶。稀土上轉(zhuǎn)換納米粒子的粒徑一般較大，通常在十幾、幾十或上百納米。為了使標(biāo)記物更小、更穩(wěn)定，近來Chen等［18］由熱分解法制備了粒徑7－10nm的上轉(zhuǎn)化NaYF4:Yb3+/Tm3+/Ho3+納晶，近紅外激發(fā)和發(fā)射，被稱為“生命組織的透明觀察窗”。清華大學(xué)李亞棟等［19］利用水熱合成法合成了形貌各異、粒徑可調(diào)的單分散納米晶體。

在制備得到結(jié)晶度好、摻雜均勻、粒徑均一、單分散性的稀土納晶后，為了適用于生物成像，需要進(jìn)一步通過表面改性（如二氧化硅/聚合物包覆、配體交換/氧化）和靶向性修飾，使納晶具有良好的水溶性以及一定的靶向選擇性。Wang等［20］報道了利用固液兩相溶劑熱法合成NaYbF4上轉(zhuǎn)換納米粒子，通過調(diào)節(jié)摻雜稀土離子種類或濃度，實現(xiàn)了在單一近紅外波長980nm激發(fā)，可發(fā)射橙、黃、綠、青、藍(lán)等多色熒光上的轉(zhuǎn)換納米粒子。通過包覆硅殼層改善水溶性，并聯(lián)接兔抗－CEA8抗體，實現(xiàn)了活HeLa細(xì)胞的免疫標(biāo)記和熒光成像。

作為新一代熒光探針，稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料除了具備前述的內(nèi)稟優(yōu)勢外，還有吸收和發(fā)射帶窄，Stokes位移大，光、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，可以預(yù)見其在生物成像方面必將發(fā)揮越來越大的作用。

5 結(jié)論與展望

基于有機染料的生物成像仍然是目前發(fā)展最為成熟的、實用化熒光成像技術(shù)。有機染料為人們提供了一種簡捷、安全、相對價廉、使用標(biāo)準(zhǔn)化的熒光探針。盡管其光譜特性不是最優(yōu)的，光化學(xué)穩(wěn)定性也不是最高的，但有機染料以其變化無窮的完全共價構(gòu)筑的小分子特性，繼續(xù)拓展著自身的發(fā)展空間。

以量子點和上轉(zhuǎn)換稀土納米粒子為代表的熒光納米粒子，具有誘人的應(yīng)用前景。量子點和上轉(zhuǎn)換稀土納米粒子的突出優(yōu)點就是可以實現(xiàn)單波長激發(fā)下的多色編碼，同時檢測，從而極大地簡化了多色成像。盡管熒光納米粒子具有獨特、優(yōu)異的光譜性質(zhì)和穩(wěn)定性，但要在生物成像上真正實用化，還要進(jìn)一步發(fā)展表面修飾技術(shù)，提高水溶性、表面包覆的穩(wěn)定性、生物相容性和靶向性，并降低生物毒性。隨著研究的深入，新興的納米熒光探針在生物成像上將會發(fā)揮更大的作用。

毋庸置疑，生物成像用熒光探針是一個生機勃勃、充滿挑戰(zhàn)的領(lǐng)域。面對生命系統(tǒng)的復(fù)雜性，不存在通用的熒光探針工具。只有盡可能地研究開發(fā)更多種類的熒光探針才有可能滿足多方面的需求。不難預(yù)測，各類熒光探針的未來格局是，性能互補，共同發(fā)展，為生物成像提供更大的可選擇空間。

［1］王竣.我國醫(yī)學(xué)影像技術(shù)近十年發(fā)展概述［J］.影像技術(shù)，2004，3:6～11.

［2］張海燕，邢佩佩，李娜等.蛋白質(zhì)標(biāo)記熒光探針的研究及其進(jìn)展［J］.分析科學(xué)學(xué)報，2009，25(5):593～597.

［3］Waggoner,A.Fluorescent Labels for Proteomics and Genomics［J］.Curr.Opin.Chem.Biol.,2006,10:62–66.

［4］Titus J A,Haugland R,Sharrow S O,et al.Texas Red,a Hydrophilic,Red-emitting Fluorophore forUse with Fluorescein in Dual Parameter Flow Microfluoro-metric and Fluorescence Microscopic Studies［J］.J.Immunol.Methods,1982,50:193–204.

［5］Wessendorf M W,Appel N M,Molitar T W,et al.A Method for Immunofluorescent Demonstration of Three Coexisting Neurotransmitters in Rat Brain and Spinal Cord,Using the Fluorophores Fluorescein,Lissamine Rhodamine,and 7-Amino-4-Methylcoumarin-3-Acetic Acid［J］.J.Histochem.Cytochem.,1990,38:1859–1877.

［6］Lefevre C,Kang H C,Haugland R P,et al.Texas Red-X and Rhodamine Red-X,New Derivatives of Sulforhodamine 101 and Lissamine Rhodamine B with Improved Labeling and Fluorescence Properties［J］.Bioconjugate Chem.,1996,7:482–489.

［7］Kojima H,Hirotani M,Nakatsubo N,et al.Bioimaging of Nitric Oxide with Fluorescent Indicators Based on the Rhodamine Chromophore［J］.Anal.Chem.,2001,73:1967–1973.

［8］Yu M,Shi M,Chen Z,et al.Highly Sensitive and Fast Responsive Fluorescence Turn-on Chemodosimeter for Cu2+ and Its Application in Live Cell Imaging［J］.Chem.Eur.J.,2008,14(23):6892–6900.

［9］Dickinson B C,Chang C J.A Targetable Fluorescent Probe for Imaging Hydrogen Peroxide in the Mitochondria of Living Cells［J］.J.Am.Chem.Soc.,2008,130:9638–9639.

［10］Wei Y,Zhang Y,Liu Z,et al.A Novel Profluorescent Probe for Detecting Oxidative Stress Induced by Metal and H2O2 in Living Cells［J］.Chem.Commun.,2010,46:4472–4474.

［11］Bruchez M P,Moronne M,Alivisatos A P.Semiconductor［ Nanocrystals as Fluorescent Biological Labels［J］.Science,1998,281:2013–2016.

［12］Zhao D,He Z,Chan P S,et al.NAC-Capped Quantum Dot as Nuclear Staining Agent for Living Cells via an In Vivo Steering Strategy［J］.J.Phys.Chem.C.,2010,114:6216–6221.

［13］Chen C,Peng J,Xia H S,et al.Quantum-dot-based Immunofluorescent Imaging of HER2 and ER Provides New Insights into Breast Cancer Heterogeneity.Nanotechnology,2010,21:95–101.

［14］張春陽，馬輝，丁堯等.量子點標(biāo)記天花粉蛋白的研究［J］.高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報，2001，22:34-37.

［15］Gao X,Gui Y,Levenson R M,et al.In vivo Cancer Targeting and Imaging with Semiconductor Quantum Dots ［J］.Nat.Biotechnol.,2004,22(8):969–976.

［16］Tada H,Higuchi H,Wanatabe T M,et a1.In vivo Real-time Tracking ofSingle Quantum Dots Conjugated with Monoclonal Anti-HER2 Antibody in Tumors of Mice［J］. Cancer Res.,2007,67(3):1138–1144.

［17］Mai H X,Zhang Y W,Si R,et al.High-Quality Sodium Rare-Earth Fluoride Nanocrystals:Controlled Synthesis and Optical Properties ［J］.J.Am.Chem.Soc.,2006,128(19):6426–6436.

［18］Chen G Y,Ohulchanskyy T Y,Kumar R,et al.Ultrasmall Monodisperse NaYF4:Yb3+/Tm3+ Nanocrystals with Enhanced Near-Infrared to Near-Infrared Upconversion Photoluminescence［J］.ACS Nano,2010,4:3163–3168.

［19］Wang X,Zhuang J,Peng Q,et al.A General Strategy for Nanocrystal Synthesis［J］.Nature,2005,437:121–124.

［20］Wang M,Mi C,Zhang Y,et al.NIR-Responsive Silica-Coated NaYbF4:Er/Tm/Ho Upconversion Fluorescent Nanoparticles with Tunable Emission Colors and Their Applications in Immunolabeling and Fluorescent Imaging of Cancer Cells［J］.J.Phys.Chem.C,2009,113:19021–19027.