基于碳點的熒光-磁共振雙模態(tài)分子影像探針應(yīng)用進展

郭瀟，周玉潔，高靜茹，余薇，許翠，韓翠平,2

(1徐州醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，江蘇徐州 221000；2徐州醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院)

多種分子影像技術(shù)如MRI、PET、SPECT、光學(xué)成像等雖在臨床診療方面已有廣泛的應(yīng)用，但每種顯像方法在靈敏度、特異性、準確性、輻射暴露、成本、圖像采集時間、成像方式各有優(yōu)缺點。為了發(fā)揮各種成像方式的優(yōu)勢彌補其劣勢，雙模態(tài)成像技術(shù)應(yīng)勢而生，該技術(shù)綜合兩種模態(tài)成像的優(yōu)點，達到了“一加一大于二”的效果[1]。例如MRI可以以非侵入性的監(jiān)測方式深入組織，提供解剖細節(jié)和高質(zhì)量的軟組織三維圖像，但這種技術(shù)僅能夠分辨微米級的病變，靈敏度比放射性或光學(xué)方法低。而熒光成像(FI)具有高的單細胞靈敏度和亞細胞分辨率，但卻具有較差的空間分辨率和組織滲透性。由此發(fā)展熒光-磁共振雙模態(tài)分子影像探針技術(shù)可以克服磁性(低靈敏度)和熒光(低分辨率)成像等缺點，為腫瘤等疾病的早期診斷、治療和監(jiān)測等方面提供一些更全面更準確的信息[2]。分子探針的構(gòu)建是分子成像成功的關(guān)鍵，它可以實現(xiàn)特定的靶向成像并提高成像的準確率和精度[3]。碳點(或稱碳量子點、石墨烯量子點)是一種直徑在10 nm以下類球型零維碳基納米晶體，其作為一種無毒、環(huán)保、造價便宜、熒光性能優(yōu)異、生物相容性良好的新型熒光納米熒光材料，在生物醫(yī)學(xué)成像研究中占據(jù)重要地位。本文就基于碳點的熒光-磁共振雙模態(tài)分子影像探針類型及應(yīng)用進展情況做一綜述。

1 碳點及基于碳點的分子探針特點

1.1 優(yōu)良的光學(xué)性質(zhì) 與傳統(tǒng)的量子點相比，碳點具有吸收光譜較寬、熒光性較好和高抗漂白的特性。碳點一般在紫外區(qū)有較強吸收帶，其吸收峰可延伸至可見光區(qū)，激發(fā)光譜可從可見光區(qū)一直到延伸到近紅外光區(qū)，其還具有一元激發(fā)，多元發(fā)射的優(yōu)點[4]。Miao等[5]在實驗中發(fā)現(xiàn)，改變反應(yīng)條件控制碳點的碳化程度和表面性質(zhì)，可以實現(xiàn)發(fā)射波長的調(diào)控，其發(fā)射波長波普跨度大，從可見光區(qū)一直延伸到近紅外光區(qū)。另外，與其他熒光材料相比，碳點具有很好的光穩(wěn)定性，并且其光致發(fā)光現(xiàn)象在空氣中長期存放無任何變化。

1.2 生物毒性低 碳元素是生命體最重要的組成元素之一，以碳元素為主要組成成分的熒光碳點毒性低、生物相容性好。Song等[6]綜合比較了碳點、CdTe量子點、金納米粒子對不同細胞(HeLa、MCF-7、NIH/3T3細胞)及活體植物的毒性，結(jié)果表明碳點的生物相容性最好，毒性較其它種類的納米顆粒低。Chen等[7]將釓摻雜在CDs中，可以避免釓離子泄漏問題，降低毒性風(fēng)險。所以，通過各種方法制備的CDs已廣泛用于生物成像、靶向示蹤和生物傳感等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

1.3 血液循環(huán)時間長、生物相容性好 臨床所用的造影劑大多是小分子型，如CT造影劑碘海醇，在體內(nèi)會快速通過腎清除而排出，限制了其在體內(nèi)的廣泛應(yīng)用。此外，碘化水溶液的固有特性，例如高滲和高粘度，有時會引起嚴重的不良反應(yīng)。為了提高組織特異性和預(yù)防不良反應(yīng)，已有報道發(fā)現(xiàn)碘摻雜碳點(I摻雜CDs)可以作為高效CT造影劑和熒光探針。與傳統(tǒng)碘化造影劑相比，所制備的碘摻雜CDs不僅具有獨特的光致發(fā)光(PL)和X射線衰減性能，而且具有長循環(huán)和被動靶向CT成像的特點，為生物醫(yī)學(xué)研究和疾病診斷提供廣闊的前景[8]。

1.4 通過腎臟代謝從體內(nèi)清除 理想的成像探針可在注射后有效地定位于病變部位(如腫瘤)，而沒結(jié)合的探針快速從體內(nèi)排出。納米結(jié)構(gòu)藥物的體內(nèi)攝取所存在的最大問題在于如何避免被內(nèi)皮網(wǎng)狀系統(tǒng)攝取，如肝臟、脾臟、淋巴系統(tǒng)等。藥物被內(nèi)皮網(wǎng)狀系統(tǒng)攝取將導(dǎo)致外周循環(huán)藥量減少，從而達病變組織的藥量較少，并且增加藥物在體內(nèi)滯留時間及藥物毒性。Choi等[9]發(fā)現(xiàn)，粒徑<5.5 nm納米材料可以完全通過腎臟清除，5～10 nm粒徑的納米材料若和親水性強的小分子結(jié)合也能通過腎臟清除。藥代動力學(xué)研究表明，由于碳點的尺寸較小，可以經(jīng)腎臟排泄[10]。這個優(yōu)點是常規(guī)的納米材料(10 nm以上)所不具備的。因此，碳點作為傳統(tǒng)量子點的替代物，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用中具有巨大的潛力。

2 基于碳點的熒光-磁共振雙模態(tài)探針的應(yīng)用

基于碳點的熒光-磁共振雙模態(tài)探針主要有釓摻雜型碳點(Gd3+-CDs)雙模態(tài)探針、錳摻雜型碳點(Mn2+-CDs)雙模態(tài)探針、基于順磁性氧化鐵-碳點納米復(fù)合物雙模態(tài)探針、13C-CDs雙模態(tài)探針等類型。

2.1 Gd3+-CDs雙模態(tài)探針 釓作為一種鑭系元素，因其獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)，常被用于高分辨率的T1造影劑成像。然而造影劑中的Gd3+在體內(nèi)代謝緩慢易積聚，并通過抑制鈣離子的活性引起相當大的生物毒性，導(dǎo)致患者腎功能障礙[11，12]。因此，構(gòu)建釓摻雜的碳點熒光和磁共振雙模態(tài)成像探針，在降低毒性的同時仍保持優(yōu)良的磁共振和熒光性質(zhì)，成為目前的研究熱點[13,14]。研究組通過將含有釓的前體高溫?zé)峤獾玫紾d3+-CDs，顯示良好的MRI響應(yīng)和熒光性質(zhì)，縱向弛豫率(r1)為5.88 mmol/s，熒光量子產(chǎn)率(QY)為19.7%。Gong等[15]以蔗糖、濃H2SO4和GdCl3作為原料采用微波輔助多元醇法成功制備出r1為11.356 mmol/s高弛豫效率的Gd3+-CDs，但熒光量子產(chǎn)率相對較低，僅為5.4%。制備同時兼具高的弛豫率和量子產(chǎn)率的Gd3+-CDs仍是一個挑戰(zhàn)性難題。Yao等采用一步微波法制備含釓配合物的CDs，并使用天然無鐵蛋白(AFn)納米載體作為藥物載體，將化療藥物多柔比星(DOX)封裝在AFn腔中。同時采用腫瘤靶向分子葉酸(FA)對AFn表面進行表面修飾，從而在小鼠模型中實現(xiàn)對MCF-7細胞和惡性腫瘤的活性腫瘤靶向作用，并在磁共振-熒光影像引導(dǎo)下進行病灶靶向給藥，達到對腫瘤細胞的靶向治療目的，具有很大的癌癥治療應(yīng)用潛力。

2.2 Mn2+-CDs雙模態(tài)探針 錳是人體必須的一種微量元素，二價態(tài)的錳(Mn2+)外層有5個未成對電子，具有很強的順磁弛豫增強能力，能產(chǎn)生T1WI陽性對比，但其對比度不如Gd3+。雖然其毒性遠低于釓，但超劑量使用仍會導(dǎo)致Mn2+在大腦基底節(jié)、黑質(zhì)等腦區(qū)沉積，進而引起腦細胞死亡[16]。目前，大量研究主要著重于如何提高對比劑的弛豫效率和如何降低其毒性。Jia等[17]以錳(Ⅱ)酞菁為前驅(qū)體，采用溶劑熱法合成了Mn-CDs，利用雙親性聚合物DSPE-PEG進行自組裝修飾，該納米自組裝體具有優(yōu)異的生理學(xué)穩(wěn)定性、近紅外熒光(745 nm)、高的T1弛豫效率(6.97 mmol/s)，并且可以高效催化腫瘤微環(huán)境中的H2O2原位產(chǎn)生氧氣，可用于MRI/熒光雙模態(tài)成像介導(dǎo)的光診療劑來增強對乏氧腫瘤的光動力治療。我們研究組以乙二胺四乙酸二鈉、四水氯化亞錳和三乙烯四胺為反應(yīng)原料，以溶劑熱法制備了熒光量子產(chǎn)率高達90%，T1弛豫效率為3.26 mmol/s的Mn-CD?；贖E4抗體與卵巢癌HE4抗原的特異性抗原抗體反應(yīng)，成功完成了Mn-CDs@HE4-mAb對卵巢癌細胞的離體及卵巢癌載瘤裸鼠的在體的靶向熒光-磁共振雙模態(tài)成像。由于其尺寸較小(4.6 nm)，納米探針可以通過腎臟排泄有效清除，血液半衰期約45 min，無明顯的短期生物毒性，是一種理想的熒光-MRI雙功能納米探針，并具有潛在的臨床轉(zhuǎn)化前景，為卵巢癌的早期的診療和個性化治療提供基礎(chǔ)研究[18]。

2.3 基于順磁性氧化鐵-碳點納米復(fù)合物雙模態(tài)探針 順磁性氧化鐵納米顆粒(SPIO)如Fe2O3、Fe3O4等，主要產(chǎn)生T2WI陰性對比。由于SPIO納米粒子粒徑小，穿透力強，且具有良好的生物降解性，能被細胞攝取后進入正常血漿鐵池等特性[19]，主要應(yīng)用于細胞分離與標記、干細胞示蹤、組織修復(fù)、移植排斥反應(yīng)的檢測、腫瘤的診斷及治療等[20]。Mohapatra等[21]設(shè)計合成了Fe3O4@SiO2@CDs納米結(jié)構(gòu)，用于磁分離、活細胞成像和氟離子熒光傳感。劉曄等[22]將動脈粥樣硬化斑塊中髓過氧化酶(MPO)的靶靶向的兩親型聚合物(5-HT-PIA-PEG-DDA)與SPIO組裝，并通過靜電力結(jié)合作用使CDs形成具有熒光成像和核磁造影成像的雙模態(tài)探針分子CDs@5-HT-PIA-PEG-DDA@SPION，為動脈粥樣硬化診斷和檢測提供了一種分辨率高、靶向性好、使用便捷的雙模態(tài)的探針分子。此外，F(xiàn)e3O4-CDs磁光納米探針雙模態(tài)探針可通過葉酸(FA)的靶向作用對特定腫瘤細胞產(chǎn)生磁光信號，提升成像特異性[23]。

2.413C-CDs雙模態(tài)探針13C-磁共振信號的背景干擾較低[24]，可用來觀測觀察生物體的變化，但其靈敏度的提高需要復(fù)雜的超極化過程，信號衰減的時間<1 min，不利于長時間觀察生物體的變化[25,26]。Xu等[27]以13C-葡萄糖作為碳源，合成了一種富含13C的CDs。這種熒光碳點(13Cdots)在具有13C磁共振信號的同時兼具優(yōu)秀的熒光性，并且信號不會衰減，適用于長時間觀測生物體的生命活動。在沒有施加超極化的情況下13C-QDs中羧基和羧基碳在171 ppm處觀察到增強的13C-MR信號，信噪比提高了160倍，而CDs的固有熒光仍然保持不變。穩(wěn)定的磁共振和熒光雙重反應(yīng)成功地應(yīng)用于斑馬魚胚胎發(fā)育的長期觀察。并且在磁共振與熒光成像交叉驗證中證實了13C-CD在斑馬魚體內(nèi)的分布，這一工作拓展了同位素功能化的納米材料的應(yīng)用。

綜上所述，碳點材料毒性低，合成方法簡單，原料來源廣泛，制備成本低廉，表面易功能化修飾，具有較大的臨床轉(zhuǎn)化前景。以碳點為平臺發(fā)展的熒光-磁共振雙模態(tài)分子探針不僅具有碳點的激發(fā)光譜寬、光穩(wěn)定性好及抗光漂白能力強等發(fā)光特點，同時提高了MRI造影劑的弛豫效率。目前基于碳點的多模態(tài)成像分子探針的研究尚處于早期階段。在探針的制備、結(jié)構(gòu)的調(diào)控、表面多樣性功能化、性能的改進、毒性研究等方面還有待深入研究。