半導(dǎo)體聚合物量子點(diǎn)（Pdots）在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展

劉義章，王 磊，周 凱，鞏振虎

（滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品與環(huán)境工程系，安徽滁州239001）

半導(dǎo)體聚合物量子點(diǎn)（Semiconducting Polymer Dots,Pdots）作為一類新型熒光材料，近年來得到快速發(fā)展。因其具有大的光吸收截面、高熒光量子效率、膠體穩(wěn)定性以及生物兼容性等特性，對開發(fā)小尺寸、高亮度、無毒、穩(wěn)定的納米熒光探針是非常適合的；它為熒光成像技術(shù)的發(fā)展提供了有效的標(biāo)記方法，在生物檢測、細(xì)胞生物學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1-4]。

1 半導(dǎo)體聚合物量子點(diǎn)（Pdots）的制備和光物理性質(zhì)

1.1 Pdots的制備方法

Pdots的熔點(diǎn)較低而且熱穩(wěn)定性不夠好，其制備方法與常用制備納米粒子的方法有所區(qū)別，主要有微乳液法和納米沉淀法兩種[5]。

微乳液法中，雙親性表面活性分子用來形成含疏水半導(dǎo)體聚合物膠束的水溶性液體，但是這種方法制備的熒光量子產(chǎn)率低，粒徑也比較大[6]。常使用聚電解質(zhì)涂層Pdots[7]，以提高Pdots的可加工性、降低生物毒性和提高生物相容性與穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

納米沉淀法制得的Pdots生物毒性低，粒徑在5～30 nm之間，粒徑規(guī)則且分散性好，粒徑的大小可控，且穩(wěn)定性和水溶性好[8-12]。

1.2 Pdots的光物理性質(zhì)

半導(dǎo)體聚合物量子點(diǎn)（Pdots）的光物理性質(zhì)是由共軛主鏈結(jié)構(gòu)決定的，分子結(jié)構(gòu)改變，光譜性質(zhì)也就跟著改變[13]。Pdots的發(fā)射光譜為多色熒光（400～750 nm）且可發(fā)生紅移，這是因?yàn)镻dots分子鏈有效共軛長度可變，同時分子鏈間相互作用以及通過對其表面修飾和改性，使得其光譜紅移而發(fā)揮特定的功能[14-16]。

Pdots有很好的抗光漂白性能[10]，光漂白量子效率介于10-10～10-7之間，具有較高的光穩(wěn)定性。粒徑較大的Pdots有利于長時間示蹤[17]。Pdots生物毒性很低[18]，相比于其他量子點(diǎn)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有良好的應(yīng)用。

2 半導(dǎo)體聚合物量子點(diǎn)（Pdots）在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

2.1 用于細(xì)胞成像和活體成像

相較于其他無機(jī)化合物無量子點(diǎn)，Pdots因有機(jī)材料而表現(xiàn)出較好的生物相容性和較小的生物毒性，細(xì)胞能通過常見的內(nèi)吞作用機(jī)制吸收Pdots。而且Pdots在細(xì)胞成像和活體成像上的靈敏度和穩(wěn)定性均優(yōu)于傳統(tǒng)熒光物質(zhì)。McNeill等[10]首次實(shí)現(xiàn)用裸Pdots標(biāo)記巨噬細(xì)胞，隨后，該課題組[19]研究了活細(xì)胞水平上裸Pdots進(jìn)入細(xì)胞的途徑，發(fā)現(xiàn)沒有包覆層的疏水性裸Pdots也具有良好的生物相容性，細(xì)胞通過常見的內(nèi)吞作用機(jī)制吸收了裸Pdots，并最終到達(dá)細(xì)胞溶酶體中。通過包覆或內(nèi)嵌半導(dǎo)體聚合物進(jìn)入納米粒子而形成Pdots同樣通過內(nèi)吞作用進(jìn)行細(xì)胞標(biāo)記。比如用負(fù)載半導(dǎo)體聚合物的PLGA納米粒子溶液培育乳腺癌細(xì)胞（MCF-7），結(jié)果在細(xì)胞質(zhì)中檢測到高亮度熒光，表明納米粒子被有效地吸收了[20]。另一個系列實(shí)驗(yàn)中，Lee等[21]合成了共軛聚合納米粒子（CPdots），它能結(jié)合硅顆粒，再通過DoS系統(tǒng)偶聯(lián)多聚精氨酸和neu抗體能靶向SKBR-3乳腺癌細(xì)胞，用于檢測過表達(dá)的HER2。

雖然Pdots成功地標(biāo)記了細(xì)胞，但是這種內(nèi)吞作用是將細(xì)胞外液輸送至溶酶體的一種非特異性機(jī)制，即巨噬細(xì)胞并不能特異性識別Pdots表面，Pdots僅僅作為細(xì)胞外液被巨噬細(xì)胞吞噬輸送至溶酶體，因此Pdots不能進(jìn)行特異性標(biāo)記。Chiu課題組[17]利用大多數(shù)生物目標(biāo)分子容易與生物素結(jié)合的特點(diǎn)，首次采用羧基功能化的Pdots來共價偶聯(lián)鏈霉親和素和IgG形成Pdots-鏈霉親和素、Pdots-IgG熒光探針，并且利用倒置顯微鏡成像技術(shù)檢測了它們標(biāo)記特異性細(xì)胞的能力。用單克隆抗-EpCAM抗體培養(yǎng)的人體MCF-7乳腺癌細(xì)胞后，細(xì)胞表面的EpCAM受體成功地標(biāo)記上Pdots-IgG探針；反映了作為對照只是用Pdots-IgG培養(yǎng)人體MCF-7乳腺癌細(xì)胞時,細(xì)胞表面的EpCAM受體并未標(biāo)記上熒光探針。類似的，Pdots—鏈霉親和素探針經(jīng)培養(yǎng)后，同樣可以高效地標(biāo)記人體MCF-7乳腺癌細(xì)胞表面的EpCAM受體，并且不存在可檢測到的非特異性標(biāo)記。以上研究表明，Pdots標(biāo)記的二抗可用于細(xì)胞成像和活體成像。

因?yàn)樵谏矬w內(nèi)多存在光吸收、光散射以及自發(fā)熒光等光子限定干擾，使得活體成像難以用于臨床研究。但是Pdots設(shè)計出近紅外（NIR）Pdots熒光探針，能夠很好地解決上述問題。Uvdal等[22]首先利用BODIPY類染料摻雜聚芴衍生物通過Pdots內(nèi)部的多重能量轉(zhuǎn)移（FRET）得到了高亮度的近紅外熒光納米顆粒（NIR Pdots），可特異性標(biāo)記人乳腺癌細(xì)胞。

Chiu課題組[23]將聚合物 PFBT、紅光發(fā)射的聚合物PF-DBT5以及聚（苯乙烯-共-馬來酸酐）（PSMA）共摻雜，通過納米共沉淀法制得表面羧基功能化的的聚合物摻雜納米點(diǎn)（Pdots），通過內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)移，得到發(fā)紅光的Pdots，而Pdots表面的羧基可繼續(xù)與特異性抑制神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞藥物氯霉素（CTX）上的氨基共價偶聯(lián)，并將連接了CTX Pdots經(jīng)尾靜脈注射入小鼠體內(nèi)。共聚焦熒光成像圖像顯示在正常小鼠腦部基本上沒有發(fā)紅光的Pdots熒光，而腫瘤小鼠可在腦部腫瘤部位觀測到紅色熒光。

此外，近紅外Pdots由于其具有的超高熒光亮度、斯托克斯變化大、對組織細(xì)胞損傷小、優(yōu)秀的細(xì)胞定位能力、背景干擾較小等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于活體成像[16]。Liu課題組[24]將熒光分子 TPE-TPA-DCM摻雜聚合物PFV，包埋在牛血清白蛋白（BSA）中以得到近紅外發(fā)光的負(fù)載BSA的PFV/TPE-TPA-DCM的納米顆粒，由于TPE-TPA-DCM的吸收光譜與PFV的熒光光譜重疊性較好，通過能量轉(zhuǎn)移得到近紅外發(fā)光的熒光探針，隨后在BSA表面共價偶聯(lián)精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）多肽，成功應(yīng)用于整合素受體過度表達(dá)的癌細(xì)胞的細(xì)胞成像及活體靶向成像。Chan等[16]合成了近紅外熒光的喹喔啉-Pdots(quinoxaline-based NIR-fluorescent Pdots)第一次完成了活的斑馬魚胚胎體內(nèi)微血管成像，并評估了海拉細(xì)胞和斑馬魚胚胎的細(xì)胞毒性，展示出它們非常好的生物相容性，對細(xì)胞和亞細(xì)胞的標(biāo)記沒有任何明顯的非特異性組合。

Rao課題組[25]最近報道了首例基于利用生物化學(xué)發(fā)光能量轉(zhuǎn)移的探針進(jìn)行淋巴結(jié)映射和腫瘤靶向的研究。這些基于Pdots的生物化學(xué)發(fā)光探針提供腫瘤信號/背景信號超過100，通過對小鼠尾靜脈注射5 min后可清楚地觀測到皮下植入腫瘤直徑小于3 mm，該方法的靈敏性比傳統(tǒng)熒光成像至少高出一個數(shù)量級。

2.2 生物化學(xué)檢測

水溶性共軛聚合物熒光傳感器已廣泛用于生物醫(yī)學(xué)研究、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域[26-30]。Pdots具有高量子產(chǎn)率、大吸收截面和光穩(wěn)定好等優(yōu)點(diǎn)，并且易進(jìn)行表面修飾上羧酸類、胺類、鏈霉親和素、生物素、抗生物素蛋白等物質(zhì)，再與目標(biāo)物質(zhì)結(jié)合。因此，基于半導(dǎo)體聚合物量子點(diǎn)制備的高靈敏傳感器被廣泛關(guān)注，如基于Pdots傳感檢測O2、pH、金屬離子、重金屬離子、蛋白酶等已有報道。

相關(guān)課題組選擇Pdots作熒光探針定量分析測定環(huán)境中金屬離子。Chiu課題組[31]合成的紅光PFTBT Pdots和羧基功能化的綠光PFBT Pdots，實(shí)現(xiàn)對Fe2+和Cu2+的檢測。HgHarbron等[32]合成了羅丹明B內(nèi)酰胺染料摻雜的聚芴衍生物PFBT Pdots，實(shí)現(xiàn)了對水溶液中Hg2+的檢測，檢出限為0.7 ppb。之后，該課題組設(shè)計利用螺吡喃功能化的Pdots光敏化比率型、選擇性測定Cu2+。這種可逆光轉(zhuǎn)換比率型檢測Cu2+的線性范圍為0～60*10-6m，在生理濃度范圍內(nèi)。

Gao課題組[33]用三苯基磷衍生物、聚（9，9-二正辛基芴基）、聚（9，9-二辛基芴-4，7-二噻吩-2，1，3-苯并噻二唑）和聚（苯乙烯-co-順丁烯二酸酐）作為原料，通過納米共沉淀法制備了含線粒體靶向基團(tuán)的Pdots。然后將酸堿指示劑-剛果紅染料通過EDC催化的酰胺化反應(yīng)鍵合到Pdots表面，得到線粒體靶向、pH敏感的比率型探針。該探針具有較寬的pH檢測范圍，約為2.57～8.96，同時該P(yáng)dots探針具有快速響應(yīng)、良好的線粒體靶向定位能力、良好的可逆性、高靈敏度和測量精度，可用于活細(xì)胞內(nèi)pH的比率型監(jiān)測和成像。

Pdots同樣適用于蛋白檢測。Swager課題組[34]合成的苝衍生物，成功檢測了生物樣品中的蛋白酶含量。李瓊等[35]構(gòu)筑了一個測定CaDPA（細(xì)菌孢子的一個重要生物標(biāo)記）的比率型Pdot傳感器。傳感器顯示了出色的靈敏度和選擇性，檢測限為0.2 nm，是目前為止最佳性能的CaDPA傳感器。這項(xiàng)研究提供了一個有前途的敏感和快速檢測細(xì)菌孢子的平臺。

2.3 藥物載體及基因治療

為實(shí)現(xiàn)通過納米粒子專門向特定的病變組織運(yùn)輸藥物或其他物質(zhì)，人們在納米醫(yī)學(xué)發(fā)展中做出了大量努力[36-37]。作為藥物載體，疏水性的Pdots有很好的應(yīng)用[38]。這些難溶的藥物有希望通過摻雜或封裝進(jìn)Pdots運(yùn)送到病變組織，在病變組織中釋放藥物。有研究報道利用聚合電解質(zhì)和兩親性半導(dǎo)體聚合物制備的納米粒子能夠靜電吸附生物大分子作為給藥載體并運(yùn)輸藥物和基因[39-41]。

3 半導(dǎo)體聚合物量子點(diǎn)（Pdots）前景展望

半導(dǎo)體聚合物量子點(diǎn)（Pdots）所具有的特定優(yōu)異的光學(xué)特性，使得Pdots作為一類生物檢測和生物成像的優(yōu)良熒光納米探針展現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景，已成為分析化學(xué)與生物醫(yī)學(xué)及生命科學(xué)交叉領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。然而半導(dǎo)體聚合物量子點(diǎn)（Pdots）作為處于起步階段新的研究領(lǐng)域，還存在很多挑戰(zhàn)需要克服，如尺寸均一Pdots的可控制備、近紅外區(qū)Pdots熒光探針的設(shè)計、Pdots的光學(xué)性能（如亮度、發(fā)射峰寬度等）與其組成、尺寸的相關(guān)性、生物應(yīng)用等方面需要進(jìn)一步研究。隨著研究的不斷深入，Pdots有望在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。