近紅外熒光納米粒子在腫瘤診斷的應(yīng)用及發(fā)展

薛 樂，鄧大偉

(中國藥科大學(xué) 工學(xué)院，江蘇 南京 210009)

1 癌癥的診斷與熒光成像

癌癥的晚期治愈率低，易轉(zhuǎn)移，因此癌癥的早期診斷一直是科學(xué)研究的熱門領(lǐng)域。癌癥的診斷主要依靠組織活檢和影像學(xué)檢查，活檢的臨床應(yīng)用較為普遍，但存在組織損傷問題或缺乏特異性，影像學(xué)一般采用核磁共振成像(MRI)、X射線CT等技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)非侵入診斷但是難以應(yīng)用于早期癌癥的篩查。熒光成像具有非侵入性、高靶向性和高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)分子水平的腫瘤診斷，在臨床上得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。本文重點(diǎn)介紹了基于近紅外熒光(NIR)成像的納米粒子在腫瘤診斷的應(yīng)用進(jìn)展，并對未來發(fā)展提出展望。

2 近紅外熒光納米粒子

相比較可見光發(fā)射的熒光探針，近紅外熒光納米粒子可以在光激發(fā)下產(chǎn)生近紅外波段的發(fā)射光(650～1000 nm)，因此可以用作近紅外熒光成像探針實(shí)現(xiàn)生物體內(nèi)的實(shí)時(shí)成像，同時(shí)還具有非侵入性，深部組織穿透性，低組織吸收性和高信噪比的優(yōu)點(diǎn)[4]。近紅外熒光納米粒子主要包括量子點(diǎn)(QDs)、金納米簇(Au NCs)、上轉(zhuǎn)化納米粒子(UCNPs)和熒光染料修飾的納米粒子等(圖1)。相比較單一的有機(jī)熒光染料，近紅外熒光納米粒子的發(fā)射光譜更易調(diào)控，而且抗光漂白能力強(qiáng)，熒光壽命強(qiáng)，生物相容性好[5]。同時(shí)納米粒子可以利用腫瘤細(xì)胞的高通透性和滯留效應(yīng)實(shí)現(xiàn)腫瘤靶向[6]，也可以修飾靶向分子實(shí)現(xiàn)腫瘤靶向。為了提高熒光穩(wěn)定性和生物相容性，還可以通過蛋白質(zhì)、脂質(zhì)體、細(xì)胞膜等修飾來制備仿生納米粒子[7]。因此近紅外熒光納米粒子非常適合應(yīng)用于腫瘤診斷，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域獲得了廣泛的關(guān)注。

圖1 近紅外熒光納米粒子

3 近紅外熒光納米粒子在腫瘤診斷的應(yīng)用

3.1 量子點(diǎn)

量子點(diǎn)(QDs)是一類準(zhǔn)零維的半導(dǎo)體納米材料，一般尺寸范圍在1～10nm。QDs具有熒光強(qiáng)度高，組織穿透能力強(qiáng)，熒光穩(wěn)定性高以及發(fā)射光譜窄等特性，被廣泛應(yīng)用于腫瘤診斷和生物醫(yī)藥領(lǐng)域[8]。

Ma等[9]開發(fā)了基于QDs熒光共振能量轉(zhuǎn)移原理實(shí)現(xiàn)癌癥診斷的策略,其改性的CdSe/CdS/ZnS QDs可以檢測早期非小細(xì)胞肺癌(NSCLC)組織樣品的啟動(dòng)子甲基化水平，以實(shí)現(xiàn)NSCLC的早期檢測。該組合探針可用于特異性選擇腫瘤相關(guān)基因的甲基化水平分析，具有早期檢測NSCLC的巨大潛力。Song等[10]利用GSH作為穩(wěn)定劑通過水熱法制備Zn3In2S6(ZIS)QDs，并利用陽離子交換將Ag+加入到Zn3In2S6(ZIS)中，合成了具有高量子產(chǎn)率和光致發(fā)光紅移的Ag-Zn-In-S(AZIS)QDs，且光學(xué)性質(zhì)可以通過控制合成粒徑進(jìn)行調(diào)控。AZIS改性的探針具有優(yōu)異的生物相容性，可以用于肝細(xì)胞癌細(xì)胞的靶向診斷。Zhu等[11]報(bào)道了一種西妥昔單抗共軛修飾的新型NIR熒光Ag2Se QDs，可以用于腫瘤的診斷。西妥昔單抗是一種臨床抗表皮生長因子受體抗體，與沒有西妥昔單抗的Ag2Se相比，修飾了西妥昔單抗的QDs具有更強(qiáng)的腫瘤靶向性，并且在原位舌癌部位更富集，提供了強(qiáng)對比度的近紅外熒光成像。此外，QDs還被廣泛運(yùn)用于雙模態(tài)成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)早期腫瘤的精確診斷，例如通過合成摻雜Gd3+離子的QDs可以結(jié)合近紅外熒光成像MRI成像，實(shí)現(xiàn)腫瘤特異性雙模成像[12]。Yang等[13]合成了Gd摻雜的CuInS / ZnS QDs，具有良好的熒光效率和高弛豫率，可以提供更全面準(zhǔn)確的腫瘤診斷。

3.2 金納米簇

金納米簇(Au NCs)是一類由保護(hù)劑與金原子結(jié)合形成的，粒徑在2nm內(nèi)的熒光納米材料。與QDs相比， Au NCs具有體積小，穩(wěn)定性好，熒光量子效率高的特點(diǎn)，因此具有應(yīng)用于早期腫瘤檢測的巨大潛力[14]。

基于腫瘤細(xì)胞過表達(dá)轉(zhuǎn)鐵蛋白受體，趙等[15]合成了轉(zhuǎn)鐵蛋白修飾的金納米簇，可以實(shí)現(xiàn)對超小腫瘤的近紅外熒光成像。該Au NCs具有腫瘤靶向性強(qiáng)，成像對比度高的優(yōu)點(diǎn)，而且具有良好的生物相容性，有望應(yīng)用于臨床的早期腫瘤診斷。Li等[16]將抗腫瘤藥物多柔比星負(fù)載到Au NCs中，在實(shí)現(xiàn)腫瘤診斷的同時(shí)充當(dāng)藥物載體，實(shí)現(xiàn)診斷治療一體化。Au NCs也可以通過摻雜Gd3+離子[17]或Fe2+離子[18]實(shí)現(xiàn)近紅外和核磁共振雙模成像，同時(shí)Au NCs復(fù)合物能夠保持良好的生物相容性和熒光量子效率，通過多模成像提高了腫瘤檢測的靈敏度。Xie等[19]以BSA為模板通過一鍋法合成了BSA-Au NCs，BSA外殼提供的仿生結(jié)構(gòu)大大提高了Au NCs的生物相容性，可以直接用于腫瘤的超靈敏靶向成像。

3.3 上轉(zhuǎn)化納米粒子

上轉(zhuǎn)化納米粒子(UCNPs)是指一類摻雜稀土離子，能夠反斯托克斯發(fā)光的納米材料，其可以通過將近紅外區(qū)域中多個(gè)光子的低能量轉(zhuǎn)換為具有高能量的單個(gè)光子，產(chǎn)生近紅外到可見光波長的發(fā)射光[20-22]。利用UCNPs可提供更深的組織穿透性和更高的信噪比，同時(shí)近紅外波長區(qū)域的激發(fā)可以有效減少組織自發(fā)熒光的干擾。

Liu等[23]使用NaGdF4:Yb,Er@NaGdF4上轉(zhuǎn)換納米顆粒檢測早期結(jié)直腸癌，納米粒子通過PEG修飾并偶聯(lián)葉酸配體，可以特異性靶向腫瘤部位。在NIR光激發(fā)后，早期直腸癌位點(diǎn)可以通過UCNPs發(fā)光清晰地成像，具有較高的對比度和精確度。Xue等[24]報(bào)道了具有近紅外發(fā)射波長的新型NaYbF4：Tm3+/Gd3+上轉(zhuǎn)換納米棒(UCNRs)可以用于小腫瘤的近紅外成像和核磁共振成像，該材料顯示出較強(qiáng)X的射線吸收系數(shù)，可以在體內(nèi)進(jìn)行CT成像。同時(shí)該材料具有較低的毒性，表現(xiàn)出優(yōu)異的生物相容性，可以通過NIR、MRI和CT多模成像提高小腫瘤的診斷精度。

3.4 熒光染料修飾的納米顆粒

利用有機(jī)熒光染料修飾納米顆粒可以克服游離染料的局限性，同時(shí)借助納米粒子的優(yōu)異性質(zhì)和熒光信號的放大，標(biāo)記納米粒子的NIR有機(jī)染料比游離染料發(fā)出更強(qiáng)的熒光和更好的光穩(wěn)定性，而且熒光染料修飾的納米顆粒更有利于結(jié)合其他成像技術(shù)如核磁共振成像(MRI)、正電子發(fā)射斷層掃描(PET)等實(shí)現(xiàn)腫瘤的多模成像。

近紅外熒光染料吲哚菁綠ICG被廣泛應(yīng)用于修飾納米粒子，并具有低自發(fā)熒光，深部組織穿透，低組織吸收的能力[25-26]。Zeng等[27]通過在金納米球上包被ICG標(biāo)記的介孔二氧化硅合成了結(jié)合近紅外熒光成像和光熱治療的納米粒子(Au @ MSNs-ICG)。該納米粒子具有良好的分散性和熒光穩(wěn)定性，可以通過近紅外和CT雙模式成像實(shí)現(xiàn)腫瘤診斷，在紅外光的激發(fā)下還可以通過光熱效應(yīng)有效消除腫瘤。Chen等[28]將金納米殼包裹在摻雜有氧化鐵和近紅外染料ICG的二氧化硅外延層中，并偶聯(lián)特異性腫瘤抗體，可以實(shí)現(xiàn)腫瘤的靶向近紅外熒光成像和T2加權(quán)的核磁共振成像。相比較未修飾靶向分子的納米粒子，這種納米復(fù)合材料提供了更準(zhǔn)確和清晰的腫瘤成像，同時(shí)該納米粒子也可以通過光熱效應(yīng)結(jié)合腫瘤診斷與治療。

4 總結(jié)與展望

近幾年，基于納米粒子近紅外熒光成像在腫瘤的診斷領(lǐng)域取得了很大的進(jìn)展。近紅外熒光納米粒子的熒光量子產(chǎn)率高，熒光穩(wěn)定性好，毒性低，信噪比好，而且光學(xué)性質(zhì)更易調(diào)控。但是近紅外熒光納米粒子的生物體內(nèi)代謝機(jī)制缺乏研究，也存在生物安全性問題如量子點(diǎn)具有一定毒性等。未來的主要研究方向是提高近紅外熒光納米粒子的生物相容性和腫瘤靶向性，例如合成仿生納米粒子等，同時(shí)將近紅外成像與其他成像技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)高精度多模成像，以及結(jié)合腫瘤治療與腫瘤診斷。隨著這些方向的研究不斷深入，近紅外熒光納米粒子在腫瘤診斷領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V闊的應(yīng)用前景。