長余輝納米診療劑的設(shè)計(jì)策略與應(yīng)用研究進(jìn)展

康 茹, 張紹安， 練惠旺， 陳星中， 李 楊*

(1． 廣東工業(yè)大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院， 廣東 廣州 510006；2. 廣州醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程系， 廣東 廣州 511436； 3. 廣東技術(shù)師范大學(xué) 光電工程學(xué)院， 廣東 廣州 510665)

1 引 言

長余輝發(fā)光是一種獨(dú)特的光學(xué)現(xiàn)象,不同于短壽命的光致發(fā)光，長余輝發(fā)光能夠在停止激發(fā)后仍然維持長達(dá)數(shù)秒、數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天的持久發(fā)光[1-4]。長余輝發(fā)光的獨(dú)特性質(zhì)主要取決于發(fā)光離子和有效陷阱[5-7]。其過程是發(fā)光中心在高能光激發(fā)下，電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，而激發(fā)態(tài)部分電子躍遷到基質(zhì)導(dǎo)帶成為自由電子時(shí)，部分電子被陷阱所捕獲；被捕獲的電子在熱激活或者其他物理作用下逃離陷阱，當(dāng)其重新躍遷回發(fā)光中心基態(tài)時(shí)，形成了長余輝發(fā)光。這種特殊的激發(fā)/發(fā)射分離現(xiàn)象，避免了光學(xué)成像中自體熒光和激發(fā)光在生物組織體內(nèi)光散射的干擾。因此，長余輝納米材料具備其他熒光標(biāo)記物所不具有的高分辨率、大成像面積和更便捷的操作模式等優(yōu)勢(shì)[8-14]。近幾年，長余輝納米材料在生物活體成像應(yīng)用領(lǐng)域逐漸成為了研究熱點(diǎn)。

目前，生物醫(yī)學(xué)診療一體化需求激增，長余輝納米診療劑具有高分辨的成像診斷、良好的生物相容性與可控的藥物負(fù)載釋放治療等優(yōu)勢(shì)，在臨床應(yīng)用上日益突顯出良好的應(yīng)用前景。然而，現(xiàn)有無機(jī)長余輝材料的單一功能限制了其在生物醫(yī)學(xué)診療方面的應(yīng)用前景，同時(shí)由于其無機(jī)屬性使得鈍化表面難以改性或負(fù)載藥物[15-21]。

近年來，針對(duì)生物醫(yī)學(xué)診療集成一體化需求，科研工作者提出了多種長余輝納米材料的設(shè)計(jì)策略，為發(fā)展集成化長余輝納米診療劑開辟了新道路與方向[22-23]。為解決上述問題，長余輝納米材料的開發(fā)應(yīng)遵循以下策略：(1)具有穩(wěn)定的余輝性能(初始余輝強(qiáng)度較強(qiáng)且余輝持續(xù)時(shí)間長)；(2)顆粒尺寸大小應(yīng)適用于生物體內(nèi)(<200 nm)；(3)具備示蹤、載藥-釋放等功能。因此，如何設(shè)計(jì)長余輝納米診療劑是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的研究課題。

目前，已發(fā)表的長余輝納米材料綜述文章都聚焦于長余輝納米材料的合成方法和生物應(yīng)用方面。例如，Wang等總結(jié)了長余輝納米材料在生物傳感、生物成像和癌癥治療方面的最新成果[3]。Sun等論述了長余輝納米材料在生物成像-診斷應(yīng)用領(lǐng)域的研究成果[10]。Liang等總結(jié)了近紅外長余輝納米材料的合成和應(yīng)用，討論了近紅外長余輝材料的發(fā)光機(jī)理[24]。然而，缺乏對(duì)長余輝納米診療劑設(shè)計(jì)策略的綜述。

本綜述論述了多種長余輝納米診療劑的設(shè)計(jì)策略，對(duì)如何解決關(guān)鍵問題進(jìn)行分析與討論，歸納了長余輝納米診療劑在生物成像和醫(yī)學(xué)診療方面的進(jìn)展，總結(jié)了長余輝納米診療劑的優(yōu)越性、在未來面臨的挑戰(zhàn)和應(yīng)用前景。

2 長余輝納米診療劑的設(shè)計(jì)策略

根據(jù)長余輝納米診療劑的強(qiáng)余輝、小尺寸、多功能的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，綜合近幾年來不同的設(shè)計(jì)策略，我們歸納了以下幾種結(jié)構(gòu)的長余輝納米診療劑。表1給出了不同設(shè)計(jì)策略對(duì)長余輝納米診療劑余輝特性和形態(tài)影響的比較。

表1 在顆粒大小、形貌控制、分散性、熱處理溫度和余輝時(shí)間方面，長余輝納米診療劑的設(shè)計(jì)策略比較Tab.1 Comparison of design strategies of persistent luminescence nanotheranostics in terms of particle size, morphology control, dispersion, heat treatment temperature and afterglow time

2.1 大空腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

負(fù)載藥物的納米載體要求具備較大的表面積與體積比，而長余輝納米材料在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)策略下不易達(dá)到該條件，且本身無機(jī)表面的鈍化作用進(jìn)一步加大了負(fù)載藥物的難度。下面介紹的長余輝納米診療劑的設(shè)計(jì)策略利用了長余輝材料構(gòu)建異型結(jié)構(gòu)從而增大其表面積(圖1)[25]，與普通的規(guī)則球體納米材料相比，該結(jié)構(gòu)具有大空腔和介孔結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)化學(xué)藥物或光敏劑高效率的負(fù)載[25-27]。

這種設(shè)計(jì)策略用碳球作為模板，通過水熱法將長余輝材料覆蓋在碳球的表面形成殼層，在高溫下煅燒，碳球受熱變成二氧化碳排出，留下了長余輝材料殼層，形成一個(gè)表面帶有氣孔的空腔(圖1(a))。這種設(shè)計(jì)策略的巧妙之處在于：(1)在碳球受熱排出過程中可以形成空腔和氣孔，增加了長余輝納米材料的表面積，從而有利于有機(jī)物的吸附或嫁接；(2)由于溫度升高，碳球氣化排出，殼層產(chǎn)生了一定程度收縮，使得該方法不僅有利于形成有效陷阱，而且避免了納米晶體團(tuán)聚現(xiàn)象[28]；(3)通過調(diào)整碳球模板的尺寸大小實(shí)現(xiàn)長余輝納米材料的尺寸可控可調(diào)(圖1(b)～(d))。與調(diào)整升溫速度、煅燒溫度、反應(yīng)時(shí)間等傳統(tǒng)方法相比，該策略突破了傳統(tǒng)方法的束縛，過程簡便，易于合成尺寸可控、大比表面積、高性能的長余輝納米材料，為實(shí)現(xiàn)多功能納米診療劑提供了可能。

除此之外，為實(shí)現(xiàn)長余輝納米材料載藥-釋放功能，需要對(duì)空腔長余輝納米材料進(jìn)行水分散性和生物相容性的性能改善，以進(jìn)一步完善長余輝納米診療劑的構(gòu)建。BSA(牛血清白蛋白)可以有效地將疏水性的長余輝納米材料轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性，從而改善其水相穩(wěn)定性。 Wang等使用BSA對(duì)空腔結(jié)構(gòu)的長余輝納米顆粒進(jìn)行表面修飾[25]，然后利用DOX(阿霉素)作為模型藥物，研究了BSA表面修飾的、空腔結(jié)構(gòu)的長余輝納米顆粒載藥和釋放功能。結(jié)果表明，無論是體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)還是活體實(shí)驗(yàn)均展示了這種長余輝納米診療劑的藥物負(fù)載-釋放能力以及對(duì)癌細(xì)胞或腫瘤的治療效果。

在已報(bào)道的納米診療劑研究中，也有類似的設(shè)計(jì)策略(圖1(e))。Zhang等設(shè)計(jì)了具有空腔的Si/C納米球作為DOX的載體[26]。而用同樣具備大空腔的長余輝納米診療劑作為藥物載體，可以更好地發(fā)揮激發(fā)-發(fā)射分離的獨(dú)特光學(xué)現(xiàn)象的優(yōu)勢(shì)，避免了成像中自體熒光和激發(fā)光在生物組織體內(nèi)光散射的干擾。

圖1 (a)大空腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖；(b)～(d)碳球的尺寸分別為150，300，500 nm情況下合成的大空腔結(jié)構(gòu)的長余輝納米診療劑的TEM(透射電子顯微鏡)圖[25]；(e)制備空腔PEG-Si/C-DOX NP的示意圖[26]。Fig.1 (a)Synthesis and functionalization of the hollow near-infrared(NIR) PLNPs. (b)-(d)TEM images of the synthesizing hollow PLNPs on 150, 300, 500 nm-sized carbon spheres, respectively[25]. (e)Schematic illustration of fabrication of hollow mesoporous PEG-Si/C-DOX NP[26].

2.2 嵌入模板設(shè)計(jì)

具有大表面積和孔體積的介孔二氧化硅納米顆粒(mSiO2)可以作為各種治療劑的有效載體[29-30]，而且mSiO2經(jīng)過官能團(tuán)、超分子或聚合物修飾后，可實(shí)現(xiàn)藥物載藥與釋放功能以及藥物輸送過程的高度可控性[31-33]。借鑒于這種效果，若是可以通過某種設(shè)計(jì)策略把長余輝納米材料嵌入到以mSiO2為模板的介孔中，則可以構(gòu)建一體化的長余輝納米診療劑。與上述構(gòu)建自身異型的大空腔結(jié)構(gòu)的長余輝納米診療劑不同的是，嵌入模板結(jié)構(gòu)的長余輝納米診療劑是通過mSiO2模板的多介孔結(jié)構(gòu)以增大表面積，并且介孔可以作為控制長余輝納米材料尺寸的框架。

這種嵌入模板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略大致分為兩步，第一步是合成mSiO2模板，對(duì)于合成mSiO2的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，許多研究已證明通過簡單的化學(xué)方法就能合成mSiO2，如Qian等在2009年通過水解和縮合方法合成了形貌尺寸均勻的mSiO2[34]。第二步是將原材料相應(yīng)的硝酸化合物溶液按比例混合，再加入mSiO2模板攪拌均勻，將混合物烘干后經(jīng)高溫?zé)崽幚淼玫角度肽０褰Y(jié)構(gòu)的長余輝納米診療劑[35-36]。這樣合成的長余輝納米顆粒嵌在mSiO2模板的介孔中，不會(huì)因高溫而造成顆粒的團(tuán)聚和過量生長(圖2(a))。這種嵌入模板結(jié)構(gòu)與大空腔結(jié)構(gòu)有異曲同工之處，既能解決高溫下尺寸增大而低溫下余輝強(qiáng)度低的問題，又能增大表面積，為后續(xù)的表面修飾和藥物負(fù)載提供了良好的表面特性。在Shi等的研究中，對(duì)于構(gòu)建嵌入模板結(jié)構(gòu)的長余輝納米診療劑，他們采用簡單直接的溶液攪拌混合的方法在mSiO2表面負(fù)載DOX[35]。圖2(b)～(d)顯示了這種結(jié)構(gòu)的載藥和釋放能力，在紫外線吸收光譜中可觀察到該長余輝納米診療劑和DOX在490 nm有同樣的吸收峰，然后在37 ℃的PBS(磷酸緩沖鹽溶液)中，60 h后有接近94%的DOX得到釋放。根據(jù)人類結(jié)腸癌細(xì)胞HT29活性實(shí)驗(yàn)顯示，負(fù)載了DOX的長余輝納米診療劑有著更好的抑制癌細(xì)胞活性的效果(圖2(d))。Li等用同樣的設(shè)計(jì)策略構(gòu)建了長余輝納米診療劑(圖2(e)～(f))[36]。在TEM和高分辨率TEM(HRTEM)圖像(圖2(g)～(h))中，可以觀察到微小的黑點(diǎn)(ZnGa2O4長余輝納米顆粒)均勻地出現(xiàn)在納米管的納米通道中，且長余輝納米顆粒約為2.6 nm。證明了這種設(shè)計(jì)策略有效地限制了長余輝納米顆粒的尺寸大小，并且可以實(shí)現(xiàn)顆粒形貌的均一性。

圖2 (a)嵌入模板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖；(b)mSiO2@GGO納米材料、游離DOX和mSiO2@GGO-DOX的紫外-可見吸收光譜；(c)在37 ℃的PBS中，載有DOX的mSiO2@GGO納米材料中DOX的釋放曲線；(d)mSiO2@GGO納米材料、培養(yǎng)24 h 后游離DOX和mSiO2@GGO-DOX在不同濃度下對(duì)HT29細(xì)胞的細(xì)胞活性檢測(cè)[35]；(e)嵌入模板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖(MSNs為介孔二氧化硅納米顆粒)；(f)mZGC的場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)圖像；(g)mZGC的TEM圖像；(h)mZGC的HRTEM圖像[36]。Fig.2 (a)Schematic illustration of the preparation of the mSiO2@GGO for multimodal imaging and cancer therapy. (b)UV-Vis absorbance spectra of mSiO2@GGO nanoparticles, free DOX and mSiO2@GGO. (c)Release profile of DOX from DOX-loaded mSiO2@GGO nanoparticles in PBS at 37 ℃. (d)Cell viabilities of the mSiO2@GGO nanoparticles, free DOX and mSiO2@GGO-DOX against HT29 cells at different concentrations for 24 h[35]. (e)Illustration of the synthesis of PL-functionalized MSNs. (f)FESEM images of mZGC. (g)TEM images of mZGC. (h)HRTEM images of mZGC[36].

2.3 多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙層結(jié)構(gòu)的長余輝材料，例如在表面涂覆硅的長余輝納米材料已被多次報(bào)道，并且在材料表面涂覆硅也已成為表面修飾的常規(guī)手段(圖3(a))[37-39]。進(jìn)一步研究和開發(fā)這種具有良好生物相容性的二氧化硅涂層體系的長余輝納米材料，對(duì)生物成像和藥物治療等應(yīng)用都具有益處。近年來出現(xiàn)的多層結(jié)構(gòu)長余輝納米診療劑，不僅表現(xiàn)出高強(qiáng)度的余輝和較長的余輝時(shí)間，還能夠抵御高溫影響，在形貌和尺寸方面保持規(guī)則和均勻，并且由于二氧化硅涂層的修飾作用，提高了水環(huán)境分散性。Dai等通過使用二氧化硅涂層制備形態(tài)可控的模板，設(shè)計(jì)合成了余輝性能增強(qiáng)的Gd2O3@mSiO2/ZGOCB(Zn0.97Ga2O3.97∶0.01Cr3+,0.02Bi3+)多層殼/核結(jié)構(gòu)(圖3(b))[40]。Lin等通過多層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)策略，搭建了單分散均勻形態(tài)以及具有良好生物相容性的長余輝納米診療劑[41]。

與大空腔結(jié)構(gòu)和嵌入模板結(jié)構(gòu)的高載藥性相比，在保證高強(qiáng)度余輝前提下，長余輝納米顆粒的單分散性是這種多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略的一大亮點(diǎn)，這對(duì)深層組織和體內(nèi)長時(shí)間的生物成像提供了巨大幫助。這種設(shè)計(jì)策略是通過水熱法使長余輝納米材料附著在納米球模板表面，最后在長余輝納米材料的外層再涂覆一層二氧化硅涂層(圖3(c))。由于硅球易于合成且形貌尺寸易于調(diào)控，用硅球作為模板可以方便地對(duì)長余輝納米材料的尺寸大小進(jìn)行調(diào)控。此外，最外層的二氧化硅涂層可以很好地把每個(gè)長余輝納米材料分隔開，在高溫處理下有效地防止顆粒團(tuán)聚，有利于設(shè)計(jì)單分散的納米材料。傳統(tǒng)水熱法合成的長余輝納米材料ZnGa2O4∶Cr3+分別經(jīng)過600，800，950 ℃的溫度處理后，導(dǎo)致了不同程度的團(tuán)聚現(xiàn)象，并且隨熱處理溫度越升高，團(tuán)聚現(xiàn)象越嚴(yán)重(圖3(d)～(g))。而經(jīng)過多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的ZnGa2O4∶Cr3+，同樣在600，800，950 ℃的溫度處理后，可以明顯觀察到納米材料依舊保持良好的分散性(圖3(h)～(k))。

圖3 (a)ZGOCS(ZnGa1.997O4∶Cr0.001Sn0.002)的制備和表面功能化示意圖[38]；(b)多層核/殼結(jié)構(gòu)納米探針Gd2O3@mSiO2/ZGOCB的合成示意圖[40]；(c)多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖；(d)～(g)未煅燒的ZnGa2O4∶Cr3+納米材料和分別在600,800,950 ℃的空氣中煅燒4 h后的ZnGa2O4∶Cr3+納米材料的TEM圖像；(h)～(k)未煅燒的SZGOS納米材料和在空氣中分別在600,800,950 ℃下煅燒4 h后的SZGOS納米材料[41]。Fig.3 (a)Schematic of the preparation and surface functionalization of ZGOCS[38]. (b)Schematic illustration of the synthesis of the core/shell structure nanoprobe Gd2O3@mSiO2/ZGOCB[40]. (c)Schematic illustration of the synthesis of SiO2@ZnGa2O4∶Cr3+@SiO2. TEM images of ZnGa2O4∶Cr3+ nanoparticles without calcination(d) and ZnGa2O4∶Cr3+ nanoparticles after calcination for 4 h in air at 600, 800, 950 ℃((e)-(g)), respectively. (h)SZGOS nanoparticles without calcination. (i)-(k)ZGOS nanoparticles after calcination for 4 h in air at 600, 800, 950 ℃, respectively[41]

2.4 納米團(tuán)簇設(shè)計(jì)

納米團(tuán)簇結(jié)構(gòu)指的是一種或兩種以上的納米材料以確定的幾何排列通過自組裝的方式團(tuán)聚成納米尺寸大小的團(tuán)簇，通過不同的納米材料雜化從而結(jié)合不同納米材料的特性，如光學(xué)特性、電化學(xué)特性、表面特性等[42-43]。通常，設(shè)計(jì)雜化納米簇結(jié)構(gòu)的過程是用疏水基團(tuán)修飾長余輝納米材料的表面，然后經(jīng)修飾的納米材料在兩親性溶劑中進(jìn)行多組分自組裝。多組分自組裝是一種利用相鄰納米材料相互作用而組裝的并具有把各種先進(jìn)材料的新功能和新性能進(jìn)行集成的新穎且有效的方法[44-45]。如2014年Chen等報(bào)告了一種將磁性納米粒子與熒光量子點(diǎn)共同組裝而形成的磁性熒光超納米粒子，可用作體內(nèi)多光子和磁共振雙峰成像探頭(圖4(a))[44]。2008年，Kim等搭建了多功能聚合物納米團(tuán)簇醫(yī)學(xué)平臺(tái)，負(fù)載在聚合物納米顆粒中的Fe3O4納米團(tuán)簇賦予了聚合物顆粒的磁性引導(dǎo)，提高了靶向效率(圖4(b))[45]。

2017年, Qiu等報(bào)道了一種由上轉(zhuǎn)換納米材料和長余輝納米材料組成的雜化納米團(tuán)簇，通過結(jié)合二者的光學(xué)特性，用980 nm激光進(jìn)行激發(fā)，并在700 nm處顯示余輝，以實(shí)現(xiàn)生物窗口的近紅外波段激發(fā)-發(fā)射，提供了一種極佳的消除自發(fā)熒光的方法[42]。他們選用了油酸作為修飾長余輝納米材料和上轉(zhuǎn)換納米材料的疏水溶劑，并置于DTAB(十二烷基三甲基溴化銨)中采用蒸發(fā)誘導(dǎo)方法進(jìn)行自組裝，隨后長余輝納米材料和上轉(zhuǎn)換納米材料同時(shí)被包裹在DTAB膠束內(nèi)。最后對(duì)該納米團(tuán)簇結(jié)構(gòu)用PEG(聚乙二醇)對(duì)納米團(tuán)簇進(jìn)行表面修飾(圖4(c)～(d))。PEG具有良好的水溶性、分散性，并與許多有機(jī)物組分有良好的相溶性[46-47]，已成為近年來常用作修飾長余輝納米材料或其他納米材料的表面修飾劑[16,48]。這種具有納米團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的長余輝納米診療劑可以達(dá)到在生物體內(nèi)被近紅外光反復(fù)激發(fā)的目的，極大地提高了生物成像的信噪比，并顯示了其作為更有效的癌癥早期診斷工具的潛力。

圖4 (a)CS-SPs(core-shell supernanoparticles)納米團(tuán)簇的形成示意圖[44]；(b)多功能聚合物納米團(tuán)簇的合成過程[45]；(c)納米團(tuán)簇設(shè)計(jì)及修飾示意圖；(d)納米團(tuán)簇場(chǎng)發(fā)射透射電鏡圖[42]。Fig.4 (a)Schematic of the formation of the CS-SPs[44]. (b)Synthetic procedure for the multifunctional polymer nanoparticles[45]. (c)Schematic diagram of hybrid nanocluster(NCPL-NC) composed of upconversion nanoparticles and PLNPs. (d)TEM image of UCPL-NCs[42].

2.5 MOF雜化設(shè)計(jì)

2012年，Lu等在NatureChemistry上發(fā)表了一篇有關(guān)將納米材料可控地包封到MOF(金屬有機(jī)框架)中的論文，提出了一種封裝策略可同時(shí)控制MOF基質(zhì)中摻入的納米材料的尺寸、組成、分散性以及空間分布，為有機(jī)-無機(jī)材料雜化及其生物應(yīng)用提供了一種新的思路和方法(圖5(a))[49]。MOF是永久的微孔材料，通過在適當(dāng)?shù)娜軇┲袑⒔饘匐x子與有機(jī)配體組裝在一起而合成[50-52]。MOF還具有晶體結(jié)構(gòu)，通常具有較大的表面積、均勻且可調(diào)諧的腔。這些特性使它們?cè)诙鄠€(gè)領(lǐng)域中得到了應(yīng)用，包括氣體存儲(chǔ)[53]、化學(xué)分離[54]、催化[55]、傳感[56]和藥物輸送[57-58]等。

Lv等利用MOF優(yōu)異的表面特性，開創(chuàng)了MOF雜化的長余輝納米診療劑的設(shè)計(jì)策略，以MOF作為長余輝納米材料的框架能夠更好地?cái)U(kuò)展生物方面的應(yīng)用(圖5(f))[59]。由于MOF是具備周期性微孔表面特性的金屬有機(jī)化合物，比上述所介紹的大空腔結(jié)構(gòu)以及嵌入模板結(jié)構(gòu)都更易于負(fù)載藥物，比如，MOF對(duì)DOX的負(fù)載量可高達(dá)93.2%。

圖5 (a)ZIF-8中納米顆粒的受控包封方案[49]；(b)MOF雜化的長余輝納米診療劑(PLNPs@ZIF-8)的合成；(c)長余輝納米顆粒的TEM圖像；(d)ZIF-8的TEM圖像；(e)PLNPs@ZIF-8 的TEM圖像[57]；(f)MOF雜化的長余輝納米診療劑用于成像和癌癥治療的設(shè)計(jì)示意圖；(g)在37 ℃下，pH值為7.4,6.5和5.5的PBS中ZGGO@ZIF-8-DOX納米粒子的DOX釋放曲線；(h)針對(duì)不同濃度的ZGGO@ZIF-8、ZGGO@ZIF-8-DOX和DOX的4T1細(xì)胞活性檢測(cè)[59]。Fig.5 (a)Scheme of the controlled encapsulation of nanoparticles in ZIF-8 crystals[49]. (b)Synthesis of long-lasting NIR persistent luminescent MOF (PLNPs@ZIF-8). TEM images of PLNPs(c), ZIF-8(d) and as-prepared PLNPs@ZIF-8(e)[57]. (f)Schematic illustration of the preparation of the ZGGO@ZIF-8 for multimodal imaging and cancer therapy. (g)Cumulative DOX release profiles of ZGGO@ZIF-8-DOX nanoparticles in PBS with pH values of 7.4, 6.5 and 5.5 at 37 ℃. (h)Cell viability of 4T1 cells against different concentrations of ZGGO@ZIF-8, ZGGO@ZIF-8-DOX and DOX. The cells were incubated at 37 ℃ for 24 h in the dark. Error bars were based on means±standard deviation(n=6)[59].

另外，人體正常的大部分體液pH=7.2～7.4，而腫瘤周圍的環(huán)境為微酸性[60-61]，在微酸性環(huán)境下，負(fù)載DOX的MOF材料能夠快速釋放且釋放得更充分，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)腫瘤定點(diǎn)藥物釋放是十分有利的(圖5(g))。圖5(h)的結(jié)果表明，MOF雜化的長余輝納米診療劑中負(fù)載的DOX可以在4T1細(xì)胞(小鼠乳腺癌細(xì)胞)中有效釋放。由此可見，這種MOF雜化的長余輝納米診療劑可實(shí)現(xiàn)無激發(fā)延遲成像以及pH響應(yīng)藥物遞送的雙重功能。2019年，Zhao等同樣通過MOF框架構(gòu)建了長余輝納米長余輝診療劑[57]。在這篇報(bào)道中，MOF雜化的長余輝納米診療劑是通過表面吸附誘導(dǎo)的自組裝方法在長余輝納米顆粒上原位生長MOF制備而成的(圖5(b))。圖5(c)～(e)表明，一個(gè)MOF框架可包封多個(gè)長余輝納米顆粒，在僅包封一個(gè)長余輝納米顆粒(圖5(f))的基礎(chǔ)上，增加了MOF與長余輝納米顆粒雜化封裝設(shè)計(jì)的可控可調(diào)性。

3 長余輝納米診療劑應(yīng)用

長余輝納米診療劑的開發(fā)和設(shè)計(jì)已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注。這是由于長余輝納米診療劑在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域(例如診斷性活體成像/示蹤和藥物負(fù)載-釋放治療)顯示出了巨大的應(yīng)用潛力，為癌癥診斷和治療提供了更多的可能性。

3.1 生物成像/示蹤

腫瘤轉(zhuǎn)移的早期發(fā)現(xiàn)對(duì)腫瘤的診斷和治療是非常重要的，也是具有挑戰(zhàn)性的。在過去的十年中，已經(jīng)報(bào)道了許多長余輝材料以提供獨(dú)特的光信號(hào)作為光學(xué)生物標(biāo)記或生物探針[12,62-63]。這些長余輝納米診療劑展示了在癌癥早期診斷、致癌機(jī)理分析以及癌癥治療方面的應(yīng)用潛力。Chuang等報(bào)道了長余輝納米診療劑對(duì)RAW 264.7細(xì)胞的非侵入性長期體內(nèi)追蹤[64]。Liu等報(bào)道了長余輝納米診療劑對(duì)乳腺癌細(xì)胞的實(shí)時(shí)追蹤以及對(duì)切除手術(shù)的指導(dǎo)[65]。Zhao等制備了含有水凝膠的長余輝納米診療劑用于靶向和無自發(fā)熒光的腫瘤轉(zhuǎn)移成像[21]。除此之外，在活體成像中，基于長余輝納米診療劑的長余輝成像具有更高的SNR(信噪比)、易于操作和高穿透性的特點(diǎn)，Qiu等報(bào)道了一種由上轉(zhuǎn)換納米材料和長余輝納米材料組成的雜化納米團(tuán)簇。如圖6(a)～(b)所示，這種納米團(tuán)簇診療劑能夠在體內(nèi)激活長余輝進(jìn)行活體成像，并且由于能在生物窗口反復(fù)激發(fā)，余輝持續(xù)時(shí)間不再是長余輝生物成像的限制[42]。從豬肉覆蓋實(shí)驗(yàn)(圖6(c))和體內(nèi)成像實(shí)驗(yàn)(圖6(d)～(g))中可以看出，在980 nm的激發(fā)下，這種納米團(tuán)簇的信噪比高達(dá)124.5，具有很強(qiáng)的穿透能力和高信噪比。Lu等報(bào)道了用于PL/CT(長余輝發(fā)光/電子計(jì)算機(jī)斷層掃描)雙峰成像的長余輝納米診療劑(圖6(h)～(i)),這種具有多模成像功能的納米診療劑可以作為具有高信噪比和良好空間分辨率的腫瘤成像的潛在工具[66]。生物成像可以直觀地表征個(gè)體水平，甚至細(xì)胞和分子水平上生物體的病理變化。因此，細(xì)胞成像和活體成像可用于動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)腫瘤發(fā)生和發(fā)展過程中的關(guān)鍵分子水平事件和癌癥轉(zhuǎn)移。

圖6 (a)傳統(tǒng)的紫外光激發(fā)長余輝生物成像示意圖；(b)近紅外光激發(fā)長余輝生物成像示意圖；(c)96孔板中200 μL、3 mg/mL 的納米團(tuán)簇水溶液在不覆蓋豬肉、覆蓋5 mm豬肉、10 mm豬肉的情況下，在體外不同波長激發(fā)光源(254 nm、365 nm、白色發(fā)光二極管LED以及980 nm)的余輝成像的平均強(qiáng)度，其中254,365,980 nm光的功率強(qiáng)度為100 mW/cm2，而白色LED光的功率則為10 W；(d)～(g)注射分別被254 nm、365 nm、LED和980 nm的光激活的納米團(tuán)簇(50 μL,3 mg/mL)后，在裸鼠的淋巴結(jié)處檢測(cè)到體內(nèi)淋巴結(jié)圖像[42]；(h)尾靜脈注射長余輝納米診療劑后HepG2荷瘤裸鼠的體內(nèi)長余輝發(fā)光成像；(i)尾靜脈注射長余輝納米診療劑后HepG2荷瘤小鼠的體內(nèi)CT成像[66]。Fig.6 (a)Schematic diagram of traditional UV-light-charged PL bioimaging. (b)Schematic diagram of NIR-light-charged UCPL bioimaging. (c)Mean intensity of PL imaging activated at different wavelengths of light in vitro, 200 μL of the 3 mg/mL UCPL-NC aqueous solution in a 96-well plate activated at 254 nm light, 365 nm light, white light-emitting diode(LED) light, or 980 nm laser covered without pork, with 5 mm of pork, or 10 mm of pork. The power intensity of 254 nm light, 365 nm light, and 980 nm laser was 100 mW/cm2, and the power of the white LED light was 10 W. (d)-(g)In vivo lymphatic images were detected at the lymph nodes of the nude mice after the injection of UCPL-NCs(50 μL, 3 mg/mL) activated at 254 nm light, 365 nm light, LED light, or 980 nm laser[42]. (h)In vivo persistent luminescence imaging of HepG2 tumorbearing nude mice after tail vein injection. (i)In vivo CT imaging of HepG2 tumor-bearing mice through tail vein injection[66] .

3.2 藥物負(fù)載-釋放

癌癥的治療方法包括手術(shù)切除、放射治療以及化學(xué)治療等。其中化學(xué)治療是最常用的癌癥治療方法之一，但其耐藥性和對(duì)健康組織的副作用或毒性等缺點(diǎn)限制了其臨床療效。而傳統(tǒng)的腫瘤切除手術(shù)一般采用CT、核磁共振(MRI)、超聲顯像、造影等方式對(duì)腫瘤的位置和形狀進(jìn)行導(dǎo)航及定位,存在定位不準(zhǔn)確、定位時(shí)間長以及對(duì)人體有毒副作用等缺點(diǎn)[67]。

近年來，研究人員進(jìn)一步探索了長余輝納米診療劑在癌癥治療中的應(yīng)用。因?yàn)殚L余輝發(fā)光可用于確定治療所需的準(zhǔn)確位置和時(shí)間，被稱為“影像引導(dǎo)療法”[68-69]。這些具有高藥物存儲(chǔ)容量和出色的長余輝發(fā)光能力的長余輝納米診療劑顯示出作為藥物載體和釋放治療的潛力。

Chen等構(gòu)建了脂質(zhì)體包裹的長余輝納米顆粒作為新型診療劑。由于脂質(zhì)體具有生物相容性和生物降解性的突出優(yōu)點(diǎn)，該新型診療劑已被廣泛用作生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的藥物載體[70]。Feng等開發(fā)了類似樹莓狀的Zn1.07Ga2.34Si0.98O6.56∶Cr (SiZGO)長余輝納米診療劑，用于增強(qiáng)長余輝成像和化療效果[71]。Lv等評(píng)估了ZGGO@ZIF-8-DOX(MOF雜化的長余輝納米診療劑)對(duì)4T1腫瘤小鼠的化療效果[57]。4組腫瘤小鼠內(nèi)注射30 μL的PBS、ZGGO@ZIF-8(0.54 mg/mL)、游離DOX(0.50 mg/mL)和ZGGO@ZIF-8DOX(1.04 mg/mL)作對(duì)比(圖7(a))，ZGGO@ZIF-8-DOX組比游離DOX組具有更高的腫瘤抑制率，這可能歸因于DOX從ZIF-8框架的延遲釋放作用(圖7(b)～(c))。實(shí)驗(yàn)證明了MOF雜化的長余輝納米診療劑具有突破性的治療作用，在ZGGO@ZIF-8-DOX實(shí)驗(yàn)組中明顯地觀察到腫瘤細(xì)胞的壞死和凋亡，這表明ZGGO@ZIF-8納米診療劑是一種有潛力的藥物載體，可以在體內(nèi)腫瘤治療中實(shí)現(xiàn)響應(yīng)性藥物釋放。然而，除了這些設(shè)計(jì)策略外，對(duì)于長余輝納米診療劑的靶向性和治療效率還需要做更多的努力。

圖7 (a)治療前(0 d)和治療后(14 d)各組荷瘤小鼠的代表性照片；(b)14 d后切除的腫瘤的照片；(c)在14 d之內(nèi)，蘇木精和曙紅對(duì)腫瘤組織的染色(比例尺代表50 μm)[57]。Fig.7 (a)Representative photographs of tumor-bearing mice for each group before(0 d) and after(14 d) therapy. (b)Typical photographs of excised tumors in 14 d. (c)Hematoxylin and eosin staining of tumor tissues in 14 d. Scale bars represent 50 μm[57].

4 總結(jié)與展望

本文介紹了幾種用于生物成像和治療的長余輝納米診療劑的設(shè)計(jì)策略，這些設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)主要包括大空腔結(jié)構(gòu)、嵌入模板結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)、納米團(tuán)簇結(jié)構(gòu)和MOF雜化結(jié)構(gòu)。

聚焦于生物醫(yī)學(xué)診療面向一體化進(jìn)程和長余輝納米材料功能單一的問題，主要的技術(shù)難點(diǎn)在于兩方面的矛盾：(1)長余輝發(fā)光強(qiáng)度和形貌尺寸的博弈矛盾;(2)無機(jī)表面鈍化和多功能化要求的矛盾。通過長余輝納米診療劑的多種設(shè)計(jì)策略已經(jīng)從以下這幾個(gè)方面提高了其功能性：(1)光學(xué)性能。由于設(shè)計(jì)策略的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，如大空腔設(shè)計(jì)、介孔二氧化硅模板、二氧化硅涂層的高溫保護(hù)機(jī)制，長余輝納米診療劑仍可通過高溫煅燒產(chǎn)生強(qiáng)烈的余輝。(2)納米尺寸。由于模板的限制作用，如碳球的蒸發(fā)、介孔二氧化硅的微孔以及MOF周期性的微孔，即使在高溫下也可以防止長余輝納米診療劑的生長和附聚。(3)生物相容性。由于納米材料的鈍化表面，難以在生物體中實(shí)現(xiàn)良好的流動(dòng)性和相容性。但是，通過有機(jī)大分子或聚合物的修飾或封裝，使長余輝納米診療劑具有更好的分散性和穩(wěn)定性。(4)功能化。通過介孔結(jié)構(gòu)能夠嫁接生物大分子或藥物，以及MOF結(jié)構(gòu)對(duì)于微酸性環(huán)境的響應(yīng)性藥物釋放，都能夠進(jìn)一步拓展長余輝納米診療劑在治療方面的功能。

然而，長余輝納米診療劑在臨床應(yīng)用中仍然存在很大的挑戰(zhàn)。對(duì)于臨床應(yīng)用，除了診療劑的構(gòu)建外，還需要付出更多的努力，例如功效、價(jià)格、臨床安全性和降解等。未來可進(jìn)一步以核酸或細(xì)胞膜輔助構(gòu)建長余輝納米診療劑，發(fā)展無毒且“仿生”的長余輝納米診療劑[72-73]。盡管長余輝納米診療劑仍處于發(fā)展階段，但近階段的研究成果顯示了其優(yōu)異特性以及巨大潛力，使得它們會(huì)繼續(xù)對(duì)生物應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。我們相信長余輝納米診療劑是未來癌癥診斷和治療的有力候選者，希望這篇綜述可以為開發(fā)新型長余輝納米診療劑和多種應(yīng)用發(fā)現(xiàn)新的潛力和提供新的方向。