生物医学量子点研究

1QDs在生物医学中的应用

1.1在蛋白质分析中的应用QDs最初用于生物领域是应用于简单的生物大分子，链接方法是将QDs通过带有氨基或羧基的试剂修饰，调节溶液环境，通过QDs表面的功能基团和生物分子上的氨基或羧基实现共价偶联或静电作用等来完成QDs与生物大分子(蛋白质、核酸、生物酶等)的链接，目前这一领域的应用仍然非常活跃。Nie［9］等人将QDs用于非同位素标记的生物分子的超灵敏检测，使巯基乙酸处理过的ZnS包裹的CdSeQDs通过酰胺键与转铁蛋白结合，进而能被细胞膜上的受体离子通道识别，进入细胞内部，在结合或传输过程中没有明显的干扰作用。这表明利用这种方法可以研究活细胞中供体/受体之间的反应或分子交换。Goldman等［10］曾将QDs与抗体结合，成功地对葡萄球菌肠毒素和2，4，6－三硝基甲苯进行了荧光免疫分析。Ghazani等［11］将组织微阵列技术、光谱分析技术与QDs相结合，发展了一种用于定量测定肿瘤中蛋白质表达的新方法。Mahtab等［12］将具有特定结构的核酸序列吸附于QDsCdS上，QDs表面敏化发光行为则能区分“直线型”、“弯曲型”和“扭结型”的双链寡核苷酸，在探测核酸结构的方法上有了创新。Koji等［13］构建了一种更新颖、快捷的蛋白质记录材料可根据光连接器提供的信息调整记录、阅读荧光蛋白的排列，清晰地读出蛋白质配体复合物的组成，该技术对生物芯片的微型排列具有重要的意义。

1.2在DNA分子研究中的应用QDs经过恰当的修饰可以与DNA分子进行连接。Ebenstein等［5］采用单QDs识别DNA结合蛋白。先将DNA与DNA结合蛋白交联，然后用偶联逆转录因子抗体的4种不同颜色的QDs标记上述交联复合物，经过一系列处理最后在单一光源的激发下，QDs于605nm、625nm、655nm及705nm发出绿、红、黄、白4种不同的颜色，通过荧光显微技术来分析判断蛋白质的位置从而能够确定DNA分子上的多个蛋白质的位置。Han等［14］利用不同颜色的QDs标记多色编码微珠与遗传物质条带连接，用于DNA杂交检测，在DNA的测序方面取得了突破性进展。Qi等［15］采用amphipol修饰QDs，amphipol具有交错的亲水性和疏水性侧链，可携带siRNA进入细胞质并保护siRNA防止其被酶解，实现了实时监测QDs-siRNA在细胞中的进出、内吞小体的逃逸、运输、传递过程，而这种多功能QDs的出现，也促进了实用基因组学和基因治疗学的研究。

1.3在活细胞及活体组织成像中的应用QDs荧光探针在多光子显微镜技术中的应用，使其在活组织中的多色成像成为可能。最早Dubertret等［16］将QDs胶囊注入非洲蟾蜍胚胎中观察其胚胎发育过程，发现胶囊QDs在生物体内很稳定，且毒性很低，不影响细胞生长和发育，也不易发生光漂白，是对QDs荧光探针用于活体组织的成功探索。Gao等［17］将QDs包于PEG-PLA中，连接麦胚芽凝集素(WGA-QDs-NP)后注入鼻腔，QDs经嗅觉黏膜组织进入大脑皮层细胞标记了大脑组织中的病变部位，促进了对中枢神经系统疾病的诊断和治疗方面的研究。Yum等［6］用纳米针将荧光QDs通过机械化学的方法渗透细胞膜进入活细胞的细胞质和细胞核，这较传统方法有了重大突破。Zhang等［18］利用CdHgTeQDs在近红外区针对裸鼠进行了荧光成像。结果显示近红外QDs荧光标记物具有更强穿透力、更易激发且检测灵敏度更高等优点，故可进行更长时间的生物体外和活体的实时跟踪和荧光检测，这标志着QDs作为新兴荧光标记物在活细胞生命动态过程示踪研究中将发挥极为重要的作用。

1.4在激素及生物因子研究中的应用QDs不仅可以在细胞水平及动物活体中应用，在细胞亚结构中甚至在激素和生物因子水平也有报道。Matsu-no［19］利用QDs的特性和激光共聚焦扫描显微镜对生长激素和泌乳刺激素及它们的mRNA进行了三维成像。Lidke等［20］将QDs标记到表皮生长因子上，通过激光共聚焦显微镜，观测到肿瘤细胞通过胞吞途径特异性摄取这种表皮生长因子的全过程。这些成果将为生长发育学和内分泌学的研究打开了一个新窗口。

1.5在肿瘤等疾病研究中的应用近年来QDs在细胞生物研究应用领域得到进一步拓宽，将QDs荧光探针用于肿瘤等疾病的研究具有突破性意义。早期Bawendi等［21］就提出利用近红外荧光QDs进行动物体内前哨淋巴结活组织检查的方法。他们将近红外QDs用多配位基配体包覆后注入动物体内进行整体成像发现，通过QDs标记，医生可看清lcm深组织下的前哨淋巴结，且可准确地指导手术进行，确保前哨淋巴结的完全切除。与传统的外科手术相比，前哨淋巴结的活组织检查可减少手术创伤，且检查结果更为准确。Yu等［22］用能靶向于肝细胞癌的甲胎蛋白抗体键合QDs作为荧光探针，通过整体的荧光成像系统对肝癌细胞进行成像来检测活体内的肝癌细胞。Tada等［23］采用背部皮肤固定器和高灵敏CCD高速共聚焦显微镜观察乳腺癌细胞特异性探针在老鼠体内的运动情况，这种高灵敏可视化示踪为癌症研究提供了新方法。Jiang等［24］将连接聚乙烯亚胺和透明质酸的QDs(PEI-HAQDs)注入B16F1细胞，结果显示在HA受体介导下，PEI-HA表现出对小干扰RNA(siRNA)特异的标识性能，而且PEI-HA-siRNA主要积聚在肝脏、肾脏和肿瘤。Bhirde等［25］通过将带有抗癌药—顺铂的QDs和表皮生长因子(EGF)分别偶联在单壁碳纳米管两端而把抗癌药带入癌细胞，并通过QDs观察抗癌药对癌细胞的作用，为癌症的治疗开辟了新天地。

2QDs作为荧光探针目前面临的挑战

QDs荧光探针技术最大的挑战就是如何克服其细胞毒性。最近Mahto等［26］对表面修饰的毒性进行了研究，发现不同修饰的QDs在细胞中的定位不同。共聚焦图像显示巯基乙胺MPA包裹的QDs主要分布在胞质区，而GA/TOPO(对表面配位基进行修饰)包裹的QDs在细胞中却没有发现。入胞的MPA包裹的QDs有良好的细胞相容性，而胞外的GA/TOPO包裹的QDs细胞毒性却很大。Li等［27］研究结果证实粒径大小对其毒性的影响，低于40μg/ml时，纳米级的CdSQDs毒性显著大于微米级的CdS。QDs的毒性机制仍需进一步研究，随着技术的发展，QDs的合成修饰有望走向“绿色化、低毒化”，为QDs更广泛的应用奠定基础。

3展望

QDs在很多领域的应用都还处于初期研究阶段，各国科学家都在为发掘其潜在价值而不懈努力。QDs的活细胞靶向和多元成像是当前国际研究的热点，但是如何有效包覆QDs并使其表面功能化，明确QDs在有机体内的代谢机理，进一步提高其生物相容性、降低其毒性，制备出荧光明亮、稳定、生物相容性好的QDs探针，是当前相关领域科学工作者今后研究的重要方向。随着研究的不断深入，QDs有望给生物化学、分子生物学、细胞生物学、基因组学、蛋白质组学、药物筛选、医学成像、生物芯片、溶液矩阵和生物大分子相互作用等多个研究领域带来重大突破。但要想真正实现它在生物医学领域的深入应用，除了在合成技术上不断优化，以期获得性能更加优异的QDs(如光学性质、生物适应性等)，还应该进一步完善其生物安全性评价的研究。