量子点在生物医学领域的应用进展

量子点在生物医学领域的应用进展

【摘要】量子点是近年来发展起来的一种性能优异的新型荧光纳米材料，已成为纳米技术领域最受关注的研究对象之一，并成功应用于生命科学等领域。本文介绍了量子点的基本概念和性质，对量子点在生物医学领域的应用进行了综述和展望，指出了目前存在的问题和今后的发展方向。

【关键词】量子点；生物医学；荧光；纳米粒子

1量子点的概念及特性

量子点(Quantum dots, QDs) 又称半导体纳米微晶体，是半径小于或接近于激子玻尔半径的一类无机半导体纳米粒子，主要由ⅡB - ⅥA (如CdSe，CdTe，ZnSe 等) ，ⅢA-ⅤA( 如InAs，InP 等) 组成的，粒径在1—10nm，能够光致发光的半导体纳米晶。

QDs具有一般纳米微粒的基本性质如表面效应、体积效应和量子尺寸效应,具有宽的激发光谱、窄的发射光谱、可精确调谐的发射波长，正是基于量子点独特的光学性质使得它克服了传统的用于标记或衍生的荧光试剂如荧光素类、罗丹明类等有机化合物存在荧光量子产率低、易光漂白及发射光谱宽等缺点。QDs 所具有的优异的光谱性能，在生物化学、细胞生物学、分子生物学、生物分析化学等研究领域显示出极其广阔的应用前景，并逐步地应用于蛋白质及DNA的检测、药物靶向治疗、活细胞生命动态过程的示踪及动物活体体内肿瘤细胞的靶向示踪等生物分析与医学诊断领域，并取得了丰硕的研究成果［1］。

2量子点的应用

2.1 量子点在细胞成像中的应用

对单个活细胞的一些活动进程进行高效、灵敏的监测将有助于阐明一些重要的细胞生理过程和药物代谢机制，有利于了解生物体的复杂性以及动力学特征。发展特异性和选择性的QDs 是细胞和生物分子标记的一大挑战。经巯基乙酸修饰的QDs 连接到转铁蛋白上后，再把QDs-转铁蛋白同表面存在大量转铁蛋白识别受体的HeLa 细胞一起培养，发现其可以被HeLa 细胞表面的受体识别并吞噬进入细胞内部，首次实现了QDs 应用于离体活细胞实验[2]。Tokumasu等［3］用偶联了抗体的QDs 标记血红细胞膜上的Band3 蛋白，实验中观察到了Band3 蛋白在细胞膜上的分布，证实了可以通过QDs 的标记观察在疟原虫入侵时红血球细胞膜的变化情况。Orndorff 等［4］使用具有高亲合性的神经毒素修饰QDs，然后标记了内在表达的癌细胞蛋白，揭示了经神经毒素修饰的QDs 可以作为一种鉴定癌细胞存在的评估标签。

2.2 量子点在活体成像中的应用

Sungjee等人[5] 将量子点注射到小鼠的前肢皮下和猪的腹股沟皮下，通过荧光显像系统就可以观察到前哨淋巴结的位置，为外科术中找到前哨淋巴结创造了便利的条件。

Gao等[6]研制了一种多功能QDs 探针，能够对动物活体内的肿瘤进行靶向并同时成像。该小组用QDs 成功实现了裸鼠前列腺癌模型的非损伤性成像,在活体模型中肉眼即可清晰观察到肿瘤的部位，这给前列腺癌的诊断和预后的研究开辟了一条新的思路。

2.3 蛋白质研究与分析

QDs在蛋白质检测与研究中的应用近年来引起了人们很大的兴趣。Chan等[7]发现在牛血清白蛋白（BSA）中，多克隆抗体能识别量子点标记的免疫球蛋白（IgG），使QDs聚集在一起；相反，若没有这种抗体，QDs-IgG 结合体就良好地分散于BSA中。这一试验结果证明用量子点标记的免疫球蛋白分子（IgG）能识别专一的抗原和抗体。Wang等[8]将红绿两种QDs分别标记BSA 和抗牛血清蛋白抗体（IgG），当两者形成免疫复合物时，BSA上的红色QDs荧光增强，IgG 上的绿色QDs荧光相应减弱。Ravindran等[9]将QDs用于植物黏附蛋白的定位，并通过与传统的免疫荧光染色技术的结果相比，证明了QDs在实际应用中的优势。张雨琴等[10]采用光度法研究了L-半胱氨酸修饰的ZnS纳米粒子与牛血红蛋白的作用及对蛋白质二级结构的影响，拓展了QDs在生物样品研究中的应用。

2.4 靶向药物传输

癌症早期检测治疗是目前医学界的重大课题。如果能够针对癌症的特异性分子变化给予有效的诊治，将会大大改善治疗效果。近年来，新型靶向药物在临床实践中取得了显著的疗效，已表明靶向治疗理论的正确性与可行性，把癌症的治疗推向了一个前所未有的新阶段。大分子药物要命中靶标需要有很强的透过和保留在细胞内的能力［11］。Shi等［12］研制出一种具有多种功能的纳米组合装置。这种装置以纳米管为基体，纳米管外表面经特殊处理后可偶联QDs，这种QDs 可应用于体内癌细胞的局部示踪。由于QDs 发光很强，可用于深度组织的显像和表征。纳米管外表面在经过特殊的等离子体镀膜后，连接上一种识别癌细胞的抗体，以完成靶向锚定。纳米管的空腔用于储存抗癌药物，这种抗癌药物可以被定向地输送至癌细胞附近，并且可控地释放，以杀死癌细胞，从而达到局部治疗的作用。这种方法明显优于传统的全身化疗，为靶向药物传输和治疗提供了一种新的方法。

3 展望

QDs作为一类较为理想的荧光探针,它在生物医学中的应用已显示出诱人的前景。相信随着QDs 制备和标记技术的不断成熟,它必将成为新一代生物荧光标记物,在细胞成像、体内成像、疾病诊断以及研究生物大分子之间的相互作用等方面发挥独特的作用。但要真正实现QDs 在活体的应用,需要解决的问题还很

多，如低毒性或生物兼容性QDs性能的问题以及低毒性或生物兼容性QDs应用方面的问题。虽然低毒性或生物兼容性QDs有良好的生物相容性, 安全程度较高, 但是由于其使用过程将涉及到较多的生物环境问题,这些复杂环境将如何对QDs 的荧光性能和稳定性产生影响，QDs在生物体内的代谢过程机理又是如何进行的也都需要作更深入的系统研究。随着量子点科学的进一步发展，量子点的制备工艺也会有更大的提高，量子点与生物医学之间的关系也必将更加紧密，必将为人类的生命健康事业做出应有的贡献。

参考文献

[1] Michalet X, Pinaud F F, Bentolila L A, et al. Quantum dots for moleculari maging and cancer medicine[J].Science，2005，307: 538-544.

[2] Chan W C W, Nie S. Quantum Dot Bioconjugates for ultrasensitive nonisotopic detection[J].Science,1998,281(5385) : 2016-2018.

[3] Tokumasu F, Dvorak J. Development and application of quantum dots for immunocytochemistry of human erythrocytes[J].Journal of Microscopy，2003，211:256-261.

[4] Orndorff R L, Rosenthal S J. Neurotoxin quantum dot conjugates detect endogenous targets expressed in live cancer cells[J].Nano Lett., 2009, 9(7) : 2589-2599.