量子点在肿瘤检测中的应用进展

量子点在肿瘤检测中的应用进展

胡晓璐MG1530110生命科学学院药理学

摘要:量子点是一种新兴的半导体荧光材料, 耐光漂白, 激发光谱宽, 发射光谱可调。将量子点应用于生物医学检测领域, 可以解决传统有机染料发光时间短、不能同时多色检测等问题。水溶性量子点结合特定的生物分子后可以标记待测目标, 用于生物分子的分析检验和细胞标记、组织层次成像分析, 并能参与荧光共振能量转移(FRET)检测。本文简单地介绍了量子点独特的光学性质, 以及量子点在标记肿瘤和肿瘤成像等方面的应用。

关键词:量子点，肿瘤标志物，免疫探针

一、肿瘤早期诊断现状

癌症是一种恶性的严重威胁人类生命健康的疾病，目前各种癌症的发病率和死亡率居高不下，一方面是因为生态环境的日益恶化，另一方面是因为癌症病人在确诊时大都已是癌症晚期，很难治愈。有关癌症诊断与治疗的问题已经成为近20年来医学界研究的一个重大课题。由于很多恶性肿瘤的早期临床症状没有特异性，所以发现时多为晚期甚至发生恶性转移，从而失去手术治疗的最佳机会[1]。从世界各个国家的经验来看，控制这一疾病肆虐的关键在于预防，而早期诊断与早期治疗是降低死亡率最为有效的手段。

癌症的早期诊断比较困难，主要有两个原因，一是临床上患者早期多无明显症状体征，二是缺乏理想的敏感而特异性的诊断指标。近年来，临床肿瘤诊断技术发展迅速，常见方法主要包括影像学检查、病理学检查和肿瘤标记物检查等。其中检测肿瘤标志物对提高癌症的治愈率，对降低癌症的死亡率具有重要意义。

二、肿瘤标志物的生物学意义

肿瘤标志物（tumor marker，TM）是指细胞在癌变的发生、发展、浸润及转移过程中，由癌细胞分泌脱落产生的或者是由宿主对癌细胞反应而产生的，反映肿瘤存在和生长的一类活性物质，主要包括蛋白质、酶、激素及癌基因产物等[2-4]。这些物质不存在于正常人体内而只见于胚胎中或含量极低，其性质与正常组织和细胞所表达的物质和抗原有区别，相互不发生交叉反应，具有特异性，进入到体液或组织后，积累到一定程度可被检测出来[5]。理想的肿瘤标志物应具备以下特点：敏感性高，能早期检测；特异性好，能准确鉴别；有器官特异性，能对肿瘤定位；半衰期短，能反映动态变化；血清中浓度与瘤体大小、临床分期相关，可用来判断预后；测定方法精密度高、准确性高，操作简便，试剂盒价廉[6]。

之前，临床上主要通过检测单一肿瘤标志物的手段，诊断原发肿瘤。然而，单一肿瘤标志物检测不但不易早期发现肿瘤，而且在良性和恶性肿瘤的鉴别诊断、肿瘤发展程度的判断、肿瘤治疗效果的观察和评价以及肿瘤复发和预后的预测等方面都存在明显缺陷。因此在目前的临床实践工作中，人们往往联合检测多种肿瘤标志物，对肿瘤的预防和治疗提供了可靠的依据。可以说，依赖于肿瘤标志物灵敏、可靠、联合分析检测的早期诊断、早期治疗是征服肿瘤的关键[7,8]。因此，肿瘤标志物的灵敏检测方法成为近年肿瘤早期诊断领域的关键性课题。

三、纳米材料与量子点

纳米是一个微小的尺度单位, 1纳米是十亿分之一米(10-9m), 大约是单个原子直径的4倍。通过对在纳米尺度上新现象、新过程的观察, 纳米技术为人们提供了许多性能独特的工具、材料、器件和系统[9]。将纳米技术与癌症的早期检测结合起来，共同应用于肿瘤细胞、肿瘤组织的检测观察以及分析[10-13]等可以探测到癌症发生发展过程中的内部生物学特征，在分子水平对癌症进行早期检测与诊断。

量子点(quantum dots，QDs)又可称为半导体纳米微晶体(semiconductornanocrystal)，是一种由II-VI族或III-V族元素组成的纳米颗粒，粒径约1~100 nm，量子点具有非常高的激发重叠区，能吸收大量的激发光。量子点的荧光量子效率很高，一般是有机染料1000倍，可以检出浓度极低的目标分子，而检测灵敏度明显提高。与传统染料相比，QDs具有以下独特的光学特性[14,15]：（1）荧光发射波长可通过颗粒的化学组分和尺寸进行调控；（2）吸收光谱宽且连续，发射光谱窄而对称，通过单一波长光源激发不同尺寸量子点可产生多色荧光，从而实现一元激发、多元发射，应用于多通道同时检测；（3）光化学稳定性好，如CdSe/ZnS量子点的抗光漂白能力是普通荧光染料的10-100倍以上；（4）荧光量子产率较高（50-80%），具有较强的荧光信号，可极大提高分析灵敏度；（5）荧光寿命较长（20-50 ns），适用于时间分辨光学成像。因此，荧光量子点作为一种新型的无机荧光纳米材料，具有传统的荧光染料不可比拟的优势，其独特的荧光性质、优良的光谱特性和光化学稳定性受到越来越多的关注，广泛用于纳米尺度的化学生物传感与生物医学成像等领域。

四、荧光量子点的制备与表面修饰

（一）有机金属合成法

有机金属合成法是将有机金属前驱体烷基非金属或者烷基金属化合物溶液

溶入到250～400℃的配体溶液中，此时有机金属前驱体在高温下迅速溶解，新的成核晶核缓慢生长，逐渐长成为荧光量子点。20世纪九十年代，Murray等［16］研

究者将金属前驱体Cd(CH3)2和TOP－Se分别注入到剧烈搅拌的300℃TOPO配体

溶剂中，通过调节反应温度，合成了表面包覆了TOP/TOPO层的CdSe荧光量子点，其颗粒粒径为2.8～15nm。

（二）水相合成法

水相合成法［17］一般使用Se2 －或Te2 －作阴离子前驱体，Zn2 +、Cd2 +或Hg + 作阳离子前驱体，多官能团巯基小分子如巯基乙酸(TGA) 、巯基乙醇、谷胱甘肽(GSH)、半胱氨酸、巯基乙胺等选作保护剂，溶液经过加热回流，前驱体混合溶液使得CdTe量子点不断成核并且不断生长长大。在不同的合成条件下，荧光量

子产率可达20%～5O%左右。

（三）功能化修饰

1.巯基化合物修饰

巯基化合物修饰量子点主要是利用量子点表面的元素如镉、锌等与巯基之间较强的络合作用，基于巯基配体双功能分子来取代量子点表面的有机配体TOPO，使其从疏水性转变为亲水性，另一端的功能基团可与生物分子直接偶联。极性的羧基等赋予了量子点水溶性，同时游离羧基可通过偶联作用与蛋白质、多肽、核酸衍生物等生物分子的活性氨基反应形成较为稳定的荧光量子点。

2.核/壳化修饰量子点