釓摻雜碳量子點的制備及其雙模態(tài)成像研究進(jìn)展

馬逸驊， 陳 琳， 楊永珍， 于世平， 蘇秀琴*

(1. 山西醫(yī)科大學(xué) 醫(yī)學(xué)影像學(xué)系， 山西 太原 030001；2. 太原理工大學(xué) 新材料界面科學(xué)與工程教育部重點實驗室，山西 太原 030024；3. 山西醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院 介入治療科， 山西 太原 030001)

分子影像是在細(xì)胞及分子層面對生物過程的表征與監(jiān)測技術(shù)[1]。目前單一分子影像技術(shù)已經(jīng)在疾病診斷及治療中普遍應(yīng)用，如磁共振成像(MRI)、正電子發(fā)射斷層成像術(shù)(PET)、單光子發(fā)射計算機(jī)斷層成像術(shù)(SPECT)等，但其分辨率、靈敏度等需要改進(jìn)。雙模態(tài)分子探針是指將兩種不同類型分子影像探針結(jié)合，使這兩種成像方式同時用于疾病的診斷和治療，不僅突破了單一分子影像技術(shù)的瓶頸，而且不同分子成像方式得以優(yōu)勢互補(bǔ)，最重要的是拓寬了分子影像技術(shù)在診斷及治療等方面的研究范圍和應(yīng)用前景[2,3]，因此逐漸成為研究熱點。目前，已有多種雙模態(tài)分子探針誕生，如熒光-MRI探針、PET-MRI探針、PET-光學(xué)分子探針、超聲-光學(xué)探針等。其中，熒光-MRI雙模態(tài)分子探針由于具有優(yōu)越的光學(xué)成像及高分辨結(jié)構(gòu)組織成像特點，其研究進(jìn)展及應(yīng)用引人注目。

MRI具有軟組織分辨率較高、多序列成像、無輻射危害、多參數(shù)等特點，對癌癥的早期診斷有較大貢獻(xiàn)，但其靶向性和靈敏度較低。雖然熒光成像靈敏度高，但其對軟組織分辨率低，因此將熒光成像與MRI相結(jié)合，構(gòu)建熒光-MRI雙模態(tài)分子探針，既能提高軟組織分辨率又能提高靈敏度[4]，并且MRI還可以提供功能顯像信息，例如波譜分析、擴(kuò)散成像等。傳統(tǒng)的熒光探針種類繁多，例如熒光碳量子點、半導(dǎo)體量子點、熒光硅點、金屬納米簇等，其中碳量子點(CDs)是一種熒光性能良好的生物熒光分子探針。與傳統(tǒng)的有機(jī)熒光染料相比，CDs抗光漂白能力強(qiáng)、熒光穩(wěn)定性高、激發(fā)及發(fā)射光譜寬且連續(xù)[5]，并且具有低細(xì)胞毒性、表面易官能化、良好的生物相容性等優(yōu)點，使其在雙模態(tài)熒光分子探針方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

釓摻雜碳量子點(Gd-CDs)是一種新型納米顆粒，同時也是一種典型的熒光-MRI雙模態(tài)分子探針。釓離子是一種具有強(qiáng)順磁性的金屬離子，其螯合物具有7個未配對電子，可產(chǎn)生強(qiáng)大的磁矩,能明顯縮短T1弛豫時間，這種獨(dú)特的性質(zhì)使其已廣泛用于MRI造影劑[6-9]。Gd-CDs作為熒光探針和藥物載體，將藥物靶向運(yùn)輸?shù)侥[瘤，可提高治療腫瘤的效果；同時通過熒光成像和MRI相結(jié)合的雙模態(tài)影像檢測技術(shù)，將腫瘤監(jiān)測、診斷和治療一體化，不僅可以實現(xiàn)腫瘤病程動態(tài)監(jiān)測，也會減少對周圍正常組織的毒副作用[10]，這使其在腫瘤的靶向性成像及治療領(lǐng)域具有較優(yōu)越的應(yīng)用潛力。

本文對Gd-CDs的合成、特性以及在雙模態(tài)成像中的應(yīng)用進(jìn)行闡述，系統(tǒng)綜述了Gd-CDs在腫瘤診斷和治療中最新的應(yīng)用研究，同時針對目前存在的問題，對未來研究進(jìn)行展望。

1 Gd-CDs的合成

CDs的制備分為自上而下法與自下而上法兩種，目前文獻(xiàn)報道Gd-CDs的合成方法多為自下而上法。自下而上法是指將含碳小分子物質(zhì)進(jìn)行炭化、高溫來制備CDs的方法，這種方法可以更加有效地控制CDs的形狀、大小[11]。Gd-CDs的合成方法有水熱法、微波法和燃燒法等。釓離子以摻雜的方式與CDs結(jié)合，利于控制所得Gd-CDs的粒徑，粒徑較小的Gd-CDs雙模態(tài)分子探針能夠更容易地進(jìn)入細(xì)胞并且更易于體內(nèi)代謝，生物相容性較高。

1.1 水熱法

水熱法是一種對CDs形狀、尺寸、穩(wěn)定性和表面組成可控性較強(qiáng)的合成方法，主要是指在反應(yīng)釜高溫高壓的條件下，將小分子碳源及釓源加入到溶劑中制備產(chǎn)物的方法。水熱法制得的CDs具有良好的熒光性能及較高的熒光量子產(chǎn)率[11]。并且水熱法反應(yīng)溫度較低，可以避免釓離子在碳化過程中的損失。

袁雪霞等[12]以釓噴酸單葡胺為原料，采用一步水熱反應(yīng)制備CDs的前驅(qū)體。在此反應(yīng)中，釓噴酸單葡胺同時作為釓源及碳源，且水溶性較好。一步水熱法制備的Gd-CDs保證了雙模態(tài)分子探針的整體性，得到的Gd-CDs平均尺寸僅1.60 nm，粒徑分布在0.5～2.75 nm之間，粒度分布較窄，顆粒較均勻，這也是水熱法的優(yōu)勢所在。Yu等[13]以檸檬酸及氯化釓為原料用水熱法制備了Gd-CDs，如圖1所示，以檸檬酸為碳源的原因是其與其它無毒酸相比能提供更多的羧基，這些羧基在CDs形成過程中可螯合釓離子，同時大大提高熒光量子產(chǎn)率(高達(dá)69.86%)。

圖1 以檸檬酸及氯化釓為原料，通過水熱法制備Gd-CDs的流程圖[13]

1.2 微波法

微波法是指以微波短時間加熱使有機(jī)物碳化從而制備CDs的方法，它是一種耗時較短、操作簡單、對儀器要求較低、更為經(jīng)濟(jì)和綠色的方法。Yao等[14]將檸檬酸選作碳源，氯化釓為釓源，聚乙烯亞胺(PEI)作為鈍化劑，加入甘油中并充分混合溶解，微波加熱可以快速制備深棕色的Gd-CDs，如圖2所示。該研究發(fā)現(xiàn)微波反應(yīng)時間可影響碳源的碳化程度及Gd-CDs的粒徑，可實現(xiàn)對產(chǎn)物的調(diào)控。Gong等[15]通過微波法制備了Gd-CDs，選用蔗糖溶液為碳源、氯化釓為釓源，其粒徑大小約為5 nm，在高分辨透射電鏡下觀察晶格間距為0.334 nm，熒光量子產(chǎn)率為5.4%。

圖2 以微波法制備Gd-CDs的流程圖[14]

1.3 燃燒法

燃燒法是一種早期發(fā)現(xiàn)的在高溫下獲得CDs的方法。2014年，Chen等[16]采用燃燒法制備了Gd-CDs。實驗中選用釓噴酸葡胺同時作為釓源及碳源，先將釓噴酸葡胺干燥成粉末，然后在空氣中以300 ℃的溫度燃燒2 h，最終獲得碳?xì)ぐ彽慕Y(jié)構(gòu)；在高分辨透射電鏡下Gd-CDs的形態(tài)為納米球形，直徑約為12 nm，尺寸分布相對較窄；熒光量子產(chǎn)率為19.7%，與一些文獻(xiàn)報道的最高熒光量子產(chǎn)率接近。燃燒法操作步驟簡單，原料成本低，但其操作不易控制，所得Gd-CDs顆粒熒光性質(zhì)不太穩(wěn)定[17]。

2 Gd-CDs的性能

Gd-CDs由于具備優(yōu)越的光學(xué)特性、磁學(xué)特性和良好的生物相容性，在生物成像、細(xì)胞標(biāo)記和藥物靶向運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域獲得了極大關(guān)注。

2.1 光學(xué)特性

Yao等[14]制備的Gd-CDs表現(xiàn)出上轉(zhuǎn)換熒光特性，當(dāng)激發(fā)波長為760～860 nm，上轉(zhuǎn)換的發(fā)射波長藍(lán)移至400～600 nm處，最大發(fā)射峰穩(wěn)定在470 nm處。激發(fā)波長至紅外波段有許多優(yōu)勢，如對生物體無較大傷害、有較強(qiáng)的光穿透性等。Xu等[18]得到的Gd-CDs紫外吸收峰在290 nm處出現(xiàn)(如圖3)，證實由于n-π*的躍遷使得釓離子與CDs發(fā)生強(qiáng)相互作用；并且證實了在365 nm激發(fā)波長下，釓離子濃度越高，藍(lán)色熒光越強(qiáng)。

圖3 (A) Gd-CDs與CDs的紫外吸收光譜；(B) Gd-CDs在不同激發(fā)波長下的熒光光譜； (C) 不同釓離子濃度的Gd-CDs的明亮熒光圖像；(D) 在360 nm激發(fā)波長下Gd-CDs與CDs的熒光光譜[18]

Gd-CDs在紫外光的照射下可發(fā)出明亮的熒光且強(qiáng)度較高。同時，Gd-CDs在不同環(huán)境和條件下的熒光性能也較穩(wěn)定。Yao等[14]合成的Gd-CDs水溶液在氙燈1 h的連續(xù)照射下，熒光強(qiáng)度幾乎無變化。Chen等[16]制備的Gd-CDs在紫外光照射下持續(xù)24 h，熒光強(qiáng)度也不會發(fā)生變化。

2.2 磁學(xué)特性

磁性CDs是指將帶有順磁性的離子與具有熒光性的CDs相結(jié)合，使反應(yīng)得到的磁性CDs同時具有發(fā)射熒光的能力與核磁共振成像能力[19]。Gd-CDs具有較強(qiáng)的順磁性，在核磁造影劑方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

Gong等[15]通過微波法制得的Gd-CDs，隨釓離子濃度增加，T1相的MRI信號逐漸增強(qiáng)，弛豫值高達(dá)11.365 M-1·s-1。張麗等[20]提出Gd-CDs與釓噴酸葡胺的T1加權(quán)圖像信號隨Gd濃度的增加而逐漸增強(qiáng)，增大的弛豫效率可能與Gd-CDs較大的流體動力學(xué)半徑與表面積有關(guān)：Gd-CDs獲得更大的水力半徑及表面積，水分子就更易獲得，所以縮短了縱向弛豫和增強(qiáng)弛豫效率。其制備的Gd-CDs弛豫效率為6 mM-1·s-1，高于在相同條件下的核磁造影劑釓噴酸葡胺的弛豫效率(4.05 M-1·s-1)。He等[21]得到的Gd-CDs弛豫率分別為57.63和11.40 mM-1·s-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于醫(yī)用核磁造影劑釓噴酸葡胺的弛豫率(3.75 m M-1·s-1)。Yao等[14]證明Gd-CDs在T1和T2序列下的弛豫效率與其濃度呈明顯的線性關(guān)系，r1和r2分別為11.429和15.328 mM-1·s-1，r2/r1的值達(dá)到了1.35，與醫(yī)用核磁T1造影劑釓噴酸葡胺(r2/r1=1.1)相比具有更高的順磁性，說明獲得的Gd-CDs磁性超過常用的T1造影劑。

還有研究證實反應(yīng)溫度的改變會影響Gd-CDs的磁性大小。袁雪霞等[12]通過改變反應(yīng)溫度探究其對Gd-CDs磁性的影響，在220 ℃時得到的Gd-CDs弛豫時間最短為1187.9 ms，相應(yīng)的弛豫率最大值為9.87 m M-1·s-1。Gd-CDs較大的比表面積可能是其弛豫性能優(yōu)越的原因，這一特點使周圍水質(zhì)子與釓離子更易充分接觸。

目前， Gd-CDs的磁學(xué)特性在動物試驗中也得到了證實。Zheng等[22]用動物實驗驗證了Gd-CDs在核磁成像中的潛力，在不同時間點分別向小鼠體內(nèi)注射釓噴酸葡胺及Gd-CDs并獲得T1圖像，結(jié)果顯示：小鼠在注射釓噴酸葡胺30 min內(nèi)的MR信號達(dá)到高峰，在2 h內(nèi)為低信號，然而注射釓摻雜CDs的小鼠在12 h后仍然保持高信號，更重要的是在實驗中實驗組的MRI信號始終高于對照組(如圖4)。這些結(jié)果表明Gd-CDs可作為有效T1造影劑用于體內(nèi)成像。

圖4 向小鼠體內(nèi)注射Gd-CDs與釓噴酸葡胺前/后，在不同時間點(0.5 h、1 h、2 h、6 h、12 h)的(A) T1加權(quán)圖像；(B) 小鼠腎臟的信號強(qiáng)度[22]

2.3 生物相容性

Gd-CDs在生物體內(nèi)應(yīng)用，不僅需要具備優(yōu)異的熒光特性和磁性，還必須保證低毒性和生物相容性。在生物體內(nèi)游離的釓離子若不能進(jìn)行有效代謝，在體內(nèi)積聚會引起生物通路毒性，最終導(dǎo)致腎功能不全[23]。而釓離子與CDs螯合后會大大降低其細(xì)胞毒性，Gd-CDs的生物相容性甚至優(yōu)于其它核磁造影劑[24]。Yu等[13]以檸檬酸為碳源、氯化釓為釓源、乙烯三胺為表面修飾劑，用水熱法制備了Gd-CDs，在生物相容性實驗中，當(dāng)Gd-CDs的濃度為1 mg·mL-1時，HeLa細(xì)胞的成活率可達(dá)90%以上；延長培養(yǎng)時間至48 h時，其細(xì)胞成活率與單純在CDs溶液中培養(yǎng)的HeLa細(xì)胞成活率幾乎一致，這證明釓離子和羧基的螯合阻止了釓離子的擴(kuò)散，Gd-CDs中的釓離子不會對HeLa細(xì)胞產(chǎn)生明顯的細(xì)胞毒性。袁雪霞等[12]證實Gd-CDs中的Gd3+是以螯合的方式摻雜于CDs中。用CCK-8法研究其對HeLa細(xì)胞的毒性，結(jié)果表明HeLa細(xì)胞在低濃度Gd-CDs的培養(yǎng)基溶液中的活度與空白對照組的活度相同，當(dāng)Gd-CDs培養(yǎng)基溶液濃度達(dá)到2 mg·mL-1時，HeLa細(xì)胞的活度才降低至80%。

研究者也證實了與目前臨床上常用的核磁造影劑相比，Gd-CDs的細(xì)胞毒性較低。Xu等[18]研究了Gd-CDs對HepG2細(xì)胞的細(xì)胞毒性，結(jié)果得到Gd-CDs培養(yǎng)基溶液中HepG2細(xì)胞活性為96%；同時在釓噴酸葡胺溶液中培養(yǎng)的HepG2細(xì)胞活性為90%，說明Gd-CDs具有細(xì)胞毒性低的特點；通過將Gd-CDs注入小鼠體內(nèi)，觀察小鼠各器官組織及體重變化來評價Gd-CDs在小鼠體內(nèi)的長期毒性，結(jié)果顯示實驗組與對照組相比，小鼠體重和組織器官未見明顯差異，此結(jié)果在生物體層面證實Gd-CDs具有良好的生物相容性。

3 Gd-CDs在雙模態(tài)成像中的應(yīng)用

Gd-CDs獨(dú)特的熒光特性和磁性，使其在各類細(xì)胞以及生物體內(nèi)可作為雙模態(tài)探針應(yīng)用，在體內(nèi)或體外成像領(lǐng)域都有著巨大發(fā)展前景。腫瘤在出現(xiàn)臨床癥狀之前，在細(xì)胞、分子水平就已發(fā)生了結(jié)構(gòu)和功能的變化，雙模態(tài)成像是腫瘤早期診斷、監(jiān)測及療效評價的重要手段。Gong等[15]為驗證Gd-CDs細(xì)胞成像的可能性，對注入Gd-CDs的大鼠神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)，對照組為未加入Gd-CDs的神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞。用共聚焦激光掃描顯微鏡觀察，當(dāng)激發(fā)波長為405 nm時，注入Gd-CDs的神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞發(fā)出明亮的綠光，而對照組未發(fā)出熒光，證明Gd-CDs可作為一種用于細(xì)胞成像的高效納米探針。

在生物成像中，相比單一熒光，多種熒光可以為細(xì)胞成像提供更精確的信息。Zheng等[22]用786-O人腎癌細(xì)胞和HO-8910人卵巢細(xì)胞來驗證Gd-CDs的細(xì)胞成像以及生物成像性能。研究發(fā)現(xiàn)，在不同激發(fā)波長下，注入Gd-CDs的兩種癌細(xì)胞發(fā)出紅色、綠色、藍(lán)色三種熒光，在共聚焦激光掃描顯微鏡下證實了Gd-CDs通過內(nèi)吞作用進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)而不進(jìn)入細(xì)胞核，在對細(xì)胞低傷害的前提下實現(xiàn)細(xì)胞成像，說明Gd-CDs具有良好的細(xì)胞成像和生物成像潛力。

Gd-CDs在生物體內(nèi)存在某種器官及腫瘤靶向性，這點可以在生物成像中得到驗證，此種特性使其在腫瘤靶向領(lǐng)域有很大的潛力。Xu等[18]以Gd-CDs為雙模態(tài)分子探針，觀察其在斑馬魚體內(nèi)的磁性成像和熒光成像。因為斑馬魚的胚胎是透明的，能夠觀察到Gd-CDs在胚胎體內(nèi)的運(yùn)輸過程；而且其發(fā)育時間短且易于控制，所以選擇其作為生物模型[25,26]。該Gd-CDs沉積在斑馬魚胚胎的絨毛膜上，與對照組相比較，當(dāng)Gd-CDs濃度逐漸升高時，MRI的信號也逐漸增強(qiáng)(圖5)。在胚胎內(nèi)的Gd-CDs的熒光及磁性不會發(fā)生改變，證實了Gd-CDs有作為雙模態(tài)熒光探針的潛力。將Gd-CDs注射進(jìn)大鼠體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)大鼠肝臟的MRI信號極大地增強(qiáng)，并且在肝臟切片上可獲得綠色熒光，證明Gd-CDs在肝臟有大量聚集。

圖5 不同濃度Gd-CDs孵育的斑馬魚胚胎的熒光(A)和MRI(B)圖像[18]

除了在細(xì)胞及器官等腫瘤生物成像中得到驗證，熒光-MRI雙模態(tài)分子探針被證實可用于術(shù)前影像的準(zhǔn)確監(jiān)測及術(shù)中導(dǎo)航，對于手術(shù)是否成功有重要影響。Chen等[27]將獲得的新型熒光-MRI雙模態(tài)分子探針用于小鼠原位肝癌腫瘤和肝內(nèi)轉(zhuǎn)移腫瘤的術(shù)前診斷及術(shù)中實時指導(dǎo)根治性切除，在術(shù)中向小鼠模型注射探針，MRI及熒光圖像均顯示出清晰的腫瘤輪廓，包括微小的腫瘤病灶。

4 結(jié)論與展望

綜上所述，研究者在Gd-CDs的合成、光學(xué)特性、磁學(xué)特性、生物相容性及雙模態(tài)成像中的作用等方面已獲得了重要的研究成果。Gd-CDs利用其自身熒光特性標(biāo)記腫瘤細(xì)胞，摻雜了釓離子使其具有核磁共振成像能力，并且具有良好的生物相容性，使其具有雙模態(tài)分子探針的潛力，成為集腫瘤的監(jiān)測和治療為一體，具有控制釋藥、靶向藥物轉(zhuǎn)運(yùn)、核磁成像能力的新型分子探針[24]。上述研究充分證實Gd-CDs作為一個新興的碳納米材料，已經(jīng)在生物領(lǐng)域產(chǎn)生了一定影響。但是，若要應(yīng)用于臨床研究，依然面臨很多挑戰(zhàn)和問題。

(1) 優(yōu)化Gd-CDs的合成和表征：目前，在Gd-CDs的制備中，碳源和釓源的選擇與最終產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)存在必然的關(guān)聯(lián)，碳源的選擇會影響產(chǎn)物的熒光量子產(chǎn)率，釓源選擇對產(chǎn)物磁共振成像能力有影響。而且在Gd-CDs制備過程中，反應(yīng)時間長短及反應(yīng)溫度高低也會影響釓離子在CDs中的摻雜程度。不同制備方式得到的產(chǎn)物粒徑不同，粒徑較小者更易進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)并且具有較快的自旋速率，但其弛豫率可能會減小。今后的方向是通過不同的原料以及制備方式、反應(yīng)條件的調(diào)控，研究其合成機(jī)理，探索出最優(yōu)的水溶性、穩(wěn)定性和弛豫率的雙模態(tài)分子探針。此外，目前還缺少能準(zhǔn)確又直觀地表征Gd-CDs結(jié)構(gòu)的方式。

(2) 探索腫瘤的特異性靶向治療：在雙模態(tài)分子探針表面修飾特異性靶向小分子如多肽、抗體等，將一種或多種腫瘤化療藥物負(fù)載在納米顆粒上，結(jié)合成具有靶向性的藥物制劑，可提高其對于腫瘤細(xì)胞的主動靶向性，為實現(xiàn)腫瘤的精準(zhǔn)治療提供可能，并突破目前癌癥化療效率低的瓶頸。同時可控制藥物在人體內(nèi)的釋放速度，并在很長一段時間內(nèi)維持血液內(nèi)的藥物濃度。目前，癌癥治療藥物的主流研究方向是構(gòu)建兼具主動及被動靶向的藥物控釋新系統(tǒng)，探索不同載藥體系的藥物釋放速度、穩(wěn)定性、精準(zhǔn)度，以有效地降低抗腫瘤藥物的毒副作用并達(dá)到治療癌癥的目的，雙模態(tài)藥物控釋新系統(tǒng)有望成為一種治療癌癥的新型有效手段。

總之，Gd-CDs依然面對許多難題與挑戰(zhàn)，為了解決上述問題還需納米技術(shù)與醫(yī)學(xué)相結(jié)合，拓寬Gd-CDs在雙模態(tài)分子探針領(lǐng)域的應(yīng)用，最終研發(fā)出新一代用于腫瘤診療的雙模態(tài)分子影像探針。