石墨烯量子點(diǎn)在腫瘤診斷與治療中的應(yīng)用＊

李慧，倪頻越，繆臣琳，龔艷，喬瑋，陳付學(xué)，馮詩(shī)倪

上海大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，上海 200444

量子點(diǎn)(quantum dot, QD)是一種半導(dǎo)體納米晶體，其粒徑一般小于100 nm[1]。QD具有優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)，與傳統(tǒng)的有機(jī)染料相比，QD展現(xiàn)出更加卓越的光化學(xué)穩(wěn)定性、熒光量子產(chǎn)率、激發(fā)/發(fā)射光譜和生物相容性，因此逐漸被應(yīng)用于生物成像和傳感等領(lǐng)域[2-4]。石墨烯量子點(diǎn)(graphene quantum dot, GQD)是石墨烯材料的衍生物，其尺寸小于100 nm。GQD不但具備石墨烯的優(yōu)異性能，且由于量子點(diǎn)的邊界效應(yīng)和限域效應(yīng)使其具有獨(dú)特的光致發(fā)光性質(zhì)[5]。目前，基于GQD優(yōu)異的熒光特性、生物毒性低、化學(xué)惰性以及易于表面功能化修飾等優(yōu)勢(shì)，其在功能材料、催化、光電器件及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都得到了極為廣泛的應(yīng)用[3,6-7]。在惡性腫瘤等疾病的診斷與治療方面，可通過(guò)對(duì)石墨烯量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)修飾，逐步實(shí)現(xiàn)大量重要疾病標(biāo)志物的生物熒光檢測(cè)，進(jìn)而開(kāi)發(fā)多樣化的疾病診斷技術(shù)[8]。

惡性腫瘤是世界范圍內(nèi)公認(rèn)的人類生命健康的主要威脅之一[9]。惡性腫瘤的常用治療方式包括手術(shù)切除、放射療法和化學(xué)療法，這些方法廣泛用于治療各種類型的癌癥，但存在易復(fù)發(fā)、副作用嚴(yán)重以及多重耐藥性等缺點(diǎn)[10]。隨著科技的進(jìn)步，新型療法迅速發(fā)展，如靶向治療、嵌合抗原受體T(chimeric antigen receptor-T, CAR-T)細(xì)胞治療等，在一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)治療方法的不足，為惡性腫瘤患者帶來(lái)新的希望。靶向治療通過(guò)干擾特定分子以阻止腫瘤的生長(zhǎng)、發(fā)展和轉(zhuǎn)移[11]，以高度的特異性有效遞送藥物，與傳統(tǒng)化療相比毒性更小[12]。但是，由于分子靶向治療通過(guò)抑制對(duì)癌癥進(jìn)展至關(guān)重要的特定生物標(biāo)志物發(fā)揮作用，因此該治療僅對(duì)表達(dá)特定生物標(biāo)志物的腫瘤患者有效，同時(shí)也存在耐藥性風(fēng)險(xiǎn)[11]。CAR-T治療利用基因工程技術(shù)將T細(xì)胞進(jìn)行特異性改造用于腫瘤治療，解決了過(guò)繼性免疫細(xì)胞治療特異性不足和體內(nèi)缺乏持續(xù)殺傷作用的問(wèn)題[13]。然而，CAR-T細(xì)胞在與腫瘤靶細(xì)胞表面抗原結(jié)合后，可能會(huì)引起靶向/非腫瘤毒性；或由于注入的CAR-T細(xì)胞被廣泛激活，大量炎癥細(xì)胞因子釋放，引起靶向/腫瘤毒性[14]。新型療法的出現(xiàn)雖然在一定程度上解決了傳統(tǒng)腫瘤治療手段的缺陷，但是其本身也存在耐藥性、一定的毒性和治療效率較低等問(wèn)題，所以尋求高治療效率、高生物安全性的新型治療策略已經(jīng)成為癌癥治療的熱點(diǎn)[15]。

近年來(lái)隨著納米科技的迅猛發(fā)展，納米技術(shù)逐漸被開(kāi)發(fā)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，基于納米技術(shù)的藥物遞送系統(tǒng)在癌癥治療上的應(yīng)用已被廣泛研究(圖1)。利用納米材料設(shè)計(jì)并制備的藥物遞送系統(tǒng)能夠提高藥物的穩(wěn)定性，增加藥物的靶向性，增強(qiáng)腫瘤的治療效果，同時(shí)還能夠減少藥物的毒副作用[16-18]。此外，基于納米技術(shù)的治療方法可聯(lián)合傳統(tǒng)腫瘤治療方案，彌補(bǔ)單一治療方式的不足，實(shí)現(xiàn)生物醫(yī)學(xué)成像、藥物的共同遞送以及腫瘤的診斷與治療一體化[19-22]。納米技術(shù)與生物醫(yī)學(xué)的交叉融合也有助于納米治療藥物向臨床方向的轉(zhuǎn)化。

圖1 納米顆粒在診斷和治療領(lǐng)域的探索[23]

GQD具有諸多優(yōu)異的理化性質(zhì)及良好的細(xì)胞相容性，在細(xì)胞成像、藥物遞送和腫瘤的診斷與治療領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，是一種性能優(yōu)越的多功能納米材料。本文綜述了GQD的制備和性質(zhì)，以及其在生物成像、電化學(xué)傳感器、催化劑和光伏器件方向上的應(yīng)用，并著重介紹了GQD在藥物遞送、光動(dòng)力治療、光熱治療以及熒光成像與示蹤等腫瘤診斷與治療方面的研究進(jìn)展。

1 石墨烯量子點(diǎn)的制備及性質(zhì)

1.1 石墨烯量子點(diǎn)的制備

尺寸可調(diào)的GQD合成方法一般可分為自上而下法和自下而上法[24](圖2)。自上而下的方法主要包括化學(xué)氧化法、電化學(xué)氧化法、氧等離子體處理法和溶劑熱法等，一般是將石墨烯片、石墨或氧化石墨等材料切割成尺寸更小的GQD[25-28]；自下而上的方法主要通過(guò)微波法、溶液化學(xué)法、超聲波法等方法將小分子組合從而生成GQD[29-31]。通常，這些GQD具有富含羧酸功能的表面，可用于功能化修飾。此外，GQD的制備方法還包括電子束刻法和釕催化富勒烯法[32]。

圖2 GQD自上而下(a～c)和自下而上(d～f)合成：(a)氧化切割煤炭[25]；(b)氧化切割氧化石墨烯[26]；(c) Hummers法(氧化切割)和物理剝離[28]；(d)用去甲腎上腺素[29]；(e) 用六溴苯和甲苯[30]；(f)用檸檬酸[31]

1.2 石墨烯量子點(diǎn)的性質(zhì)

石墨烯量子點(diǎn)兼具石墨烯的片狀結(jié)構(gòu)和量子點(diǎn)自發(fā)熒光特性，除此之外，還具有一些獨(dú)特的理化性質(zhì)。

1.2.1 光學(xué)性質(zhì)

GQD具有較強(qiáng)的光學(xué)吸收能力，其吸光強(qiáng)度通常在紫外區(qū)域(260～320 nm)較強(qiáng)，且隨波長(zhǎng)增大而減弱直至可見(jiàn)光范圍逐漸消失[33-34]。GQD由于C=O鍵的n-π*躍遷和C=C鍵的π-π*躍遷，在230～280 nm波長(zhǎng)范圍產(chǎn)生一個(gè)吸收峰。GQD的光學(xué)吸收與石墨烯片上基團(tuán)及量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。當(dāng)制備方法及材料變化時(shí)GQD的粒徑發(fā)生改變，產(chǎn)生不同的吸收峰。

GQD可通過(guò)量子限制效應(yīng)產(chǎn)生可調(diào)諧的光致發(fā)光性(photoluminescence, PL)。GQD具有分層結(jié)構(gòu)和良好的結(jié)晶度，與碳量子點(diǎn)(carbon quantum dots, CQD)相比具有更高的PL量子產(chǎn)率。Zhu等[35]合成具有不同熒光的GQD，其熒光范圍可從紫外到紅光區(qū)域。與傳統(tǒng)的有機(jī)或無(wú)機(jī)熒光團(tuán)相比，GQD的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)包括不閃爍的光致發(fā)光性和優(yōu)異的光穩(wěn)定性，其中前者可用于單分子跟蹤，后者則允許長(zhǎng)時(shí)間實(shí)時(shí)成像。以氧化石墨烯為材料通過(guò)溶劑熱法制備的GQD，在低功率紫外燈或汞燈的照射下顯示出極弱的光漂白，僅在使用1 000 W高壓汞燈時(shí)才會(huì)觀察到PL強(qiáng)度的降低。Li等[36]發(fā)現(xiàn)堿輔助電化學(xué)法制備的碳量子點(diǎn)具有優(yōu)異的上轉(zhuǎn)換發(fā)光性能，其激發(fā)光波長(zhǎng)較長(zhǎng)且能量低，對(duì)生物組織的穿透力強(qiáng)、傷害較小，在生物醫(yī)藥領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值[5]。

1.2.2 電學(xué)性質(zhì)

與半量子點(diǎn)類似，GQD還具有電化學(xué)發(fā)光(electrochemiluminescence, ECL)特性。ECL是一種在溶液中的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象。作為一種分析技術(shù)，ECL結(jié)合了無(wú)背景光信號(hào)的化學(xué)發(fā)光分析和利用電極電位易于控制反應(yīng)電化學(xué)分析的優(yōu)點(diǎn)，還具備靈敏度高、選擇性好、響應(yīng)范圍寬等突出優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，研究人員發(fā)現(xiàn)許多半導(dǎo)體量子點(diǎn)具有ECL活性[37-38]，但通常穩(wěn)定性、生物相容性較差[39]。

碳基點(diǎn)(carbon-based dot, CD)作為一種發(fā)光納米材料，通常包括直徑小于10 nm的碳納米顆粒(即碳量子點(diǎn))和橫向尺寸通常小于100 nm的石墨烯納米片(即GQD)。研究發(fā)現(xiàn)，CD同樣具有ECL活性[40]。通常，GQD納米片，尤其是單層GQD，比CQD納米粒子具有更高的比表面積，這意味著GQD可能具有更豐富的表面態(tài)。因此，作為ECL發(fā)光體，GQD比CQD具有更大的應(yīng)用潛力[41]。而與CQD相比，GQD具有更穩(wěn)定的ECL和更接近0 V的起始電位，這可能是由于高含量的SP2碳加速了電子傳輸[9]。此外，氧化GQD由于含氧官能團(tuán)的增多而增加了GQD的發(fā)射位點(diǎn)，從而產(chǎn)生更強(qiáng)的電化學(xué)發(fā)光效應(yīng)。例如，由氧化石墨烯片制備的GQD水熱起始電位可低至0.4 V，在連續(xù)循環(huán)掃描中測(cè)得相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為1.0 %的穩(wěn)定ECL信號(hào)[42]。

1.2.3 界/表面性質(zhì)

除了光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)外，GQD還具有特殊的界/表面活性。通過(guò)控制不同的功能化基團(tuán)合成親水性、疏水性均強(qiáng)，或具有良好的兩親性質(zhì)的GQD；通過(guò)在GQD中引入不同的邊緣基團(tuán)，改變親水基團(tuán)與疏水基團(tuán)的種類數(shù)目，合成具有不同親水親油性質(zhì)的GQD，滿足不同表面活性需求[43]。Cho團(tuán)隊(duì)[44]將合成的親水性GQD在40°C條件下與N,N′-二環(huán)己基碳二亞胺偶聯(lián)和環(huán)氧開(kāi)環(huán)同時(shí)反應(yīng)，利用疏水性己胺改性，實(shí)現(xiàn)對(duì)GQD表面性質(zhì)由高度親水到完全疏水的廣泛控制。除此之外，將表面修飾的GQD的熒光特性和表面活性劑性質(zhì)有機(jī)結(jié)合還可以實(shí)現(xiàn)熒光標(biāo)記和生物成像的協(xié)同作用。Kuo團(tuán)隊(duì)[45]制備了氨基功能化的N摻雜GQD(amino-N-GQD)，與GQD相比amino-N-GQD表現(xiàn)出良好的雙光子發(fā)光特性和穩(wěn)定性，能夠作為有效的雙光子造影劑用于細(xì)菌的跟蹤和定位。

2 石墨烯量子點(diǎn)的應(yīng)用

2.1 生物成像

傳統(tǒng)的半導(dǎo)體量子點(diǎn)，如硒化鎘(CdSe)或硫化鎘(CdS)等已被用于體外或體內(nèi)光學(xué)成像實(shí)驗(yàn)[46]。然而，這些重金屬元素量子點(diǎn)常引起嚴(yán)重的健康和環(huán)境問(wèn)題。GQD具有低毒性、環(huán)保性和優(yōu)異的PL特性，是一種極具潛力的新型生物成像劑。Zackery等[47]利用天冬氨酸和半胱氨酸兩種天然前體，將N、S原子引入原始的量子點(diǎn)中合成熒光性能優(yōu)異、易于修飾的強(qiáng)熒光NSGQD。該量子點(diǎn)具有量子產(chǎn)率高、官能團(tuán)豐富等特點(diǎn)，且其在溶液和細(xì)胞內(nèi)的熒光成像不受銅等金屬離子的影響，有望成為一種優(yōu)良的生物成像熒光探針。Nurunnabi等[48]將GQD和聚多巴胺涂層的GQD(D-GQD)通過(guò)尾部靜脈注射到裸鼠體內(nèi)，4 h后觀察到GQD和D-GQD分布到心臟、肝臟、肺、脾臟和腎臟各個(gè)組織器官中，并且除肺部外其他器官內(nèi)D-GQD的熒光強(qiáng)度均高于GQD。

2.2 電化學(xué)生物傳感器

GQD具有自發(fā)熒光的性能，且其熒光強(qiáng)度與熒光發(fā)射波長(zhǎng)、環(huán)境溫度、pH值以及所處溶液的成分有關(guān)。因此，利用GQD的特殊性質(zhì)，可將其運(yùn)用于離子、分子或 pH值的檢測(cè)。Qu等[49]基于N摻雜GQD (N-GQD)，研制了用于酪氨酸酶(TYR)和酸性磷酸酶(ACP)活性檢測(cè)的一種高靈敏熒光生物傳感器。酪氨酸被TYR催化生成多巴醌，能有效地抑制N-GQD的熒光。在ACP的作用下L-抗壞血酸-2-磷酸(L-ascorbic acid-2-phosphate, AAP)被水解生成抗壞血酸(ascorbic acid, AA)，并將多巴醌還原為左旋多巴，從而使猝滅的熒光得以恢復(fù)。Cui等[50]制備了新型N和S摻雜的GQD(N,S/GQD)，并開(kāi)發(fā)了基于適配體的aptamer@Fe3O4@GQD@MoS2復(fù)合物。此復(fù)合物利用aptamer@Fe3O4@GQD配合物作為供體，MoS2納米片作為淬滅劑，能夠用來(lái)檢測(cè)癌細(xì)胞的生物標(biāo)志物，上皮細(xì)胞黏附分子(epithelial cell adhesion molecular, EpCAM)，因此可以快速識(shí)別和檢測(cè)腫瘤細(xì)胞。

2.3 氧化還原反應(yīng)催化劑

化學(xué)基團(tuán)和摻雜劑賦予GQD特定的催化性能。此外，GQD還通過(guò)帶隙排列、協(xié)同合作、形態(tài)調(diào)節(jié)、光吸附增強(qiáng)或促進(jìn)電荷轉(zhuǎn)移來(lái)提高許多催化劑的性能[51]。Qu等[52]利用電化學(xué)方法，以乙腈中的四丁基高氯酸銨作為電解質(zhì)，將N原子原位引入到GQD中，由此制備了具有富氧官能團(tuán)的N-GQD。該N-GQD具有發(fā)光和電催化活性。與不含N的對(duì)應(yīng)物不同，N-GQD中的N/C原子比約為4.3%，具有藍(lán)色熒光，展現(xiàn)出與Pt/C氧化還原反應(yīng)催化劑相當(dāng)?shù)碾姶呋钚?。除了作為氧化還原反應(yīng)的無(wú)金屬催化劑，N-GQD獨(dú)特的發(fā)光特性表明其在生物成像和發(fā)光二極管等許多領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。Chen等[6]合成一種由負(fù)載在鈦網(wǎng)上的三元鎳鈷磷化物和GQD組成的異質(zhì)復(fù)合材料(NCP/G NSs)，可作為全解水的高性能雙功能電催化劑，僅需119 mV過(guò)電位即可達(dá)到100 mA?cm-2的電流密度。在堿性介質(zhì)中，電流密度為10 mA?cm-2時(shí)，全解水的工作電壓為1.61 V，優(yōu)于當(dāng)前工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Pt/C-RuO2(1.73 V)。

2.4 光伏器件

膠體GQD具有良好的光電性能和溶液加工性能，因此在低成本、上轉(zhuǎn)換PL和高性能光伏器件，如有機(jī)/無(wú)機(jī)混合太陽(yáng)能電池、GQD敏化太陽(yáng)能電池和有機(jī)發(fā)光二極管等領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景。Du等[53]利用GQD與3,4-乙烯二氧噻吩聚合物(3,4-ethylenedioxythiophene, PEDOT)鏈之間π-π鍵的強(qiáng)相互作用以及GQD與聚苯乙烯磺酸(polystyrene sulfonic acid, PSS)鏈之間親水基團(tuán)的強(qiáng)相互作用，致使PEDOT鏈與PSS鏈解耦和相分離，所得微結(jié)構(gòu)(P-GQDs-10)同時(shí)提高了PEDOT:PSS的電導(dǎo)率和塞貝克系數(shù)。優(yōu)化后的PEDOT:PSS/GQD復(fù)合材料的功率因數(shù)比原PEDOT:PSS提高550 %，可用于光伏器件中電荷的高效傳輸。

3 石墨烯量子點(diǎn)在腫瘤治療中的應(yīng)用

GQD作為一種新型的碳納米材料，自發(fā)現(xiàn)以來(lái)的短短幾年內(nèi)，從制備方法到在各個(gè)領(lǐng)域的研究都取得重大突破，尤其在腫瘤治療的藥物遞送系統(tǒng)、光動(dòng)力療法、光熱治療、熒光成像與示蹤等方面取得了豐富的研究成果。

3.1 光動(dòng)力療法

光動(dòng)力療法(photodynamic therapy, PDT)是一種微創(chuàng)治療方式，廣泛應(yīng)用于各種癌癥的臨床治療[54-55]。PDT對(duì)腫瘤具有高度選擇性，不會(huì)對(duì)周圍組織造成嚴(yán)重?fù)p傷。PDT中，在適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射下的光敏劑(PS)通過(guò)從光激發(fā)的光敏劑分子到氧分子的能量轉(zhuǎn)移產(chǎn)生活性氧1O2(reactive oxygen species, ROS)，例如單線態(tài)氧[56]。有效的PDT需要3個(gè)關(guān)鍵組成部分，光敏劑、光和氧。這三者的結(jié)合導(dǎo)致了活性氧的產(chǎn)生，打破了氧化還原平衡，并通過(guò)細(xì)胞凋亡和/或壞死激活與細(xì)胞死亡信號(hào)傳導(dǎo)啟動(dòng)有關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子。PDT的效果主要取決于單峰氧的產(chǎn)量和PS產(chǎn)生的其他活性氧，而該產(chǎn)量取決于所涉及的PS的性質(zhì)[57-58]。Lin等[59]報(bào)道了一種由石墨片剝離和崩解而成的多功能GQD，它不僅具有理想的發(fā)光特性、高單線態(tài)氧產(chǎn)量，而且具有較小的生物毒性。Ju等[56]通過(guò)熱分解檸檬酸合成N原子摻雜的GQD光敏劑，通過(guò)控制N摻雜量來(lái)調(diào)節(jié)GQD活性氧的生成，以實(shí)現(xiàn)效率可控PDT。實(shí)驗(yàn)證明優(yōu)化與GQD結(jié)合的N原子數(shù)量，可以顯著提高ROS產(chǎn)量，而無(wú)需使用額外的光敏劑(圖3)。此外，該研究利用電荷反轉(zhuǎn)(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷((3-aminopropyl)triethoxysilane, APTES)在量子點(diǎn)表面進(jìn)行核靶向給藥的共軛修飾制備NGQD-DOX-APTES，將其作為藥物載體和光敏劑能同時(shí)實(shí)現(xiàn)核靶向藥物傳遞和高濃度活性氧生成。這為開(kāi)發(fā)多功能的納米生物醫(yī)學(xué)治療平臺(tái)提供了一種有前景的策略。

圖3 DOX、N-GQD-DOX 和 N-GQD-DOX-APTES在MDA-MB-231細(xì)胞內(nèi)活性氧的生成[56]

3.2 光熱療法

光熱療法(photothermal therapy, PTT)通過(guò)具有電磁輻射的光學(xué)吸收劑治療腫瘤等疾病。將具有較高光熱轉(zhuǎn)換效率的材料注入體內(nèi)，當(dāng)材料聚集于腫瘤組織時(shí)，通過(guò)外部光源(一般是近紅外光)的照射將光能轉(zhuǎn)化為熱能來(lái)殺滅腫瘤。當(dāng)PTT試劑吸收光時(shí)，電子從基態(tài)過(guò)渡到激發(fā)態(tài)，能量通過(guò)非輻射衰減而松弛，導(dǎo)致動(dòng)能增加，從而使吸光物質(zhì)周圍的局部環(huán)境過(guò)熱[60]。Cao等[61]設(shè)計(jì)了一種具有高單峰產(chǎn)氧能力和良好光學(xué)性能的量子點(diǎn)卟啉衍生物(GQD-PEG-P)，可用于腫瘤細(xì)胞的胞內(nèi)癌相關(guān)microRNA檢測(cè)和熒光成像。經(jīng)GQD-PEG-P處理的A549細(xì)胞在635 nm和980 nm激光照射下的細(xì)胞死亡率明顯高于對(duì)照組，這表明基于GQD-PEG-P的協(xié)同治療策略可高效清除癌細(xì)胞。Yao等[62]開(kāi)發(fā)了一種多功能協(xié)同化學(xué)光熱治療平臺(tái)，該體系以介孔二氧化硅納米顆粒(mesoporous silica nanoparticle,MSN)作為化療藥物鹽酸阿霉素(doxorubicin hydrochloride, DOX)載體，以GQD作為局部光熱劑。DOX加載的GQD-MSN不僅表現(xiàn)出對(duì)酸堿度和溫度敏感的藥物釋放行為，而且能夠有效地產(chǎn)生熱量，以滿足PTT的溫度要求。以乳腺癌4T1細(xì)胞系為模型的研究發(fā)現(xiàn)，GQD-MSN可被癌細(xì)胞高效攝取，且細(xì)胞毒性可忽略不計(jì)。重要的是，與單純的化療和PTT相比，DOX-GQD-MSN具有化療/光熱協(xié)同效應(yīng)和優(yōu)異的癌細(xì)胞殺傷作用(圖4)。

圖4 DOX-GQD-MSN的合成過(guò)程(a)及光熱曲線(b)[62]

3.3 藥物遞送系統(tǒng)

藥物遞送系統(tǒng)(drug delivery systems, DDS)通過(guò)吸附或包封等方式將藥物加載于納米材料中，形成藥物納米顆粒[63]。與游離藥物分子相比DDS具有明顯的優(yōu)勢(shì)，它能夠通過(guò)腫瘤組織疏松的血管孔隙進(jìn)入腫瘤組織，并在腫瘤部位產(chǎn)生高滲透和滯留效應(yīng)(enhanced permeability and retention effect, EPR)[64]。DDS不僅能夠?qū)崿F(xiàn)多種藥物共同遞送或靶向遞送，還能夠增加藥物的利用率，減少藥物的副作用，延長(zhǎng)循環(huán)半衰期并改善藥代動(dòng)力學(xué)[65-68]。

GQD較大的比表面積能與各種分子穩(wěn)定相互作用，與石墨烯納米片相比，其體積更小，生物相容性更強(qiáng)，更易于被細(xì)胞吸收且細(xì)胞毒性作用更小，因此被認(rèn)為是安全、有效的藥物傳遞載體[69]。Wang等[70]通過(guò)GQD與DOX的相互作用制備了穩(wěn)定的DOX/GQD結(jié)合物。DOX/GQD結(jié)合物能將DOX特異性地輸送到細(xì)胞核中，同時(shí)GQD還能夠提高DOX對(duì)DNA的切割活性。DOX在核內(nèi)累積濃度的提高和DNA切割活性的增強(qiáng)使其對(duì)耐藥型癌細(xì)胞具有更高的細(xì)胞毒性。Sung團(tuán)隊(duì)[71]受海綿啟發(fā)將GQD和光敏藥物負(fù)載于多孔二氧化硅，并在其表面包裹固定有西妥昔單抗的紅細(xì)胞膜制備了“納米海綿”。西妥昔單抗的腫瘤靶向性增加了納米顆粒在腫瘤部位的積累，在近紅外光照射下，“納米海綿”產(chǎn)生的熱量能夠觸發(fā)GQD和藥物的釋放，進(jìn)而有效地殺傷和抑制腫瘤(圖5)。

圖5 Ct-RBC@GQD-D/NS的合成(a)及體內(nèi)抗腫瘤研究(b)[71]

3.4 熒光成像及體內(nèi)示蹤

GQD的熒光穩(wěn)定性強(qiáng)、生物相容性高等特性使其在生物醫(yī)學(xué)成像與示蹤方面也得到了廣泛應(yīng)用。Iannazzo等[72]設(shè)計(jì)合成GQD-PEGBFG，并利用該納米材料與芘衍生物的穩(wěn)定π-π相互作用，將核黃素與GQD表面結(jié)合，使得此納米材料兼具靶向性和可用于體外追蹤的熒光特性。Ge等[73]以聚噻吩作為前體利用水熱法制備的GQD具有多種特性，包括從可見(jiàn)光到近紅外波段的廣泛吸收、良好的分散性、pH值穩(wěn)定性以及優(yōu)異的生物相容性，且具有較高1O2生成率，能夠作為多功能納米平臺(tái)用于腫瘤的同步成像和體內(nèi)PDT。將GQD水溶液注射到裸鼠背部，可觀察到較強(qiáng)的高熒光信號(hào)。即使在注射后1周，注射部位也沒(méi)有觀察到明顯的熒光強(qiáng)度衰減和擴(kuò)散現(xiàn)象。Xu等[9]制備的環(huán)三磷腈摻雜GQD(C-GQD)具有出色的生物穩(wěn)定性，能夠應(yīng)用于細(xì)胞內(nèi)ROS水平的長(zhǎng)效評(píng)估，其準(zhǔn)確度可達(dá)98.3%。荷瘤小鼠在靜脈注射C-GQD 4 h后可在腫瘤部位檢測(cè)到強(qiáng)熒光信號(hào)，且該熒光在腫瘤部位滯留時(shí)間較長(zhǎng)。此外，C-GQD還顯示出對(duì)血液樣本中腫瘤細(xì)胞的高識(shí)別率(82.33%)和靈敏度(79.65%)，能夠有效地“捕獲”復(fù)雜血液微環(huán)境中的腫瘤細(xì)胞，表明C-GQD在臨床循環(huán)腫瘤細(xì)胞(circulating tumor cell, CTC)的檢測(cè)中也具有巨大的潛力(圖6)。

圖6 C-GQD在體外和體內(nèi)對(duì)腫瘤的檢測(cè)[9]

4 結(jié)語(yǔ)和展望

功能化的石墨烯和GQD作為高效的載藥平臺(tái)，已經(jīng)得到了深入的研究，并進(jìn)一步擴(kuò)展到多基因、多分子、多組分藥物運(yùn)載。對(duì)于腫瘤光熱治療現(xiàn)趨向于將GQD功能化修飾或與其他材料協(xié)同作用。同樣，在光動(dòng)力治療方面GQD已經(jīng)不局限于產(chǎn)生活性氧自由基這單一作用，而是配合抗腫瘤藥物實(shí)現(xiàn)多療法協(xié)同。功能化GQD不僅能夠與醫(yī)學(xué)影像學(xué)和分子學(xué)診斷等診斷方式相結(jié)合，而且能與放療、化療、光動(dòng)力治療和光熱治療等治療方式相結(jié)合，在實(shí)現(xiàn)腫瘤成像與定位的同時(shí)促進(jìn)藥物的精確、可控釋放，從而更好地消滅腫瘤?；贕QD的納米診療技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)臨床對(duì)腫瘤的精確診斷和治療。

雖然目前已有關(guān)于GQD在腫瘤診斷與治療一體化應(yīng)用中的研究，包括將核磁共振成像與藥物相結(jié)合、核磁共振成像與光熱或光動(dòng)力治療相結(jié)合以及將腫瘤的光學(xué)成像與藥物相結(jié)合的研究等，但是對(duì)腫瘤治療過(guò)程中載體及藥物分子同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的研究還較少，要真正實(shí)現(xiàn)腫瘤的精確診斷和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，仍需更深入的研究。因此，發(fā)展兼具腫瘤光學(xué)成像、藥物可控釋放和藥物釋放實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的多功能GQD藥物載體仍是一大挑戰(zhàn)。

盡管本文我們將重點(diǎn)放在腫瘤的診斷與治療應(yīng)用上，但GQD在其他領(lǐng)域的應(yīng)用也一直發(fā)展更新，包括能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換、光催化等，其發(fā)展?jié)摿艽?。我們相信，GQD將會(huì)為生物醫(yī)藥材料研究帶來(lái)新的契機(jī)。