基于碳点的荧光-磁共振双模态分子影像探针应用进展

郭潇，周玉洁，高静茹，余薇，许翠，韩翠平,2

(1徐州医科大学医学影像学院，江苏徐州 221000；2徐州医科大学附属医院)

多种分子影像技术如MRI、PET、SPECT、光学成像等虽在临床诊疗方面已有广泛的应用，但每种显像方法在灵敏度、特异性、准确性、辐射暴露、成本、图像采集时间、成像方式各有优缺点。为了发挥各种成像方式的优势弥补其劣势，双模态成像技术应势而生，该技术综合两种模态成像的优点，达到了“一加一大于二”的效果[1]。例如MRI可以以非侵入性的监测方式深入组织，提供解剖细节和高质量的软组织三维图像，但这种技术仅能够分辨微米级的病变，灵敏度比放射性或光学方法低。而荧光成像(FI)具有高的单细胞灵敏度和亚细胞分辨率，但却具有较差的空间分辨率和组织渗透性。由此发展荧光-磁共振双模态分子影像探针技术可以克服磁性(低灵敏度)和荧光(低分辨率)成像等缺点，为肿瘤等疾病的早期诊断、治疗和监测等方面提供一些更全面更准确的信息[2]。分子探针的构建是分子成像成功的关键，它可以实现特定的靶向成像并提高成像的准确率和精度[3]。碳点(或称碳量子点、石墨烯量子点)是一种直径在10 nm以下类球型零维碳基纳米晶体，其作为一种无毒、环保、造价便宜、荧光性能优异、生物相容性良好的新型荧光纳米荧光材料，在生物医学成像研究中占据重要地位。本文就基于碳点的荧光-磁共振双模态分子影像探针类型及应用进展情况做一综述。

1 碳点及基于碳点的分子探针特点

1.1 优良的光学性质 与传统的量子点相比，碳点具有吸收光谱较宽、荧光性较好和高抗漂白的特性。碳点一般在紫外区有较强吸收带，其吸收峰可延伸至可见光区，激发光谱可从可见光区一直到延伸到近红外光区，其还具有一元激发，多元发射的优点[4]。Miao等[5]在实验中发现，改变反应条件控制碳点的碳化程度和表面性质，可以实现发射波长的调控，其发射波长波普跨度大，从可见光区一直延伸到近红外光区。另外，与其他荧光材料相比，碳点具有很好的光稳定性，并且其光致发光现象在空气中长期存放无任何变化。

1.2 生物毒性低 碳元素是生命体最重要的组成元素之一，以碳元素为主要组成成分的荧光碳点毒性低、生物相容性好。Song等[6]综合比较了碳点、CdTe量子点、金纳米粒子对不同细胞(HeLa、MCF-7、NIH/3T3细胞)及活体植物的毒性，结果表明碳点的生物相容性最好，毒性较其它种类的纳米颗粒低。Chen等[7]将钆掺杂在CDs中，可以避免钆离子泄漏问题，降低毒性风险。所以，通过各种方法制备的CDs已广泛用于生物成像、靶向示踪和生物传感等生物医学领域。

1.3 血液循环时间长、生物相容性好 临床所用的造影剂大多是小分子型，如CT造影剂碘海醇，在体内会快速通过肾清除而排出，限制了其在体内的广泛应用。此外，碘化水溶液的固有特性，例如高渗和高粘度，有时会引起严重的不良反应。为了提高组织特异性和预防不良反应，已有报道发现碘掺杂碳点(I掺杂CDs)可以作为高效CT造影剂和荧光探针。与传统碘化造影剂相比，所制备的碘掺杂CDs不仅具有独特的光致发光(PL)和X射线衰减性能，而且具有长循环和被动靶向CT成像的特点，为生物医学研究和疾病诊断提供广阔的前景[8]。

1.4 通过肾脏代谢从体内清除 理想的成像探针可在注射后有效地定位于病变部位(如肿瘤)，而没结合的探针快速从体内排出。纳米结构药物的体内摄取所存在的最大问题在于如何避免被内皮网状系统摄取，如肝脏、脾脏、淋巴系统等。药物被内皮网状系统摄取将导致外周循环药量减少，从而达病变组织的药量较少，并且增加药物在体内滞留时间及药物毒性。Choi等[9]发现，粒径<5.5 nm纳米材料可以完全通过肾脏清除，5～10 nm粒径的纳米材料若和亲水性强的小分子结合也能通过肾脏清除。药代动力学研究表明，由于碳点的尺寸较小，可以经肾脏排泄[10]。这个优点是常规的纳米材料(10 nm以上)所不具备的。因此，碳点作为传统量子点的替代物，在生物医学领域应用中具有巨大的潜力。

2 基于碳点的荧光-磁共振双模态探针的应用

基于碳点的荧光-磁共振双模态探针主要有钆掺杂型碳点(Gd3+-CDs)双模态探针、锰掺杂型碳点(Mn2+-CDs)双模态探针、基于顺磁性氧化铁-碳点纳米复合物双模态探针、13C-CDs双模态探针等类型。

2.1 Gd3+-CDs双模态探针 钆作为一种镧系元素，因其独特的物理和化学性质，常被用于高分辨率的T1造影剂成像。然而造影剂中的Gd3+在体内代谢缓慢易积聚，并通过抑制钙离子的活性引起相当大的生物毒性，导致患者肾功能障碍[11，12]。因此，构建钆掺杂的碳点荧光和磁共振双模态成像探针，在降低毒性的同时仍保持优良的磁共振和荧光性质，成为目前的研究热点[13,14]。研究组通过将含有钆的前体高温热解得到Gd3+-CDs，显示良好的MRI响应和荧光性质，纵向弛豫率(r1)为5.88 mmol/s，荧光量子产率(QY)为19.7%。Gong等[15]以蔗糖、浓H2SO4和GdCl3作为原料采用微波辅助多元醇法成功制备出r1为11.356 mmol/s高弛豫效率的Gd3+-CDs，但荧光量子产率相对较低，仅为5.4%。制备同时兼具高的弛豫率和量子产率的Gd3+-CDs仍是一个挑战性难题。Yao等采用一步微波法制备含钆配合物的CDs，并使用天然无铁蛋白(AFn)纳米载体作为药物载体，将化疗药物多柔比星(DOX)封装在AFn腔中。同时采用肿瘤靶向分子叶酸(FA)对AFn表面进行表面修饰，从而在小鼠模型中实现对MCF-7细胞和恶性肿瘤的活性肿瘤靶向作用，并在磁共振-荧光影像引导下进行病灶靶向给药，达到对肿瘤细胞的靶向治疗目的，具有很大的癌症治疗应用潜力。

2.2 Mn2+-CDs双模态探针 锰是人体必须的一种微量元素，二价态的锰(Mn2+)外层有5个未成对电子，具有很强的顺磁弛豫增强能力，能产生T1WI阳性对比，但其对比度不如Gd3+。虽然其毒性远低于钆，但超剂量使用仍会导致Mn2+在大脑基底节、黑质等脑区沉积，进而引起脑细胞死亡[16]。目前，大量研究主要着重于如何提高对比剂的弛豫效率和如何降低其毒性。Jia等[17]以锰(Ⅱ)酞菁为前驱体，采用溶剂热法合成了Mn-CDs，利用双亲性聚合物DSPE-PEG进行自组装修饰，该纳米自组装体具有优异的生理学稳定性、近红外荧光(745 nm)、高的T1弛豫效率(6.97 mmol/s)，并且可以高效催化肿瘤微环境中的H2O2原位产生氧气，可用于MRI/荧光双模态成像介导的光诊疗剂来增强对乏氧肿瘤的光动力治疗。我们研究组以乙二胺四乙酸二钠、四水氯化亚锰和三乙烯四胺为反应原料，以溶剂热法制备了荧光量子产率高达90%，T1弛豫效率为3.26 mmol/s的Mn-CD。基于HE4抗体与卵巢癌HE4抗原的特异性抗原抗体反应，成功完成了Mn-CDs@HE4-mAb对卵巢癌细胞的离体及卵巢癌载瘤裸鼠的在体的靶向荧光-磁共振双模态成像。由于其尺寸较小(4.6 nm)，纳米探针可以通过肾脏排泄有效清除，血液半衰期约45 min，无明显的短期生物毒性，是一种理想的荧光-MRI双功能纳米探针，并具有潜在的临床转化前景，为卵巢癌的早期的诊疗和个性化治疗提供基础研究[18]。

2.3 基于顺磁性氧化铁-碳点纳米复合物双模态探针 顺磁性氧化铁纳米颗粒(SPIO)如Fe2O3、Fe3O4等，主要产生T2WI阴性对比。由于SPIO纳米粒子粒径小，穿透力强，且具有良好的生物降解性，能被细胞摄取后进入正常血浆铁池等特性[19]，主要应用于细胞分离与标记、干细胞示踪、组织修复、移植排斥反应的检测、肿瘤的诊断及治疗等[20]。Mohapatra等[21]设计合成了Fe3O4@SiO2@CDs纳米结构，用于磁分离、活细胞成像和氟离子荧光传感。刘晔等[22]将动脉粥样硬化斑块中髓过氧化酶(MPO)的靶靶向的两亲型聚合物(5-HT-PIA-PEG-DDA)与SPIO组装，并通过静电力结合作用使CDs形成具有荧光成像和核磁造影成像的双模态探针分子CDs@5-HT-PIA-PEG-DDA@SPION，为动脉粥样硬化诊断和检测提供了一种分辨率高、靶向性好、使用便捷的双模态的探针分子。此外，Fe3O4-CDs磁光纳米探针双模态探针可通过叶酸(FA)的靶向作用对特定肿瘤细胞产生磁光信号，提升成像特异性[23]。

2.413C-CDs双模态探针13C-磁共振信号的背景干扰较低[24]，可用来观测观察生物体的变化，但其灵敏度的提高需要复杂的超极化过程，信号衰减的时间<1 min，不利于长时间观察生物体的变化[25,26]。Xu等[27]以13C-葡萄糖作为碳源，合成了一种富含13C的CDs。这种荧光碳点(13Cdots)在具有13C磁共振信号的同时兼具优秀的荧光性，并且信号不会衰减，适用于长时间观测生物体的生命活动。在没有施加超极化的情况下13C-QDs中羧基和羧基碳在171 ppm处观察到增强的13C-MR信号，信噪比提高了160倍，而CDs的固有荧光仍然保持不变。稳定的磁共振和荧光双重反应成功地应用于斑马鱼胚胎发育的长期观察。并且在磁共振与荧光成像交叉验证中证实了13C-CD在斑马鱼体内的分布，这一工作拓展了同位素功能化的纳米材料的应用。

综上所述，碳点材料毒性低，合成方法简单，原料来源广泛，制备成本低廉，表面易功能化修饰，具有较大的临床转化前景。以碳点为平台发展的荧光-磁共振双模态分子探针不仅具有碳点的激发光谱宽、光稳定性好及抗光漂白能力强等发光特点，同时提高了MRI造影剂的弛豫效率。目前基于碳点的多模态成像分子探针的研究尚处于早期阶段。在探针的制备、结构的调控、表面多样性功能化、性能的改进、毒性研究等方面还有待深入研究。