近红外荧光纳米粒子在肿瘤诊断的应用及发展

薛 乐，邓大伟

(中国药科大学 工学院，江苏 南京 210009)

1 癌症的诊断与荧光成像

癌症的晚期治愈率低，易转移，因此癌症的早期诊断一直是科学研究的热门领域。癌症的诊断主要依靠组织活检和影像学检查，活检的临床应用较为普遍，但存在组织损伤问题或缺乏特异性，影像学一般采用核磁共振成像(MRI)、X射线CT等技术，可以实现非侵入诊断但是难以应用于早期癌症的筛查。荧光成像具有非侵入性、高靶向性和高灵敏度的优点，可以实现分子水平的肿瘤诊断，在临床上得到了广泛的应用[1-3]。本文重点介绍了基于近红外荧光(NIR)成像的纳米粒子在肿瘤诊断的应用进展，并对未来发展提出展望。

2 近红外荧光纳米粒子

相比较可见光发射的荧光探针，近红外荧光纳米粒子可以在光激发下产生近红外波段的发射光(650～1000 nm)，因此可以用作近红外荧光成像探针实现生物体内的实时成像，同时还具有非侵入性，深部组织穿透性，低组织吸收性和高信噪比的优点[4]。近红外荧光纳米粒子主要包括量子点(QDs)、金纳米簇(Au NCs)、上转化纳米粒子(UCNPs)和荧光染料修饰的纳米粒子等(图1)。相比较单一的有机荧光染料，近红外荧光纳米粒子的发射光谱更易调控，而且抗光漂白能力强，荧光寿命强，生物相容性好[5]。同时纳米粒子可以利用肿瘤细胞的高通透性和滞留效应实现肿瘤靶向[6]，也可以修饰靶向分子实现肿瘤靶向。为了提高荧光稳定性和生物相容性，还可以通过蛋白质、脂质体、细胞膜等修饰来制备仿生纳米粒子[7]。因此近红外荧光纳米粒子非常适合应用于肿瘤诊断，在生物医学领域获得了广泛的关注。

图1 近红外荧光纳米粒子

3 近红外荧光纳米粒子在肿瘤诊断的应用

3.1 量子点

量子点(QDs)是一类准零维的半导体纳米材料，一般尺寸范围在1～10nm。QDs具有荧光强度高，组织穿透能力强，荧光稳定性高以及发射光谱窄等特性，被广泛应用于肿瘤诊断和生物医药领域[8]。

Ma等[9]开发了基于QDs荧光共振能量转移原理实现癌症诊断的策略,其改性的CdSe/CdS/ZnS QDs可以检测早期非小细胞肺癌(NSCLC)组织样品的启动子甲基化水平，以实现NSCLC的早期检测。该组合探针可用于特异性选择肿瘤相关基因的甲基化水平分析，具有早期检测NSCLC的巨大潜力。Song等[10]利用GSH作为稳定剂通过水热法制备Zn3In2S6(ZIS)QDs，并利用阳离子交换将Ag+加入到Zn3In2S6(ZIS)中，合成了具有高量子产率和光致发光红移的Ag-Zn-In-S(AZIS)QDs，且光学性质可以通过控制合成粒径进行调控。AZIS改性的探针具有优异的生物相容性，可以用于肝细胞癌细胞的靶向诊断。Zhu等[11]报道了一种西妥昔单抗共轭修饰的新型NIR荧光Ag2Se QDs，可以用于肿瘤的诊断。西妥昔单抗是一种临床抗表皮生长因子受体抗体，与没有西妥昔单抗的Ag2Se相比，修饰了西妥昔单抗的QDs具有更强的肿瘤靶向性，并且在原位舌癌部位更富集，提供了强对比度的近红外荧光成像。此外，QDs还被广泛运用于双模态成像技术实现早期肿瘤的精确诊断，例如通过合成掺杂Gd3+离子的QDs可以结合近红外荧光成像MRI成像，实现肿瘤特异性双模成像[12]。Yang等[13]合成了Gd掺杂的CuInS / ZnS QDs，具有良好的荧光效率和高弛豫率，可以提供更全面准确的肿瘤诊断。

3.2 金纳米簇

金纳米簇(Au NCs)是一类由保护剂与金原子结合形成的，粒径在2nm内的荧光纳米材料。与QDs相比， Au NCs具有体积小，稳定性好，荧光量子效率高的特点，因此具有应用于早期肿瘤检测的巨大潜力[14]。

基于肿瘤细胞过表达转铁蛋白受体，赵等[15]合成了转铁蛋白修饰的金纳米簇，可以实现对超小肿瘤的近红外荧光成像。该Au NCs具有肿瘤靶向性强，成像对比度高的优点，而且具有良好的生物相容性，有望应用于临床的早期肿瘤诊断。Li等[16]将抗肿瘤药物多柔比星负载到Au NCs中，在实现肿瘤诊断的同时充当药物载体，实现诊断治疗一体化。Au NCs也可以通过掺杂Gd3+离子[17]或Fe2+离子[18]实现近红外和核磁共振双模成像，同时Au NCs复合物能够保持良好的生物相容性和荧光量子效率，通过多模成像提高了肿瘤检测的灵敏度。Xie等[19]以BSA为模板通过一锅法合成了BSA-Au NCs，BSA外壳提供的仿生结构大大提高了Au NCs的生物相容性，可以直接用于肿瘤的超灵敏靶向成像。

3.3 上转化纳米粒子

上转化纳米粒子(UCNPs)是指一类掺杂稀土离子，能够反斯托克斯发光的纳米材料，其可以通过将近红外区域中多个光子的低能量转换为具有高能量的单个光子，产生近红外到可见光波长的发射光[20-22]。利用UCNPs可提供更深的组织穿透性和更高的信噪比，同时近红外波长区域的激发可以有效减少组织自发荧光的干扰。

Liu等[23]使用NaGdF4:Yb,Er@NaGdF4上转换纳米颗粒检测早期结直肠癌，纳米粒子通过PEG修饰并偶联叶酸配体，可以特异性靶向肿瘤部位。在NIR光激发后，早期直肠癌位点可以通过UCNPs发光清晰地成像，具有较高的对比度和精确度。Xue等[24]报道了具有近红外发射波长的新型NaYbF4：Tm3+/Gd3+上转换纳米棒(UCNRs)可以用于小肿瘤的近红外成像和核磁共振成像，该材料显示出较强X的射线吸收系数，可以在体内进行CT成像。同时该材料具有较低的毒性，表现出优异的生物相容性，可以通过NIR、MRI和CT多模成像提高小肿瘤的诊断精度。

3.4 荧光染料修饰的纳米颗粒

利用有机荧光染料修饰纳米颗粒可以克服游离染料的局限性，同时借助纳米粒子的优异性质和荧光信号的放大，标记纳米粒子的NIR有机染料比游离染料发出更强的荧光和更好的光稳定性，而且荧光染料修饰的纳米颗粒更有利于结合其他成像技术如核磁共振成像(MRI)、正电子发射断层扫描(PET)等实现肿瘤的多模成像。

近红外荧光染料吲哚菁绿ICG被广泛应用于修饰纳米粒子，并具有低自发荧光，深部组织穿透，低组织吸收的能力[25-26]。Zeng等[27]通过在金纳米球上包被ICG标记的介孔二氧化硅合成了结合近红外荧光成像和光热治疗的纳米粒子(Au @ MSNs-ICG)。该纳米粒子具有良好的分散性和荧光稳定性，可以通过近红外和CT双模式成像实现肿瘤诊断，在红外光的激发下还可以通过光热效应有效消除肿瘤。Chen等[28]将金纳米壳包裹在掺杂有氧化铁和近红外染料ICG的二氧化硅外延层中，并偶联特异性肿瘤抗体，可以实现肿瘤的靶向近红外荧光成像和T2加权的核磁共振成像。相比较未修饰靶向分子的纳米粒子，这种纳米复合材料提供了更准确和清晰的肿瘤成像，同时该纳米粒子也可以通过光热效应结合肿瘤诊断与治疗。

4 总结与展望

近几年，基于纳米粒子近红外荧光成像在肿瘤的诊断领域取得了很大的进展。近红外荧光纳米粒子的荧光量子产率高，荧光稳定性好，毒性低，信噪比好，而且光学性质更易调控。但是近红外荧光纳米粒子的生物体内代谢机制缺乏研究，也存在生物安全性问题如量子点具有一定毒性等。未来的主要研究方向是提高近红外荧光纳米粒子的生物相容性和肿瘤靶向性，例如合成仿生纳米粒子等，同时将近红外成像与其他成像技术结合实现高精度多模成像，以及结合肿瘤治疗与肿瘤诊断。随着这些方向的研究不断深入，近红外荧光纳米粒子在肿瘤诊断领域将具有广阔的应用前景。