2022年2022年量子点在生物医学领域的应用 .pdf

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1、基金项目:吉林省科学技术厅资助项目(NO.20082123)*通讯作者文章编号:1007-4287(2009)06-0847-03量子点在生物医学领域的应用王雅丽,张玉成,张桂珍*(吉林大学中日联谊医院 中心实验室,吉林 长春 130033)生命科学的高速发展离不开新技术新方法的应用。近些年来,量子点在生物医学领域的应用已经成为人们广泛关注的研究热点之一,量子点在体内外成像,靶向标记特异组织和细胞等方面均取得了新的进展。相对于传统的荧光染料分子而言,量子点具有其独特的特性及优点。本文对近年来量子点在生物医学领域的诸多应用及进展做一综述。1量子点基本组成结构及光学特性1.1量子点概念量子点(Qu

2、antumDots,QDs),也称半导体纳米晶(Nanocrystals,NCs),它是由族元素或!?族元素组成的小于100 nm 的半导体纳米微晶体,当这些半导体纳米微晶体的直径小于激子的波尔直径(10 nm)时,这些半导体纳米微晶体由于受到量子尺寸效应和介电限域效应的影响,从而表现出独特的光学特征 1-3。1.2量子点的光学特性及优点QDs 与传统的有机荧光染料相比,其光学特性有:1.2.1QDs 的激发光波长(e xcitation wavelengths)范围宽且连续分布,其荧光可以被波长小于其量子限域峰 的 任意 光 源所 激 发,而 其发 射 波 长(emissionwave le

3、ngths)的范围窄且呈对称分布4,5,可检测到的光谱范围内同时使用多个探针,而发射光谱不出现交叠。1.2.2QDs 的发光特征具有严格的量子尺寸效应,通过改变量子点粒径大小可获得从紫外到近红外范围内任意点的光谱6,这样仅用一种波长的激发光源便可激发多种荧光,进行多元荧光检测。1.2.3QDs 的抗光漂白能力强,光漂白作用是指由光激发引起发光物分解而导致的荧光强度降低的现象7。有机荧光染料的光漂白速率很快,而 QDs 的光漂白作用则远远小得多。1.2.4QDs的荧光寿命长 8,典型的有机荧光染料的荧光寿命仅为几纳秒,这与很多生物样本的自发荧光衰减的时间相当。而QDs的荧光 寿命可持续长达数十纳

4、秒,这使得当光激发数纳秒以后,大多数自发荧光背景已经衰减,而 QDs荧光仍然存在,此时即可获得无背景干扰的荧光信号。2量子点的修饰直接制备的QDs很难与生物大分子发生作用,所以制备好的QDs需要对其表面进行修饰来提高它的光学 特性以 及它与 生物 大分 子连 接的能 力。Nie 等9利用巯基乙酸修饰QDs,游离的羧基不仅使QDs 的水溶性增强,还可以与生物大分子结合。3量子点与生物大分子偶联生物分子通过与QDs结合后才能用于生物医学,结合的方式主要有直接结合、共价偶联、静电吸附、间接偶联 10,11。直接结合是指量子点表面基团和生物分子表面基团直接作用后将生物分子连接到量子点上的方式,这种连接

5、方式难度较大,一般不易采用。共价偶联是利用量子点表面修饰的羧基,通过酶促交联剂EDC 的作用,与生物分子表面的氨基进行共价偶联,这种偶联方式得到的偶联复合物稳定,但偶联过程比较复杂。静电吸附是通过静电力进行偶联 12,通常先把一活性基团连在QDs上,同时用另一活性基团修饰生物大分子,利用两活性基团的静电作用力即可将QDs与目标分子结合,这种偶联方式得到的偶联复合物不是足够稳定,但偶联过程比较简单快捷。间接偶联是指通过其它亲和系统来将量子点与生物分子结合在一起的方法,常用的亲 和系 统 包 括生 物 素 链 亲和 素、生 物素 卵 白素 13,14亲和系统,这些亲和系统能起到很好的桥梁作用,将生

6、物分子连接到量子点上面。4量子点在生物分析中的应用4.1量子点在细胞成像中的应用量子点已成功地应用于细胞的不同组分、蛋白以及亚细胞结构的标记,其基本原理是当量子点与特异性抗体交联后,量子点 抗体复合物就会与细胞内的不同细胞器或骨架系统结合,在受到光激发后发出特定波长的荧光。Wu 等 7采用荧光免疫法,#847#中国实验诊断学2009年 6 月第 13 卷第 6 期名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 3 页 -证明了 QDs 标记抗体能特异的识别亚细胞水平的分子靶点,他们用 QDs 标记的羊抗鼠IgG作为二抗,结合 Her2 抗体,观 察到乳腺癌细胞表面的Her2 抗原

7、。同时也采用不同颜色的QDs与链亲和素连接,然后配合生物素标记的二抗和特异性单抗,在同一光源照射下,可观察到不同颜色极易区别的细胞表面的 Her2 和核抗原,也能同时识别胞浆微管蛋白,与有机荧光染料Alexa488相比,QDs 发射的 荧光较强且稳定性好。Sukhanova等 15,16用 QDs 对乳腺癌细胞膜上的 P 糖蛋白(P gp)进行了免疫荧光检测和三维共聚焦分析,P gp 能过度表达于MCF7r 乳腺癌细胞膜上,可以介导多药耐药性(multidrugresistance,MDR)表型的形成,可作为 MCF7r 细胞的特异性靶点,将抗 P gp 抗体作为一抗,QDs结合多价二抗与之结

8、合进行荧光成像,这种结合具有很高的特异性,用不表达膜 P gp 的 MCF7 细胞作为对照时,发现无明显荧光信号。进一步的对照实验,将细胞不先与一抗结合而直接结合二抗,结果无明显荧光信号也充分证明这一点,通过该技术完成的乳腺癌细胞膜P gp 三维重 建的图像清楚显示了过度表达的 P gp在乳腺 癌细胞 膜上的 分布 情况,其效 果远 远优 于FITC、Alexa Fluor 等其他荧光染料,这为乳腺癌的分子生物学研究提供了最直观的依据。现今,通过文献查到的标记过的组分包括:活体细胞中的核蛋白、线粒体、吞噬体、复合胺转换蛋白、前列腺特异性膜抗原、Her2 蛋白、氨基乙酸受体、erbB/HER 细

9、胞传输膜受体和 P2 糖蛋白等;固定细胞中的微管蛋白、肌动蛋白丝、Mortalin(热休克蛋白70 家族蛋白质)、细胞角蛋白、细胞膜蛋白与受体等 17,18。上述这些细胞组分的标记对于研究疾病的产生和发展,以及诊断都具有十分重要的意义。4.2量子点在活体成像中的应用量子点不仅可以用于体外细胞的标记,好多研究者对 量子点 在活 体成 像实 验同 样感 兴趣。Gao等19研制了一种多功能QDs 探针,能够对动物活体内的肿瘤进行靶向并同时成像,这种探针包含一种两亲性三嵌段共聚物、特异性靶向配体和多个PEG分子,两亲性三嵌段共聚物可用来保护QDs 不发生聚集和具有足够的稳定性,特异性靶向配体用于与肿瘤

10、抗原结合,而 PEG 分子则可以改善量子点的生物相 容 性 和 循 环 寿 命。前 列 腺 特 异 性 膜 抗 原(prostatespecificmembrane antigen,PSMA)是一种细胞表面标志物,存在于前列腺上皮细胞和新生的血管内皮细胞上,可以作为前列腺癌QDs 成像的特异性靶点,该研究组运用结合PSMA 抗体的 QDs 通过小鼠尾静脉注射来靶向能够表达PSMA的前列腺癌并成像,用无肿瘤的小鼠作为对照,发现结合了PSMA抗体的量子点在肿瘤生长部位定位、积累并且发出很强的荧光信号,而对照组则无明显信号,进一步研究表明这种通过肿瘤特异性抗原#抗体结合的QDs主动靶向比单纯的被动靶

11、向要迅速、高效得多,在体内研究中,该小组用QDs成功实现了裸鼠前列腺癌模型的非损伤性成像,在活体模型中肉眼即可清晰观察到肿瘤的部位,这给前列腺癌的诊断和预后的研究开辟 了一条新的思路。Kim 等人 20将量子点注射到小鼠的前肢皮下和猪的腹股沟皮下,通过术中显像系统能观察到量子点进入了淋巴系统,几分钟后量子点迁移到腋前线的位置,在相同位点再注入异硫蓝,则会出现荧光信号和蓝色染料共区域化的现象,而异硫蓝是组织学诊断前哨淋巴结公认的试剂,这就从侧面证明,荧光信号出现的位点也同样是前哨淋巴结的位点,这样,通过荧光显像系统就可以观察到前哨淋巴结的位置,为外科术中找到前哨淋巴结创造了便利的条件。4.3量子

12、点在长效标记中的应用基于量子点荧光寿命长这个优点,研究者可以利用量子点做长效标记。Jaiswal等21首先用二氢硫辛酸对 QDs进行包裹修饰,然后通过内吞作用将QDs 标记在 Hela 细胞的囊泡内,标记的 QDs第 12天仍稳定存在于细胞中;他们还通过QDs 与生物素连接而成的 QDs 生物素荧光探针,对表面生物素化的Hela 细胞膜进行特异性标记,标记的 QDs在活细胞内能连续承受激发光照射14 小时而荧光强度不发生明显的减退,在 12 天后细胞内仍能检测到可见荧光。因此,QDs 可以用来制备追踪标记分子,用于细胞生长过程中的动态研究。4.4量子点在信号转导机制研究中的应用信号转导机制是近

13、年来众多领域的研究热点之一,它是靶向治疗的基础。Lidke 等22利用 QDs探针成功实现了erbB/HER 受体介导的信号转导途径的检测,他们首先证明QDs与 EGF交联仍具有结合力且可通过细胞内吞作用能与 erbB1 受 体主动结合,用 QDs荧光示踪EGF与 erbB1 结合和信号转导的过程,直接实时动态观察到一个信号分子从细胞膜结合、通过细胞线状伪足、胞吞内化以及与erbB2、erbB3相互作用的全过程,证明了线状伪足存在一种新的逆向转运机制,而以前这些只能在固定细胞或通过生化分离的方法才能检测,可见量子点在实时动态#848#Chin J Lab Diagn,June,2009,Vol

14、 13,No.6名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 3 页 -研究信号转导机制方面的应用有着独特的优势。4.5量子点在生物芯片领域的应用QDs色彩的多样性满足了对生物高分子(蛋白质、DNA)所 蕴含 海量 信息 进行 分析 的 要求。Han等23将聚合物和QDs结合形成聚合物微球,微球可以携带不同尺寸(颜色)的量子点,这种 QDs 微球标记物的发射荧光强,稳定性能好。包入QDs 的高分子聚合微球可标记寡核苷酸探针或抗体,用于基因芯片或蛋白质芯片的搜索。按排列组合方法把不同大小的 QDs以不同数量比例包入高分子聚合微球,可能编制的密码数量很大,理论上使用6 种颜色和10

15、 种强度的 QDs就可以对 106个核酸或蛋白质序列进行编码。事实上,如要达到精确的检测、不带有任何光谱交叠,可编码的 QDs微粒能达到1 万到 4 万。人类基因组测序已经完成,人类约有 3 万个基因,所以该技术有能力对所有这些基因进行编码标记,其应用前景非常广阔。5展望QDs是新兴的荧光成像材料,它在生物医学中的应用已显示出诱人的前景。相信随着QDs 制备和标记技术的不断成熟,它必将成为新一代生物荧光标记物,在细胞成像、体内成像、疾病诊断以及研究生物大分子之间的相互作用、组分在机体内的循环和作用方式等方面发挥独特的作用。但要真正实现 QDs在活体 的应用,需要解决的问题还很多,如寻求高效稳定

16、,而且对生物分子活性无损伤的偶联方法和方式;如何处理QDs才能使它在机体内保持稳定而且对机体的毒性降到最低;如何合成出能发射较强组织穿透能力谱线的QDs 等问题将是QDs在生物医学领域研究的重点。另外,应用多色QDs发展平行的生物传感和检测技术也是目前的一个发展热点,这些技术将把微流控技术、微阵列技术及量子点的优点集中起来,有着广阔的发展前景。作者简介:王雅 丽(1978-),女,在读 博士,主 要研 究癌 基因表达与调控;张桂珍(1955-),女,教授,博士生导 师,主 要研究微量营养素胰岛细胞保护的分子机制。参考文献:1 陈良冬,李雁,袁宏银,等.量子 点在肿瘤研究中的应用 J.癌症,20

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