手機(jī)版
化工儀器網(wǎng)手機(jī)版
化工儀器網(wǎng)小程序
官方微信
公眾號(hào)：chem17
掃碼關(guān)注視頻號(hào)
熒光納米材料在生物醫(yī)學(xué)成像中的應(yīng)用及發(fā)展
熒光成像技術(shù)作為生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的重要手段，憑借其組織破壞性小、無有害電磁輻射、成像設(shè)備成本低等優(yōu)勢，在生命科學(xué)基礎(chǔ)研究、臨床前醫(yī)學(xué)研究及藥物研發(fā)等領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展，熒光納米材料因其特別的光學(xué)特性，成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，為生物成像帶來了革命性的突破。
熒光納米材料的類型及特性
熒光納米材料是指具有熒光性質(zhì)且至少有一維尺寸處于 1-100nm 量級(jí)的超微小材料，其種類豐富，各有特別的特性，為生物成像提供了多樣化的選擇。
基于有機(jī)熒光染料的納米顆粒
有機(jī)熒光染料如熒光素類、羅丹明類等，是生物醫(yī)學(xué)研究中常用的熒光探針。將有機(jī)染料分子與納米顆粒結(jié)合，可通過兩種方式制備熒光納米顆粒：一是利用有機(jī)聚合物或無機(jī)納米顆粒將有機(jī)染料分子包裹在內(nèi)部；二是通過化學(xué)或物理方法使有機(jī)染料分子吸附在納米顆粒表面。
這種結(jié)合方式能提高染料分子在生物體環(huán)境中的穩(wěn)定性，防止其在生物組織內(nèi)擴(kuò)散。同時(shí)，通過表面修飾連接蛋白或生物分子，可實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞及活體腫瘤組織的特異性標(biāo)記與熒光成像。例如，錢駿等利用二氧化硅納米顆粒包覆有機(jī)熒光分子（PpIX），制備出的 PpIX@SiO?納米顆粒在水中分散性良好，適用于離體細(xì)胞和活體成像。
2001 年發(fā)現(xiàn)的聚集誘導(dǎo)發(fā)光（AIE）材料具有特殊分子結(jié)構(gòu)，在聚集態(tài)時(shí)熒光強(qiáng)度遠(yuǎn)大于稀溶液中，有效解決了傳統(tǒng)有機(jī)熒光染料在高濃度下熒光猝滅的問題。如本課題組利用雙親性聚合物 mPEG-DSPE 包裹疏水性 AIE 材料（StCN）制備的納米膠束（StCN@PEG），穩(wěn)定性高，能在腫瘤部位富集，用于腫瘤活體熒光成像。
半導(dǎo)體量子點(diǎn)
半導(dǎo)體量子點(diǎn)通常由 II-Ⅵ 族（如 CdS、CdSe、CdTe）或 III-Ⅴ 族（如 InP、InAs）元素組成，粒徑介于 1-10nm 之間。由于尺寸小于或接近激子波爾半徑，其內(nèi)部電子和空穴被量子限域，連續(xù)能帶結(jié)構(gòu)變?yōu)榉至⒛芗?jí)結(jié)構(gòu)，受激后可發(fā)射熒光。
量子點(diǎn)的熒光發(fā)射波長可通過尺寸調(diào)節(jié)，選擇適當(dāng)材料和尺寸，能獲得覆蓋范圍寬的熒光發(fā)射譜。與傳統(tǒng)有機(jī)熒光染料相比，它具有吸收譜寬、發(fā)射譜窄、無光漂白、易于表面修飾等優(yōu)點(diǎn)。
在制備方法上，高溫?zé)峤夥ㄊ浅Ｓ玫慕?jīng)典化學(xué)制備方法。中科院唐芳瓊教授等在無毒的油酸 – 液體石蠟體系中合成 CdSe 量子點(diǎn)，為 II-Ⅵ 族量子點(diǎn)的 “綠色” 制備開辟了新方向。然而，多數(shù)半導(dǎo)體量子點(diǎn)含重金屬元素，其潛在生物毒性和環(huán)境污染問題不容忽視，發(fā)展環(huán)境友好的量子點(diǎn)是重要方向。
碳基熒光納米材料
碳基熒光納米材料包括納米金剛石、碳納米管、氧化石墨烯納米顆粒、碳基量子點(diǎn)等。納米金剛石通過氮、硼等元素?fù)诫s可獲得優(yōu)良熒光特性，但制備和摻雜困難限制了其應(yīng)用。
碳納米管在近紅外波段的熒光特性使其在活體動(dòng)物熒光成像領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如美國斯坦福大學(xué) Dai 等將水溶性碳納米管注射到活體小鼠血液中，利用近紅外二區(qū)熒光成像技術(shù)獲得血管成像信息。但碳納米管尺寸較大，難以在體內(nèi)代謝且有潛在毒性。
氧化石墨烯（GO）納米材料具有良好的生物相容性和易于表面功能化的特點(diǎn)，由于表面存在缺陷和含氧基團(tuán)產(chǎn)生帶隙，能夠產(chǎn)生熒光現(xiàn)象，可用于離體細(xì)胞和活體成像。
碳基量子點(diǎn)（CQDs）具有激發(fā)光譜寬且連續(xù)、熒光穩(wěn)定性高、熒光波長可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，且主要由 C、H、O、N 等元素組成，生物相容性良好。其制備方法主要有 “自上而下” 法和 “自下而上” 法兩類，在生物熒光成像中應(yīng)用前景廣闊。
稀土摻雜上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料
上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料是摻雜有稀土元素的納米晶體，可吸收兩個(gè)或兩個(gè)以上紅外光子，發(fā)射一個(gè)可見光子或近紅外光子。與傳統(tǒng)發(fā)光材料相比，它具有較低的細(xì)胞毒性、較高的生物兼容性、幾乎為零的背景噪聲、長熒光壽命、無光漂白性等優(yōu)勢。
上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料在生物光子學(xué)研究中應(yīng)用廣泛，如美國紐約州立大學(xué)布法羅分校 Prasad 教授研究課題組通過尾靜脈注射上轉(zhuǎn)換熒光納米材料到小鼠體內(nèi)，獲得高對(duì)比度的深層光學(xué)成像結(jié)果。此外，在表面修飾、活體分布研究及生物毒性分析等方面也有大量研究，為深層光學(xué)生物治療提供了可能。
熒光納米材料在生物醫(yī)學(xué)成像中的應(yīng)用
熒光納米材料在生物醫(yī)學(xué)成像中的應(yīng)用廣泛，涵蓋了從細(xì)胞成像到活體成像等多個(gè)層面，為疾病的診斷、治療及研究提供了有力工具。
納米探針的研發(fā)
納米熒光探針憑借量子尺寸效應(yīng)和小尺寸效應(yīng)呈現(xiàn)出特別的光學(xué)性質(zhì)，與傳統(tǒng)有機(jī)熒光染料相比，具有較好的激發(fā)及發(fā)射特性，可通過調(diào)整大小和組成控制光學(xué)波段，且熒光強(qiáng)度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、壽命長、生物相容性好，在病灶和靶標(biāo)的標(biāo)記及生物體內(nèi)代謝分布研究中優(yōu)勢顯著。
基于小動(dòng)物活體成像技術(shù)開發(fā)的探針，根據(jù)熒光納米材料不同主要包括量子點(diǎn)、金屬納米粒子、上轉(zhuǎn)化納米材料、半導(dǎo)體聚合物納米材料等。例如，Yaping Wang 等開發(fā)的 MMP-2 敏感性量子點(diǎn)納米探針，可檢測 MMP-2 過表達(dá)的腫瘤；Liyuan Pan 報(bào)道的上轉(zhuǎn)化納米探針，能對(duì)活體內(nèi)胃腫瘤進(jìn)行靶向標(biāo)記；Shuhendler 等報(bào)道的復(fù)合型納米探針，可實(shí)時(shí)同時(shí)監(jiān)測小鼠肝內(nèi)部的活性氧（ROS）以及活性氮（RNS），用于評(píng)價(jià)藥物的急性肝毒性。
納米藥物載體研究
納米藥物載體成為醫(yī)藥學(xué)研究的重要領(lǐng)域，相對(duì)于傳統(tǒng)藥物展現(xiàn)出巨大優(yōu)勢：可通過連接特異性化合物等提高藥物靶向性；通過細(xì)胞內(nèi)吞等機(jī)制進(jìn)入細(xì)胞，提高生物膜透過性和細(xì)胞內(nèi)有效藥物濃度；降低非有效作用部位藥物濃度，減少毒副作用；具有納米緩釋特性和高度分散性，提高藥物時(shí)效性和利用率。
應(yīng)用小動(dòng)物活體成像技術(shù)對(duì)納米藥物載體的研究，主要是評(píng)價(jià)其在小動(dòng)物體內(nèi)的分布特性及靶向性，以評(píng)估藥效提高和毒副作用?？赏ㄟ^對(duì)疾病細(xì)胞進(jìn)行熒光或生物發(fā)光標(biāo)記，觀測納米藥物載體對(duì)藥物藥效的提高；也可直接對(duì)納米載藥系統(tǒng)進(jìn)行熒光標(biāo)記，觀測其在動(dòng)物體內(nèi)的分布及定位情況。
如 Rong Xu 等開發(fā)的可注射納米粒子發(fā)生器 iNPG-pDox，能突破體內(nèi)多種生物屏障，高效靶向乳腺癌的肺轉(zhuǎn)移瘤，治療效果良好；Hai Wang 等開發(fā)的仿真核細(xì)胞納米載藥系統(tǒng) LC60S，可同時(shí)裝載 ICG 以及 DOX，實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤的靶向治療和實(shí)時(shí)監(jiān)測雙重功能。
納米材料生物相容性和安全性評(píng)價(jià)
納米材料進(jìn)入機(jī)體的過程與其生物相容性密切相關(guān)，在納米探針開發(fā)和納米藥物載體構(gòu)建中，組織相容性是重要考慮因素。所有納米材料作為活體研究工具，都需要進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)，肝毒性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)是常用的評(píng)價(jià)方式之一。
例如，軍事醫(yī)學(xué)的 Zhang Y 等構(gòu)建了肝臟急性炎癥反應(yīng)模型，用于評(píng)價(jià)納米材料的肝毒性。研究發(fā)現(xiàn)納米金因形貌和粒徑不同，激活 SAA 表達(dá)程度存在差異，且 GNP50 誘導(dǎo) SAA 激活的過程通過 NF-κB 通路實(shí)現(xiàn)。
熒光納米材料生物成像的發(fā)展前景與挑戰(zhàn)
基于熒光納米材料的生物成像研究是多學(xué)科交叉領(lǐng)域，新材料、新技術(shù)、新應(yīng)用層出不窮。盡管取得了諸多研究成果，但要將其轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用，仍面臨一些挑戰(zhàn)。
近紅外熒光成像的應(yīng)用是生物熒光成像的發(fā)展趨勢，設(shè)計(jì)制備具有低生物毒性的近紅外熒光納米材料是生物醫(yī)用熒光探針發(fā)展的重要方向。多光子熒光成像所需激發(fā)光波長更長，在生物組織的吸收和散射較小，能顯著提高成像分辨率及成像深度，納米材料的多光子熒光特性研究對(duì)開發(fā)新型多光子激發(fā)熒光探針具有重要價(jià)值。
此外，納米材料的細(xì)胞毒性、組織器官毒性等生物醫(yī)學(xué)評(píng)估研究至關(guān)重要，通過對(duì)材料毒性的研究分析，可指導(dǎo)材料的設(shè)計(jì)和制備，開發(fā)具有更好生物兼容性的生物醫(yī)用材料，為臨床腫瘤治療等提供新的解決方案。
隨著納米技術(shù)與生物醫(yī)學(xué)研究的進(jìn)一步融合，熒光納米材料在生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域必將發(fā)揮越來越重要的作用，為生命科學(xué)研究和醫(yī)學(xué)發(fā)展帶來更多突破。
免責(zé)聲明
- 凡本網(wǎng)注明“來源：化工儀器網(wǎng)”的所有作品，均為浙江興旺寶明通網(wǎng)絡(luò)有限公司-化工儀器網(wǎng)合法擁有版權(quán)或有權(quán)使用的作品，未經(jīng)本網(wǎng)授權(quán)不得轉(zhuǎn)載、摘編或利用其它方式使用上述作品。已經(jīng)本網(wǎng)授權(quán)使用作品的，應(yīng)在授權(quán)范圍內(nèi)使用，并注明“來源：化工儀器網(wǎng)”。違反上述聲明者，本網(wǎng)將追究其相關(guān)法律責(zé)任。
- 本網(wǎng)轉(zhuǎn)載并注明自其他來源（非化工儀器網(wǎng)）的作品，目的在于傳遞更多信息，并不代表本網(wǎng)贊同其觀點(diǎn)和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)，不承擔(dān)此類作品侵權(quán)行為的直接責(zé)任及連帶責(zé)任。其他媒體、網(wǎng)站或個(gè)人從本網(wǎng)轉(zhuǎn)載時(shí)，必須保留本網(wǎng)注明的作品第一來源，并自負(fù)版權(quán)等法律責(zé)任。
- 如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)等問題，請(qǐng)?jiān)谧髌钒l(fā)表之日起一周內(nèi)與本網(wǎng)聯(lián)系，否則視為放棄相關(guān)權(quán)利。
采購中心