基于碳點的熒光-磁共振雙模態分子影像探針應用進展

郭瀟，周玉潔，高靜茹，余薇，許翠，韓翠平,2

(1徐州醫科大學醫學影像學院，江蘇徐州 221000；2徐州醫科大學附屬醫院)

多種分子影像技術如MRI、PET、SPECT、光學成像等雖在臨床診療方面已有廣泛的應用，但每種顯像方法在靈敏度、特異性、準確性、輻射暴露、成本、圖像采集時間、成像方式各有優缺點。為了發揮各種成像方式的優勢彌補其劣勢，雙模態成像技術應勢而生，該技術綜合兩種模態成像的優點，達到了“一加一大于二”的效果[1]。例如MRI可以以非侵入性的監測方式深入組織，提供解剖細節和高質量的軟組織三維圖像，但這種技術僅能夠分辨微米級的病變，靈敏度比放射性或光學方法低。而熒光成像(FI)具有高的單細胞靈敏度和亞細胞分辨率，但卻具有較差的空間分辨率和組織滲透性。由此發展熒光-磁共振雙模態分子影像探針技術可以克服磁性(低靈敏度)和熒光(低分辨率)成像等缺點，為腫瘤等疾病的早期診斷、治療和監測等方面提供一些更全面更準確的信息[2]。分子探針的構建是分子成像成功的關鍵，它可以實現特定的靶向成像并提高成像的準確率和精度[3]。碳點(或稱碳量子點、石墨烯量子點)是一種直徑在10 nm以下類球型零維碳基納米晶體，其作為一種無毒、環保、造價便宜、熒光性能優異、生物相容性良好的新型熒光納米熒光材料，在生物醫學成像研究中占據重要地位。本文就基于碳點的熒光-磁共振雙模態分子影像探針類型及應用進展情況做一綜述。

1 碳點及基于碳點的分子探針特點

1.1 優良的光學性質 與傳統的量子點相比，碳點具有吸收光譜較寬、熒光性較好和高抗漂白的特性。碳點一般在紫外區有較強吸收帶，其吸收峰可延伸至可見光區，激發光譜可從可見光區一直到延伸到近紅外光區，其還具有一元激發，多元發射的優點[4]。Miao等[5]在實驗中發現，改變反應條件控制碳點的碳化程度和表面性質，可以實現發射波長的調控，其發射波長波普跨度大，從可見光區一直延伸到近紅外光區。另外，與其他熒光材料相比，碳點具有很好的光穩定性，并且其光致發光現象在空氣中長期存放無任何變化。

1.2 生物毒性低 碳元素是生命體最重要的組成元素之一，以碳元素為主要組成成分的熒光碳點毒性低、生物相容性好。Song等[6]綜合比較了碳點、CdTe量子點、金納米粒子對不同細胞(HeLa、MCF-7、NIH/3T3細胞)及活體植物的毒性，結果表明碳點的生物相容性最好，毒性較其它種類的納米顆粒低。Chen等[7]將釓摻雜在CDs中，可以避免釓離子泄漏問題，降低毒性風險。所以，通過各種方法制備的CDs已廣泛用于生物成像、靶向示蹤和生物傳感等生物醫學領域。

1.3 血液循環時間長、生物相容性好 臨床所用的造影劑大多是小分子型，如CT造影劑碘海醇，在體內會快速通過腎清除而排出，限制了其在體內的廣泛應用。此外，碘化水溶液的固有特性，例如高滲和高粘度，有時會引起嚴重的不良反應。為了提高組織特異性和預防不良反應，已有報道發現碘摻雜碳點(I摻雜CDs)可以作為高效CT造影劑和熒光探針。與傳統碘化造影劑相比，所制備的碘摻雜CDs不僅具有獨特的光致發光(PL)和X射線衰減性能，而且具有長循環和被動靶向CT成像的特點，為生物醫學研究和疾病診斷提供廣闊的前景[8]。

1.4 通過腎臟代謝從體內清除 理想的成像探針可在注射后有效地定位于病變部位(如腫瘤)，而沒結合的探針快速從體內排出。納米結構藥物的體內攝取所存在的最大問題在于如何避免被內皮網狀系統攝取，如肝臟、脾臟、淋巴系統等。藥物被內皮網狀系統攝取將導致外周循環藥量減少，從而達病變組織的藥量較少，并且增加藥物在體內滯留時間及藥物毒性。Choi等[9]發現，粒徑<5.5 nm納米材料可以完全通過腎臟清除，5～10 nm粒徑的納米材料若和親水性強的小分子結合也能通過腎臟清除。藥代動力學研究表明，由于碳點的尺寸較小，可以經腎臟排泄[10]。這個優點是常規的納米材料(10 nm以上)所不具備的。因此，碳點作為傳統量子點的替代物，在生物醫學領域應用中具有巨大的潛力。

2 基于碳點的熒光-磁共振雙模態探針的應用

基于碳點的熒光-磁共振雙模態探針主要有釓摻雜型碳點(Gd3+-CDs)雙模態探針、錳摻雜型碳點(Mn2+-CDs)雙模態探針、基于順磁性氧化鐵-碳點納米復合物雙模態探針、13C-CDs雙模態探針等類型。

2.1 Gd3+-CDs雙模態探針 釓作為一種鑭系元素，因其獨特的物理和化學性質，常被用于高分辨率的T1造影劑成像。然而造影劑中的Gd3+在體內代謝緩慢易積聚，并通過抑制鈣離子的活性引起相當大的生物毒性，導致患者腎功能障礙[11，12]。因此，構建釓摻雜的碳點熒光和磁共振雙模態成像探針，在降低毒性的同時仍保持優良的磁共振和熒光性質，成為目前的研究熱點[13,14]。研究組通過將含有釓的前體高溫熱解得到Gd3+-CDs，顯示良好的MRI響應和熒光性質，縱向弛豫率(r1)為5.88 mmol/s，熒光量子產率(QY)為19.7%。Gong等[15]以蔗糖、濃H2SO4和GdCl3作為原料采用微波輔助多元醇法成功制備出r1為11.356 mmol/s高弛豫效率的Gd3+-CDs，但熒光量子產率相對較低，僅為5.4%。制備同時兼具高的弛豫率和量子產率的Gd3+-CDs仍是一個挑戰性難題。Yao等采用一步微波法制備含釓配合物的CDs，并使用天然無鐵蛋白(AFn)納米載體作為藥物載體，將化療藥物多柔比星(DOX)封裝在AFn腔中。同時采用腫瘤靶向分子葉酸(FA)對AFn表面進行表面修飾，從而在小鼠模型中實現對MCF-7細胞和惡性腫瘤的活性腫瘤靶向作用，并在磁共振-熒光影像引導下進行病灶靶向給藥，達到對腫瘤細胞的靶向治療目的，具有很大的癌癥治療應用潛力。

2.2 Mn2+-CDs雙模態探針 錳是人體必須的一種微量元素，二價態的錳(Mn2+)外層有5個未成對電子，具有很強的順磁弛豫增強能力，能產生T1WI陽性對比，但其對比度不如Gd3+。雖然其毒性遠低于釓，但超劑量使用仍會導致Mn2+在大腦基底節、黑質等腦區沉積，進而引起腦細胞死亡[16]。目前，大量研究主要著重于如何提高對比劑的弛豫效率和如何降低其毒性。Jia等[17]以錳(Ⅱ)酞菁為前驅體，采用溶劑熱法合成了Mn-CDs，利用雙親性聚合物DSPE-PEG進行自組裝修飾，該納米自組裝體具有優異的生理學穩定性、近紅外熒光(745 nm)、高的T1弛豫效率(6.97 mmol/s)，并且可以高效催化腫瘤微環境中的H2O2原位產生氧氣，可用于MRI/熒光雙模態成像介導的光診療劑來增強對乏氧腫瘤的光動力治療。我們研究組以乙二胺四乙酸二鈉、四水氯化亞錳和三乙烯四胺為反應原料，以溶劑熱法制備了熒光量子產率高達90%，T1弛豫效率為3.26 mmol/s的Mn-CD。基于HE4抗體與卵巢癌HE4抗原的特異性抗原抗體反應，成功完成了Mn-CDs@HE4-mAb對卵巢癌細胞的離體及卵巢癌載瘤裸鼠的在體的靶向熒光-磁共振雙模態成像。由于其尺寸較小(4.6 nm)，納米探針可以通過腎臟排泄有效清除，血液半衰期約45 min，無明顯的短期生物毒性，是一種理想的熒光-MRI雙功能納米探針，并具有潛在的臨床轉化前景，為卵巢癌的早期的診療和個性化治療提供基礎研究[18]。

2.3 基于順磁性氧化鐵-碳點納米復合物雙模態探針 順磁性氧化鐵納米顆粒(SPIO)如Fe2O3、Fe3O4等，主要產生T2WI陰性對比。由于SPIO納米粒子粒徑小，穿透力強，且具有良好的生物降解性，能被細胞攝取后進入正常血漿鐵池等特性[19]，主要應用于細胞分離與標記、干細胞示蹤、組織修復、移植排斥反應的檢測、腫瘤的診斷及治療等[20]。Mohapatra等[21]設計合成了Fe3O4@SiO2@CDs納米結構，用于磁分離、活細胞成像和氟離子熒光傳感。劉曄等[22]將動脈粥樣硬化斑塊中髓過氧化酶(MPO)的靶靶向的兩親型聚合物(5-HT-PIA-PEG-DDA)與SPIO組裝，并通過靜電力結合作用使CDs形成具有熒光成像和核磁造影成像的雙模態探針分子CDs@5-HT-PIA-PEG-DDA@SPION，為動脈粥樣硬化診斷和檢測提供了一種分辨率高、靶向性好、使用便捷的雙模態的探針分子。此外，Fe3O4-CDs磁光納米探針雙模態探針可通過葉酸(FA)的靶向作用對特定腫瘤細胞產生磁光信號，提升成像特異性[23]。

2.413C-CDs雙模態探針13C-磁共振信號的背景干擾較低[24]，可用來觀測觀察生物體的變化，但其靈敏度的提高需要復雜的超極化過程，信號衰減的時間<1 min，不利于長時間觀察生物體的變化[25,26]。Xu等[27]以13C-葡萄糖作為碳源，合成了一種富含13C的CDs。這種熒光碳點(13Cdots)在具有13C磁共振信號的同時兼具優秀的熒光性，并且信號不會衰減，適用于長時間觀測生物體的生命活動。在沒有施加超極化的情況下13C-QDs中羧基和羧基碳在171 ppm處觀察到增強的13C-MR信號，信噪比提高了160倍，而CDs的固有熒光仍然保持不變。穩定的磁共振和熒光雙重反應成功地應用于斑馬魚胚胎發育的長期觀察。并且在磁共振與熒光成像交叉驗證中證實了13C-CD在斑馬魚體內的分布，這一工作拓展了同位素功能化的納米材料的應用。

綜上所述，碳點材料毒性低，合成方法簡單，原料來源廣泛，制備成本低廉，表面易功能化修飾，具有較大的臨床轉化前景。以碳點為平臺發展的熒光-磁共振雙模態分子探針不僅具有碳點的激發光譜寬、光穩定性好及抗光漂白能力強等發光特點，同時提高了MRI造影劑的弛豫效率。目前基于碳點的多模態成像分子探針的研究尚處于早期階段。在探針的制備、結構的調控、表面多樣性功能化、性能的改進、毒性研究等方面還有待深入研究。