量子点在生物医学领域的应用

© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 基金项目 :吉林省科学技术厅资助项目 (NO. 20082123)3 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 3 (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 (Quantum Dots ,QDs) ,也 称半导体纳米晶 (Nanocrystals ,NCs) ,它是由 Ⅱ2Ⅵ族 元素或 Ⅲ2Ⅴ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 由于受到量子效应和介电限域效应的影响 ,从 而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. 1 　QDs 的激发光波长 (excitation wave lengths) 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 ( emission wave lengths)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. 2 　QDs 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. 3 　QDs 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. 4 　QDs 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2链亲和素、生物素2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2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 , —748—中国实验诊断学　2009 年 6 月　第 13 卷　第 6 期 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 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。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 P2糖蛋白 (P2gp)进行了免疫荧光检测和 三维共聚焦分析 ,P2gp 能过度表达于 MCF7r 乳腺癌 细胞膜上 ,可以介导多药耐药性 (multidrug resistance , MDR) 表型的形成 ,可作为 MCF7r 细胞的特异性靶 点 ,将抗 P2gp 抗体作为一抗 ,QDs 结合多价二抗与 之结合进行荧光成像 ,这种结合具有很高的特异性 , 用不表达膜 P2gp 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 P2gp 三维重建的图像清楚显示了过度表达的 P2gp 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 (prostatespecific membrane 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 2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 13 ,No. 6 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 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 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 ,需要解决的问还很多 ,如 寻求高效稳定 ,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 ,2006 ,25 (5) :651. 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