引言

量子点(QD)是一种重要的低维半导体材料,是尺寸为1～10nm的纳米级半导体晶体,其三个维度上的尺寸都不超过其对应半导体材料的激子玻尔半径的两倍。QD由于拥有优异的光学性质、广泛的激发范围、明确的发射波长以及获得不同形状的能力,成为用于感测、成像、药物递送和治疗的优异工具,应用于各种生物分子中[1]。

癌症是一种动态和异质性疾病,具有高死亡率和高发病率。据世界卫生组织(WHO)报告,2008年仅因癌症死亡的总人数就达到了760万人(约占所有死亡人数的13%),预计到2030年将进一步上升至1310万人,对抗癌症的常规治疗手段包括手术、放疗、化疗及其组合[2,3]。化学疗法(化疗)被认为是目前治疗癌症最有效的手段之一,而化疗是一种全身治疗的手段,无论采用什么途径给药(口服、静脉和体腔给药等),化疗药物都会随着血液循环遍布绝大部分器官和组织。常规化学疗法本身具有靶向非选择性、高毒性、化疗药物易被快速清除、药物失活、肿瘤的多药耐药性以及在非特异性位点积累等缺点[4]。因此,药物会对正常组织和细胞产生毒副作用,如出现消化系统反应(恶心、呕吐、腹泻和便秘等)、骨髓抑制(白细胞和血小板减少等)、脱发、肝肾功能损害等症状。但在过去的几十年里,恶性肿瘤的治疗发生了巨大的变化。药物递送技术和纳米技术的进步为旧药物提供了新的治疗方式,可以改善药代动力学,增强其在实体瘤中的积聚,并减小这些重要治疗剂的毒副作用[5]。

细胞内药物递送到肿瘤细胞和细胞成像对于恶性肿瘤的临床治疗而言至关重要。因此,需要有效的药物递送和细胞成像系统[6]。癌症纳米技术是癌症诊断和治疗的新兴领域。尽管目标药物递送系统向特定的部位递送抗癌剂已经取得了相当大的进展,但是仍在开发和探索新的纳米材料,以获得更高的药物递送效率[7]。近年来,量子点由于独特的光学和物理化学性质,被越来越广泛地用于细胞靶向、成像和药物递送。有机染料表现出快速光漂白、化学稳定性较差、固有毒性并显示荧光间歇性等特性[8]。与有机染料相比,量子点的光漂白作用则要小很多,而稳定性要高出数千倍[9]。

本文从量子点对正常细胞的毒性、通过量子点荧光成像检测药物递送系统在细胞中被摄取内化的过程、对药物的智能递送以及通过量子点光热疗法和光动力疗法等与化疗药物相结合的协同疗法四个方面综述,讨论了作为药物载体被研究应用得最多的三种量子点,即石墨烯量子点(GQDs)、碳量子点(CQDs)和氧化锌(ZnO)量子点在癌症诊疗中的应用与发展概况。

1、量子点的制备方法及特性

目前文献报道的量子点的制备方法包括物理、化学和电化学方法等,可分为自上而下和自下而上两大类。自上而下的方法包括通过液体剥离和电子束光刻将块状碳材料直接切割成纳米级量子点,这种方法具有原料丰富的优点,通常在边缘产生含氧官能团,从而有利于它们的溶解和官能化。然而,这种方法也存在一些缺点,例如产率低、缺陷密度大、尺寸和形状不可控等。与自上而下的方法相反,自下而上的方法是基于适当的分子前体(如小分子和聚合物)的生长,通过水热、微波辅助水热、软模板和金属催化方法等制备量子点,这种方法具有尺寸和形态可控等优点,但自下而上的方法有溶解性差等缺点[10,11,12,13]。石墨烯量子点(GQDs)可通过不同的方法合成,主要为两大类:自上而下(如电化学氧化)和自下而上(如微波辅助热解)的方法[4,14],如图1所示。

GQDs具有高比表面积、良好的生物相容性、低毒性、丰富的表面官能团、在不同溶剂中有良好的溶解性、化学惰性和稳定的光致发光性能[15],且拥有良好的近红外(NIR)吸收率、高光热转换效率、优异的导热性,从而获得了越来越多的关注[16]。GQDs的平面结构充满了离域电子,通过它们的两个面和边缘装载药物,从而赋予GQDs高效的药物负载能力,比其他纳米载体的负载量高200%[15]。与传统的纳米药物载体不同,GQDs通过强π-π堆积相互作用表现出对芳香族高分子的超高负载能力,其负载率高达4000%(质量比)[17]。

图1用于合成GQDs的自上而下和自下而上方法的示意图[17]

氧化锌(ZnO)量子点的生物相容性较好,细胞毒性很弱,因此非常适合应用于生物医学等领域。ZnO量子点可用于制备pH响应型药物递送系统,防止载体上负载的药物过早释放,达到药物的持续释放和控制释放。将ZnO量子点与其他载体连用,还可以提高载药量,提高抗菌活性和防止药物渗漏,荧光ZnO量子点还可用于在酸性环境下追踪药物释放和标记载体等。因ZnO量子点具有pH响应性且癌细胞的酸性环境能较好地将其触发,故可以考虑通过将ZnO量子点与其他疗法(如磁热疗、光热疗)相结合的方法来达到协同治疗的目的,从而增强治疗效果。

碳量子点(CQDs)是由分散的类球状碳颗粒组成,尺寸极小(在10nm以下),具有荧光性质的新型纳米碳材料[18]。自碳量子点被首次发现以来,人们开发了许多合成方法,包括电弧放电法、激光销蚀法、电化学合成法、化学氧化法、燃烧法、水热合成法、微波合成法、模板法等。碳量子点具有优异的光学性质、良好的水溶性、低毒性、低成本、合适的尺寸和良好的生物相容性,其对于生物标记等领域的研究至关重要,因此它的出现引起了研究者的广泛关注[19]。众多学者纷纷研发新型合成方法,制备了各种CQDs并将其作为药物载体等应用于癌症诊疗中。

2、在癌症诊疗中的研究与应用

癌细胞的多药耐药性(MDR)是化疗失败的重要原因之一,也是困扰肿瘤治疗研究者的一大难题。MDR是指肿瘤细胞对一种抗肿瘤药物产生抗药性的同时,对结构和作用机制不同的抗肿瘤药物产生交叉耐药性,又称多向性耐药。药物载体的使用有可能绕过多药耐药性问题,因为它们通过胞吞作用进入细胞,以这种方式避免细胞表面蛋白泵排出而失去疗效[20,21,22]。但药物载体必须具有低细胞毒性、生物相容性好、对药物的负载能力较强等一系列特点。下文从细胞毒性、荧光特性、智能递送能力和协同治疗性能四个方面概述GQDs、ZnO量子点及CQDs在癌症诊疗中的最新研究进展。

2.1细胞毒性

据报道,小尺寸(<10nm)的GQDs拥有催化活性表面、锋利的边缘,并且可以穿透细胞核,导致严重的细胞损伤[23,24]。为了防止对正常细胞造成损伤,作为药物载体等的量子点及其载药系统必须对正常细胞无毒性或毒性极低。

GQDs作为药物载体,具有低细胞毒性,但其负载的药物能有效提升对癌细胞的药效,GQDs进入细胞核后,这种增强作用与有效的核递送相结合,能显著增强负载药物(如阿霉素)的细胞毒性[7]。Dong等[24]通过π-π堆叠和疏水相互作用,将阿霉素(DOX)装载到由精氨酸、甘氨酸和天门冬氨酸组成的序列肽(RGD)上,再接合石墨烯量子点,用于癌细胞荧光成像、追踪监控细胞摄取和药物释放。研究结果表明,与DOX解联的GQDs对U251人类神经胶质瘤细胞无毒性;与游离的DOX相比,DOX-GQDs-RGD可以被有效摄取,对U251人类神经胶质瘤细胞的毒性更高,且其释放的DOX药效也有所提高。Su等[16]制备了GQDs@Fe3O4@SiO2纳米探针,并用癌靶向分子叶酸修饰,通过π-π相互作用将DOX装载在GODs上,用于靶向药物递送、感测、双模式成像和治疗,研究结果表明,Fe3O4@SiO2@GQDs-FA细胞毒性很低,且通过将DOX接合在Fe3O4@SiO2@GQDs-FA上增强了DOX对癌细胞的治疗效果。Javanbakht等[25]设计制备了阿霉素/羧甲基纤维素/石墨烯量子点(DOX/CMC/GQDs)纳米载药系统,结果表明,其具有长效、高效抗癌剂的潜力,且CMC/GQDs纳米复合材料对血癌细胞(K562)无明显毒性。Khodadadei等[14]采用水热法,以柠檬酸为碳源、尿素为氮源生成了N掺杂的GQDs(如图2所示)。氮掺杂石墨烯量子点(N-GQDs)具有较高的表面积和丰富的芳香环,通过强π-π堆积相互作用吸附甲氨蝶呤(MTX)分子,从而增加药物载药量。N-GQDs的高层结构会高度特异性地在层间介导MTX,从而产生包含抗癌药物的递送系统。体外实验表明,孵育时间短于24h时,游离的MTX快速扩散且扩散出癌细胞,比MTX-(N-GQDs)具有更高的细胞毒性。MTX-(N-GQDs)在癌细胞内外的滞缓扩散导致其在比较长的孵育时间内比游离的MTX具有更高的细胞毒性。

Shu等[26]在水热反应体系中通过硫酸碳化,实现了亲水性碳点CD(IL-HCD)和亲有机性碳点CD(IL-OCD)的同时形成。IL-HCD和IL-OCD都显示出低细胞毒性,且IL-HCD的细胞毒性低于IL-OCD的细胞毒性。通过疏水相互作用将抗癌药物姜黄素(Cur)与IL-OCD接合,构建药物递送系统,其中1,3-二丁基咪唑硝酸盐衍生的IL-OCD表现出最高的光致发光。其作为药物载体和递送系统,具有高载药效率,IL-OCD加速了抗癌药物Cur向细胞内的运输,显著加速了HeLa细胞的凋亡。

图2N-GQDs的制备及随后在肿瘤细胞环境中从N-GQDs表面释放MTX[14](电子版为彩图)

石墨烯量子点和碳量子点等应用于药物递送系统中,不仅对正常细胞的毒性低、生物相容性较好,而且能促进递送,对癌细胞具有更强的杀伤效力。

2.2荧光成像

GQDs的多孔三维网状结构,有利于药物装载和持续释放,在不同波长下展现出蓝、绿、红荧光,可用于体内成像。由于GQDs的量子产率总是较低,杂原子掺杂的GQDs具有改进的表面化学性能和改进的光学及电子特性。Gui等[6]在介孔二氧化硅纳米粒子(MSNPs)上涂覆蓝色荧光N-GQDs,装载药物DOX,最后涂布透明质酸(HA),制备了HA-DOX-GQDs@MSNPs纳米载药体系。研究结果表明,HA-DOX-GQDs@MSNPs纳米探针对药物释放的细胞内成像具有高灵敏度。GQDs的荧光信号可用于检测细胞摄取,因为DOX可以猝灭MSNPs中N-GQDs的PL强度,N-GQDs的PL光谱也可用于监测DOX的释放。Ding等[27]将DOX接合在GQDs表面,再通过组织蛋白酶D响应性P肽,将荧光染料Dy接合在GQDs上。GQDs的蓝色荧光可以追踪药物载体的内化过程;DOX的绿色荧光可以用来观察DOX的释放;由组织蛋白酶D触发的Cy的NIR荧光信号可以实时精确地评估化疗中的细胞凋亡(如图3所示)。这种多功能的超分子化合物可以满足监测药物输送、释放和反应的研究和临床需要,有助于建立个性化的抗癌手段。

图3用GQD-P-Cy和DOX@GQD-P-Cy孵育的4T1细胞的激光共聚焦扫描显微镜(CLSM)图像,用另外的组织蛋白酶D抑制剂处理作为对照。标尺:10μm[27]

Yang等[28]通过将GQD加载到hMSN的腔中来制备石墨烯量子点/中空介孔二氧化硅纳米粒子(GQDs@hMSN-PEGNPs)。通过荧光成像在具有GQDs@hMSN-PEG的肿瘤中发现显著的荧光,而没有发现游离DOX的信号。对于器官成像,在GQDs@hMSN(DOX)-PEG组中显示出比游离DOX组更高的荧光(约为游离DOX组的2倍)(如图4所示)。

ZnO量子点的荧光特性允许实时监控药物从孔中的释放。Qiu等[29]将荧光ZnO量子点、氧化型谷胱甘肽(GSSG)和氨基官能化的pSiO2NSs接合,ZnO量子点被氨基团修饰改性后,与纯ZnO量子点相比,ZnO-NH2量子点在同一位置显示出更强的荧光。

CQDs的生物相容性好,具有低细胞毒性和高水溶液分散性。Sarkar等[30]描述了一种简单、绿色且成本低、效益高的制备途径:使用芦荟,通过碳化将叶凝胶作为C源,制备出高度发光的CQDs(如图5所示)。所合成的CQDs具有激发、pH响应和极性依赖性发光及上转换荧光行为。CQDs除了具有这种独特的光致发光行为,还显示出优异的水分散性和生物相容性(通过MTT测定法测量)。CA-CQDs纳米杂化薄膜的药物摄取装载效率更高,释放速率更小,热稳定性更好。CA/CQDs水凝胶薄膜在β-CD的pH值为1.5时有较高的药物吸收容量(96%)和较低的释放速率(120h内释放56%),可用作药物递送载体,以控制万古霉素向胃区域的释放。

相较于药物递送系统中监测细胞摄取、药物释放等过程中所使用的容易被快速光漂白、化学稳定性较差、具有固有毒性等特点的有机染料,量子点更耐光漂白且荧光性能更稳定,更有利于监测载药体系在细胞中的摄取过程及在器官中的分布等。

图4GQDs@hMSN-PEG纳米粒子的制备及在小鼠体内与游离DOX对比的荧光图像[28](电子版为彩图)

图5以芦荟叶凝胶为原料合成CQDs的步骤[30]

2.3智能递送

大多数药物递送系统(DDS)的缺点是装载的药物在到达目的地之前遭受了意外的持续过早释放。因此,开发能够在目标部位实现药物的爆发性释放,同时在循环期间有效地封装药物的智能药物递送系统是非常重要的。智能药物递送系统可响应不同刺激,如pH值、氧化还原、酶活性、辐射和静电相互作用。在这些触发因素中,pH值响应是非常有吸引力的,因为与正常组织相比,肿瘤和炎性组织周围的环境更偏酸性,且内体和溶酶体中的pH值甚至更低[31]。

GQDs被合理地制造成可追踪的药物递送系统,既可通过pH敏感将化学治疗药物靶向递送到癌细胞中,也可以作为纳米阀门把控载体中药物的释放,达到控制释放的目的,减小药物对正常组织细胞的毒副作用。Liu等[32]将GQDs引入到聚吡咯/介孔二氧化硅(PPy/mSiO2)表面,通过与功能化mSiO2形成氢键把控MTX的装载(如图6所示)。GQDs帽拥有阻断MTX从纳米载体中释放出来的能力;在NIR光照射下,温度逐渐升高,GQDs和mSiO2之间的氢键断裂,GQDs帽脱掉,随后包覆的MTX从纳米载体中释放出来。Qiu等[33]采用RGD修饰GQDs并装载药物DOX,结果证实了使用GQDs作为可追踪的药物递送系统的可行性,其具有将pH引发的药物递送至靶细胞的能力,利用连接GQDs与DOX的氢键对pH的依赖性,载药体系仅在癌细胞内释放DOX;此外,基于GQDs(载体)和DOX(药物)的内在荧光性质,成功监测并证实了受控的药物释放行为。

图6PPy/mSiO2的合成示意图以及GQDs帽对MTX的封装和NIR光触发的MTX递送[32](电子版为彩图)

ZnO量子点容易制备、成本低,并且显示出对酸的响应。ZnO量子点在pH=7.4的条件下是稳定的,在pH<5.5时,ZnO量子点具有快速溶解成Zn2+的能力(如图7所示)[34,35]。因此ZnO量子点可以用于pH响应性控制释放。Qiu等[36]将ZnO量子点和HA通过酰胺键与pSiO2NSs的外表面缀合,以封装药物。通过ZnO量子点的酸性溶解和HA的酶促水解来实现药物从ZnO/HA-把控递送系统的控制释放。研究结果表明,ZnO/HA-门控pSiO2递送系统可以实现在生物环境下最小化阿莫西林(AMX)的过早释放和药物的pH/酶响应释放,而且荧光ZnO量子点可用于酸性环境下追踪药物释放。Justin等[34]开发了一种新型的pH响应多功能介孔二氧化硅纳米粒子(MSN),通过静电相互作用将氧化锌(ZnO)量子点引入到MSN上。所获得的ZnO@MSN药物递送系统在生理环境下达到“零过早”药物释放。Zhang等[37]采用ZnO量子点密封pSiO2NSs的纳米孔,研究结果显示了较低的提前释放和pH/氧化还原响应释放。

图7阿莫西林负载的ZnO-门控pSiO2-GSSGNSs在不同pH条件下的荧光谱图[34](电子版为彩图)

Qiu等[28]通过将ZnO量子点、氧化型谷胱甘肽(GSSG)和氨基官能化的pSiO2NSs接合,设计和制备了新型蛋白酶/氧化还原/pH三重响应递送平台(如图8所示)。除了具有pH刺激响应能力之外,GSH还能裂解GSSG中的二硫键,因此可以打开ZnO纳米棒的阀门。研究结果表明,随着GSH浓度从0mmol/L增加到10mmol/L,释放效率逐渐增大。在没有GSH且pH=7.4的条件下,释放药物的量在12h内仅为4.0%,最小的药物渗漏表明ZnO纳米棒具有良好的包封药物的封盖性能。当加入10mmol/LGSH时,其表现出快速的药物释放,并且6d后药物共释放约46.2%。药物释放速度比酸性条件下缓慢,结果表明药物递送系统是高度氧化还原依赖性的。

图8用于载药和释放的ZnO-门控pSiO2-GSSGNSs的制备[28]

Cai等[38]采用PEG修饰ZnO量子点,将DOX加载到HA修饰的PEG-ZnO量子点上,并在酸性细胞内通过溶解ZnO量子点和药物-金属络合物解离而迅速释放DOX。研究结果表明,改性ZnO量子点的DOX加载高达30%,对应于83.4%的加载效率。在pH=5.0的缓冲液中,在80h后释放近72%的DOX,但在pH=7.4的缓冲液中释放的DOX的量不超过36%。他们还观察到浓度依赖和时间依赖的细胞毒性,证实了HA-ZnO-DOX系统的持续药物释放行为和控制释放能力。

Bayda等[39]以黑茶为原料制备了碳纳米粒子(CNPs),其为一种新的纳米载体,可用于图像细胞分离以及药物传递。这些新的CNPs可以避免被溶酶体分解并迅速分布在细胞质中,以释放具有比游离药物更好功效的多柔比星(Doxo),这些CNPs可以有效地装载广泛使用的化学治疗药物Doxo,并且在酸性肿瘤微环境中表现出可控释放。Chiu等[40]使用一锅微波方法在10min内合成了S、N和Gd三元素掺杂的磁荧光碳量子点GdNS@CQD(如图9所示),在生理条件和离子强度下表现出高稳定性。这些磁荧光GdNS@CQD具有优异的荧光和磁性。研究结果表明,N、S元素的共掺杂显著增加了量子产率,而用Gd离子掺杂则降低了量子产率。细胞暴露于各种浓度(20～1000μg/mL)的FA-GdNS@CQD下24h时,细胞活力也没有显著差异,超过90%的HeLa细胞存活。这些结果清楚地表明FA-GdNS@CQD在癌细胞中具有优异的生物相容性和低毒性。在HeLa和HepG2细胞中使用体外荧光和MR双模态成像证实了FA-GdNS@CQD的靶向能力。DOX被纳入FA-GdNS@CQD中制备的FA-GdNS@CQDs-DOX显示出高的阿霉素负载量(约80%)和DOX的pH响应性药物释放。

图9GdNS@CQDs合成示意图[40](电子版为彩图)

药物的智能递送系统是精心设计的系统,通过各种手段触发药物时将药物递送到目标位置。在这些DDS中可以使用不同的刺激来触发药物的释放,以便在指定的区域和时间按需释放药物。一般来说,DDS中的刺激可以被归类为内生和外生两种途径。内源性刺激包括在癌细胞内部发现的酸性环境、还原环境、活性氧(ROS)和过度表达的酶。外源性刺激包括使用电磁辐射,如可见光的UV光、近红外(NIR)光、γ射线照射以及超声波的应用和磁场从外部触发释放药物。

2.4协同治疗

由于多药耐药性及控制释放不足以有效治疗癌症,现在许多研究将化疗与磁热疗、光动力疗法(PDT)和光热疗法(PTT)结合在一起获得协同治疗效果[15]。磁热疗通过直接注射、静脉注射或介入等方式使产热材料定向聚集在肿瘤部位,并在交变磁场的作用下发生磁致产热效应,将肿瘤组织加热,以达到杀灭肿瘤组织细胞的目的。而光热治疗法是利用具有较高光热转换效率的材料,将其注射到人体内部,利用靶向性识别技术聚集在肿瘤组织附近,并在外部光源(一般是近红外光)的照射下将光能转化为热能从而杀死癌细胞的一种治疗方法。Justin等[27]合成了磁性石墨烯-氧化铁量子点(MGQDs),并将其用于荧光成像、磁共振成像(MRI)、靶向药物递送和与光热疗法相结合治疗疾病的多功能纳米体系。在NIR照射下,MGQDs具有比GQD或蒸馏水更高的温度,因为氧化铁是更有效的NIR吸收剂,可以在低浓度和激光功率下实现更显著的温度升高。与GQD相比,这种较高的NIR吸收允许MGQD在体外激光消融实验期间降低更多的癌细胞活力。Tian等[15]将药物的控制释放、pH响应性释放和光热治疗结合在一起以增强治疗效果,他们在研究中报道了ZIF-8/GQD多功能纳米粒子的合成,药物载体对抗癌药物的装载以及化学疗法和光热疗法相结合的协同治疗。由于近红外辐射,ZIF-8/GQD不仅可以有效地产生热量以提高温度,而且还具有pH响应性药物释放行为。ZIF-8/GQD纳米颗粒对乳腺癌4T1细胞具有可忽略的细胞毒性,DOX-ZIF-8/GQD纳米颗粒可被4T1细胞摄取。由于pH响应性的DOX释放及GQD的光热效应,DOX-ZIF-8/GQD纳米颗粒显示出杀死癌细胞的协同作用。因此,DOX-ZIF-8/GQD纳米粒子可能成为潜在的癌症治疗多功能系统。更重要的是,与单纯化疗、磁热疗或光热疗法相比,联合化疗-磁热疗法或化疗-光热疗法表现出协同效应,从而具有更高的杀死癌细胞的效力(如图10所示)。

图10没有游离DOX的溶液和ZIF-8/GQD与DOX-ZIF-8/GQD混悬液(DOX:5μg/mL,ZIF-8/GQDs:100μg/mL)在没有NIR照射和用3min的NIR照射孵育8h后4T1细胞的细胞活力[15](电子版为彩图)

光动力疗法(PDT)是一种用于治疗日益增加的全球癌症的技术。目前的癌症PDT基于在光和氧存在下产生光敏细胞损伤(通过凋亡情况和癌细胞的内皮损伤)的光动力效应(PDE),单线态氧产生机理如图11所示[41]。Choi等[8]通过固相法合成的NaYF4∶Yb3+,Er3+UCNP被聚乙二醇(PEG)修饰后具有良好的溶解性。通过与EDC偶合,将GOQD接合到UCNP的表面以获得有效的药物递送。然后光敏剂HA通过π-π堆积作用接合在制备的纳米粒子表面。HA/GOQD/UCNP通过细胞摄取以及在辐照下产生单线态氧施加光动力学效应,具有比HA/GOQD更高的效力。然而,光动力治疗受到肿瘤部位缺氧环境的限制,其开发应用还有待进一步的提升。

使用近红外(NIR)光吸收材料将光能转化为热能以热消融肿瘤细胞的光热疗法(PTT)已经被广泛探索,其具有许多优点,例如副作用少、特异性高以及对正常组织的创伤最小化[42]。PTT已被证实是利用电磁辐射产生的高热抑制癌症的有效策略。与传统化疗相比,PTT可以局部和选择性靶向肿瘤区域,同时对正常组织友好。碳纳米材料(包括MFCQD、CDs和CNT)显示出强烈的NIR吸收和高的光热转换效率。药物的释放可以通过NIR光选择性刺激,使细胞内药物积累,从而提高杀死癌细胞的效率。在这里,低pH值和NIR被认为是理想的触发器,可以实现抗癌药物的选择性释放和靶向转运[43]。Ardekani等[44]通过双光子激发远程启动药物释放和光热疗法合成了光敏纳米颗粒CND-P@DOX(如图12所示),用于破坏乳腺癌细胞(MCF-7)。CND-P的量子产率(QY)达53%,是分别从单独柠檬酸和组合尿素中所获得QY的13倍和5倍。测量CND-P的载药量为0.98(质量比),其具有通过双光子激发将DOX转运和释放到MCF-7细胞中的能力。由于CND-P的光热效应,MCF-7细胞凋亡增加,并且通过DOX和CND-P的光热效应的综合作用,DOX诱导细胞死亡的能力增强。3D培养的细胞活力结果表明,联合的化学-光热治疗破坏癌细胞的比例显著大于单独的CND-P或DOX,其相对增强因子分别为2.6和1.8。这项工作具有利用双光子触发药物递送与装载有适当药物的CND-P联合的可能性。通过双光子激发联合化疗和光热疗法来破坏MCF-7细胞而不损害血红蛋白、肌红蛋白和黑色素细胞的先进策略可能是治疗其他癌症细胞的有效方法。

图11(a)光敏剂(PS)通过将能量转移到氧气从1PS*和3PS*的单重态和三重态激发态产生单线态氧1O2以及(b)直接激光产生单线态氧1O2的光动力学机理[41]

图12生物相容性CND-P用于多功能按需药物释放和通过双光子激发的组合化学-光热疗法的合成示意图[44]

尽管PTT具有显著的治疗效果和低副作用,但其受到光穿透深度的限制。因此,PTT可能无法治疗内部癌症,只适用于临床上的皮肤癌。合格的光热剂的标准包括:(1)可在NIR光照下产热;(2)优异的光热转换效率;(3)良好的生物相容性和生物降解性;(4)容易合成。产生的热量也应该大于42℃,以引起细胞死亡。另外,PTT药物的潜在光毒性尚未完全了解,需要进一步研究。

目前有较多的研究者将GQDs和CQDs与光热疗、磁热疗等疗法相结合,以增强对癌症的治疗效果,通过对GQDs与CQDs进行掺杂来提高对药物的负载量,结果表明均有一定的效果。联合治疗癌症已成为癌症治疗未来发展的重要趋势。与单一疗法相比,联合疗法可以减少药物剂量,从而减小治疗过程中的副作用。更重要的是,组合疗法具有克服或减小肿瘤细胞的多药耐药性,从而提高治疗效果。显然,联合治疗可能会给下一代的癌症治疗带来一个新的机会。但是由于光热疗和磁热疗等受到组织深度和需要外加磁场等限制,欲将其应用于临床治疗,还需要进行更多的相关研究来改进。

3、量子点在癌症诊疗中的应用总结

表1对其他的一些量子点载药系统从其装载的药物类型、响应性类型、量子点特性及其应用等方面进行了总结,以便更加直观、具体地了解目前量子点在癌症诊疗中的应用情况。

表1量子点在癌症诊疗中的应用

4、结语与展望

本文总结的许多纳米载药系统可在癌症中实现更好的成像和治疗效果。通过多模式偶联将纳米结构中的药物和靶向配体接合,以使与传统化疗有关的抗癌药物的毒性和不能观察到的副作用最小化。由于表面功能丰富、量子限域和边缘效应,GQD显示出许多不同于石墨烯的新颖物理性质。许多接合GQD的载药系统具有同时追踪载体和释放药物的能力,可以满足监测药物输送、释放和反应的研究和临床需要,这有助于建立个性化的抗癌治疗方案。荧光ZnO量子点的荧光特性允许实时监测酸性环境下的药物释放,这使得基于ZnO量子点的pH响应系统成为生物医学应用的理想的独特药物加载系统。CQD的内在芳环和π-π共轭化学键具有优异的光热转换能力,因此可以吸收并有效地将NIR光转化为热量,从而用于将光热疗和化学疗法相结合的多功能载药系统。

药物载体的使用有可能绕过多药耐药性问题,因为它们是通过胞吞作用进入细胞,从而避免细胞表面蛋白泵。但控制释放也不足以有效治疗癌症,现在许多研究将化疗与磁热疗、光热疗和基因治疗结合在一起,获得了协同治疗效果。与单纯化疗、磁热疗或光热疗法相比,联合化疗-磁热疗法或化疗-光热疗法表现出协同效应,具有更高的杀死癌细胞的效力。此外,表面改性的最新进展减弱了生物系统中无机材料的可能毒性效应。因此,为多功能药物递送提供了平台,允许同时检测多种分子靶标,并通过将特定药物递送至靶位点来进行治疗。药物递送系统具有能克服如细胞毒性、副作用、药物疗效低等缺点的巨大潜力,有效地在目标位置提供药物,这也打开了克服某些靶细胞耐药性的可能途径。但作为药物递送系统,在实际应用中仍面临一定的限制。因此需要探索药物输送的领域,以获得癌症治疗的治愈结果:

(1)通过药物递送提升对早期肿瘤的探测、靶向和治疗。

(2)克服药物递送的生理屏障,研究是否可改善肿瘤微环境,增加药物渗透。

(3)药物递送系统需要进一步提高目标药物的载药量和稳定性,考虑多种药物同时递送和多种靶向性药物递送系统。

(4)减小药物递送系统在实际靶位点药物释放潜力的差异,解释抗癌药物在癌细胞内被降解(包括内吞等)的机制。

朱俊名,董梁,秦溱,李振楠,袁青梅.碳基及氧化锌量子点在癌症诊疗应用中的研究进展[J].材料导报,2020,34(09):9075-9085.

基金:国家自然科学基金(21502166);云南大学第十届科研创新项目(2018211)