量子点在检验医学领域中的研究进展

分类：论文范文 发表时间：2021-09-27 10:13

　　【摘要】随着现代检验医学的不断进步，检验医学与化学、物理学、生物学等多学科交叉结合已成为必然发展趋势并受到广泛关注。量子点作为化学领域极具应用前景的新型纳米材料，为检验医学研究带来了新的思路。该文总结了量子点在感染性疾病、肿瘤等疾病诊断中的研究现状与进展，探讨了基于量子点的现有检测技术的优缺点，以期为未来该纳米材料在检验医学中的应用提供理论思考。

　　【关键词】量子点；检验医学；感染性疾病；肿瘤；多重检测

　　随着精准医疗概念的提出，生命现象相关研究已深入到细胞、分子水平。对生命过程中起重要作用的核酸、蛋白、多肽等多种类型疾病诊断标志物的高灵敏度、高准确性检测已成为当下研究热点。而疾病诊断方法学的快速发展离不开新技术、新方法及新材料的应用。荧光检测技术是生命科学领域研究的重要方法之一，传统有机荧光染料自身荧光性能存在缺陷，导致了其在医学应用中的局限。而新型纳米技术和纳米材料的飞速发展为生物信息的快速、准确、实时、动态以及高效获取开拓了新的道路。作为一种新型半导体纳米材料，量子点因其独特的光学特性及良好的光化学性质，作为纳米医学[1]、纳米材料科学[2]及生物医学[3]等领域连接的桥梁，已被广泛应用于多个领域的研究。本文将围绕量子点在检验医学中的研究进展和前景进行述评，为量子点在今后生物医学中的应用及发展方向提供理论思考。

　　1量子点的发展

　　量子点起源于20世纪70年代中期，Alivisatos和Nie两个研究小组于1998年分别在Science上报道了将量子点作为生物探针，这是首次将量子点作为生物荧光标记并应用于活细胞体系，解决了量子点水溶性及表面活性基团与生物大分子偶联的问题[4-5]，并由此开启了量子点在生物医学领域的研究热潮。2004年，Gao等[6]通过改进量子点的表面修饰，在活体内对目标分子进行超灵敏的多重成像，首次获得了较为理想的活体动物实验结果，为量子点的活体应用奠定了基础。近年来量子点已被广泛应用于有机小分子传感器、无机离子传感器、生物大分子传感器、生物体内外成像、环境中重金属离子检测及食品安全检测等领域[7-11]，成为了连接纳米技术、纳米生物技术和纳米医学领域的桥梁。

　　2量子点的特性

　　量子点是一种半导体无机荧光纳米晶体，通常由来自元素周期表中Ⅱ-Ⅳ族［例如碲化镉（CdTe）］或Ⅲ-Ⅴ族［例如磷化铟（InP）］的元素组成，其直径范围通常在1～20nm[12]。由于它的物理尺寸小于激子的波尔半径，所以具有表面效应、量子尺寸效应、量子限域效应和量子隧道效应，致使量子点具备独特的光学和电学性质[13]。与传统有机荧光染料相比，量子点具有以下理化特性：①波长可调节，可通过控制量子点的尺寸或组成比例来呈现不同颜色荧光；②具有较窄且对称的发射光谱，减少检测中的光谱重叠；③荧光效率高、寿命长；④性质稳定，不易光漂白和光解[5,14-15]。

　　3量子点在检验医学领域的研究现状

　　由于传统有机荧光染料发射光谱较宽，对多个不同标记的生物分子同时检测时会形成重叠，限制了其在多重检测中的应用。利用量子点的多重性（即不同量子点发射不同的荧光颜色并且不发生重叠）可以实现对生物分子群进行大规模组合标记，从而将量子点广泛应用于感染性疾病、肿瘤、其他包括金属离子在内的检测。

　　3.1量子点与感染性疾病检测

　　在感染性疾病诊断中，特定病原体的准确检出是临床确诊的重要依据。而现有感染性疾病的检测方法如微生物培养、免疫学检测、分子诊断等存在检测周期长、特异性低及检出率低的局限。而量子点为解决上述问题提供了可行性。

　　3.1.1感染性疾病病原体核酸检测结核是全球最大的单一感染性病原体致死原因，早期、准确且能负担的检测、诊断及治疗是控制和消除结核病的基石[16]。伴随分子生物学的发展，大量用量子点作为标记、最终通过检测量子点的荧光强度对目标物进行定量检测的分子诊断技术具有比普通荧光检测更高的灵敏度。利用量子点荧光偏振技术，以不同量子点作为标记，同时检测结核杆菌GBP6和TM-CC1基因，实现了基于量子点的多重检测，为结核病诊断新方法开拓了新的道路[17]。

　　人类免疫缺陷病毒感染合并乙型肝炎病毒感染可增加肝硬化、肝细胞癌的发生风险以及肝脏相关疾病的病死率，对此类患者进行早期诊断并及早确定治疗方案尤为重要。Wang等[18]建立起基于双色石墨烯量子点和碳纳米颗粒的生物传感平台，结合核酸外切酶Ⅲ辅助信号放大，可同时检测多靶标且检出限低至6.6pmol/L，证明了量子点具备高灵敏度且可实现多重检测的特性，对于临床诊断具有巨大的潜力。

　　准确检测细菌耐药性有利于临床治疗效果评估。传统细菌培养药物敏感性试验检测周期长，准确性低，受人为因素影响较大；检测细菌耐药基因用以评估细菌耐药性准确性较高，然而成本高昂。Hong等[19]提出了一种量子点-DNA水凝胶作为DNA分析平台，通过靶DNA对DNA发夹的循环打开的无酶DNA自组装放大，实现对低至6fmol/L的靶DNA的高灵敏度检测，同时具备成本低、特异性高、操作简单且耗时短（1h）的优势。该技术成功用于肺炎克雷伯菌碳青霉烯酶基因（耐药性病原菌的关键靶标之一）的准确检测，对临床制定用药方案、指导临床合理使用抗菌药物及精准治疗具有重大意义。

　　3.1.2感染性疾病蛋白质检测

　　肉毒梭菌神经毒素（botulinumneurotoxin，BoNT）是已知生物毒素和化学毒素中毒性最强的物质，其对人的半数致死量为0.1～1.0ng/kg。其血清型E（BoNT/E）是导致人类肉毒杆菌中毒的血清型之一，并且是食源性肉毒杆菌中第二常见原因。有研究报道关于BoNT/E的免疫学检测方法[20]，但普遍存在灵敏度低、交叉反应等缺点。Wang等[21]研究了一种基于量子点和暗淬灭剂标记的肽探针之间进行共振能量转移的纳米生物传感器以检测BoNT/E，该法操作简单，检测限低至2ng/mL，且在非靶标BoNT血清型的测试中，纳米生物传感器对靶标表现出良好的特异性、灵敏性。基于量子点生物传感器对BoNT快速而准确的检测方法为临床迅速判定细菌感染严重程度及防止病情恶化提供了可靠的参考指标。

　　3.2肿瘤检测方面的研究

　　肿瘤是危害人类健康及影响寿命的主要疾病，肿瘤筛查是早期发现癌症和癌前病变的重要途径。但大多数肿瘤标志物与某一种特定肿瘤仅具有相关性，特异性较低，因此，对肿瘤标志物进行多重检测，提高诊断灵敏度和特异性，对肿瘤诊断意义重大。而基于量子点的新技术有望实现临床肿瘤的早发现、早治疗。

　　4量子点存在的问题与改进

　　虽然荧光量子点纳米材料具有传统有机荧光染料无可替代的优点，但量子点也存在着一定的问题。首先，大部分量子点都含重金属元素，如镉（Cd），易引发肾脏、肺等器官中毒与病变，且对人类环境产生污染问题，限制了量子点在医学领域的广泛应用[40]。其次，量子点具有“闪烁”现象和“光变亮”效应。“闪烁”现象是指量子点在发射态和非发射态之间的转换是随机的，导致其荧光闪烁，影响对单个量子点的检测；“光变亮”效应是指随着对量子点的持续激发，量子点荧光强度会逐渐增强，影响定量检测。但随着纳米技术的发展以及对量子点荧光探针制备技术和表面修饰的不断完善，合成毒性低、性能稳定、生物相容性好、特异性高的量子点将广泛应用于医学领域。例如，Goreham等[41]证明了叶酸修饰的氧化石墨烯量子点缺乏细胞毒性，并将其应用于人永生化角质形成细胞HaCaT荧光寿命成像中。Zhu等[42]通过含氧芳香化合物在紫外线照射下的自由基聚合，成功建立了一种环保、快速且通用的石墨烯量子点制备方法，所获得的石墨烯量子点表现出良好的光学和生物学特性，大小不同的石墨烯量子点可用于体外和体内荧光生物成像。该方法不仅适用于制备石墨烯量子点，而且适用于掺杂其他原子的石墨烯量子点。Reshma等[43]评估了2种不含重金属的硒化锌（ZnSe）/ZnS量子点的毒性，获得的结果表明，ZnSe/ZnS量子点在浓度低于100μg/mL时对细胞活力的影响最小，其对小鼠注射10mg/kgZnSe/ZnS量子点，未观察到临床或行为变化，也未引起血液学参数的任何变化以及体重的降低，仅肝脏出现中度病理改变，其他脏器如肾、脾、脑均未见毒性表现，该研究为将来ZnSe/ZnS量子点在生物医学中的应用奠定了坚实的基础。Chandrasekaran等[44]新合成的InP/ZnSe量子点显示出非常弱的“闪烁”现象，并且具有简单的开/关闪烁模式。

　　5量子点在检验医学研究中的展望

　　随着现代生物学技术的不断发展及对量子点荧光纳米材料的深入研究与改进，量子点将成为未来生物标记的首选，包括对种类繁多而复杂的生物分子进行大量平行标记，应用于检验医学蛋白质和DNA生物芯片，实现在基因组学、蛋白质组学等研究领域的突破性进展。无论是在蛋白质组学方面的细菌毒素、细胞因子、细菌菌体、肿瘤标志蛋白检测，还是在基因组学方面的病原体核酸、耐药基因、肿瘤突变基因检测，量子点均表现出极其出色的特点，各种基于量子点的光学和电化学生物分析以高灵敏度和高特异性成功地检测出多种物质。相信将来在生物学家、物理学家、化学家的不断研究探索下，量子点将克服其毒性、闪烁、光变亮等缺点，表现出更加优异的性能。非传统量子点的发现、合成及修饰将为量子点的体内临床应用铺平道路。量子点作为极具潜力的荧光标志物，集发射光谱窄而对称、光谱多样可调和荧光强度稳定等诸多优点于一身，在医学检验领域具有非常广阔的发展前景和应用价值。

　　参考文献

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　　3、WagnerAM,KnipeJM,OriveG,etal.Quantumdotsinbiomedicalapplications.ActaBiomater,2019,94(7):44-63.

　　4、BruchezM,MoronneM,GinP,etal.Semiconductornanocrystalsasfluorescentbiologicallabels.Science,1998,281(5385):2013-2016

　　林倩黎1,2，叶远馨1，李美1，王旻晋1，应斌武1

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