荧光纳米材料在生物医学成像中的应用及发展

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荧光纳米材料在生物医学成像中的应用及发展

荧光成像技术作为生物医学研究领域的重要手段，凭借其组织破坏性小、无有害电磁辐射、成像设备成本低等优势，在生命科学基础研究、临床前医学研究及药物研发等领域发挥着关键作用。随着纳米技术的飞速发展，荧光纳米材料因其独特的光学特性，成为该领域的研究热点，为生物成像带来了革命性的突破。

荧光纳米材料的类型及特性

荧光纳米材料是指具有荧光性质且至少有一维尺寸处于 1-100nm 量级的超微小材料，其种类丰富，各有独特特性，为生物成像提供了多样化的选择。

基于有机荧光染料的纳米颗粒

有机荧光染料如荧光素类、罗丹明类等，是生物医学研究中常用的荧光探针。将有机染料分子与纳米颗粒结合，可通过两种方式制备荧光纳米颗粒：一是利用有机聚合物或无机纳米颗粒将有机染料分子包裹在内部；二是通过化学或物理方法使有机染料分子吸附在纳米颗粒表面。

这种结合方式能提高染料分子在生物体环境中的稳定性，防止其在生物组织内扩散。同时，通过表面修饰连接蛋白或生物分子，可实现对细胞及活体肿瘤组织的特异性标记与荧光成像。例如，钱骏等利用二氧化硅纳米颗粒包覆有机荧光分子（PpIX），制备出的 PpIX@SiO₂纳米颗粒在水中分散性良好，适用于离体细胞和活体成像。

2001 年发现的聚集诱导发光（AIE）材料具有特殊分子结构，在聚集态时荧光强度远大于稀溶液中，有效解决了传统有机荧光染料在高浓度下荧光猝灭的问题。如本课题组利用双亲性聚合物 mPEG-DSPE 包裹疏水性 AIE 材料（StCN）制备的纳米胶束（StCN@PEG），稳定性高，能在肿瘤部位富集，用于肿瘤活体荧光成像。

半导体量子点

半导体量子点通常由 II-Ⅵ 族（如 CdS、CdSe、CdTe）或 III-Ⅴ 族（如 InP、InAs）元素组成，粒径介于 1-10nm 之间。由于尺寸小于或接近激子波尔半径，其内部电子和空穴被量子限域，连续能带结构变为分立能级结构，受激后可发射荧光。

量子点的荧光发射波长可通过尺寸调节，选择适当材料和尺寸，能获得覆盖范围宽的荧光发射谱。与传统有机荧光染料相比，它具有吸收谱宽、发射谱窄、无光漂白、易于表面修饰等优点。

在制备方法上，高温热解法是常用的经典化学制备方法。中国科学院唐芳琼教授等在无毒的油酸 - 液体石蜡体系中合成 CdSe 量子点，为 II-Ⅵ 族量子点的 “绿色” 制备开辟了新方向。然而，多数半导体量子点含重金属元素，其潜在生物毒性和环境污染问题不容忽视，发展环境友好的量子点是重要方向。

碳基荧光纳米材料

碳基荧光纳米材料包括纳米金刚石、碳纳米管、氧化石墨烯纳米颗粒、碳基量子点等。纳米金刚石通过氮、硼等元素掺杂可获得优良荧光特性，但制备和掺杂困难限制了其应用。

碳纳米管在近红外波段的荧光特性使其在活体动物荧光成像领域应用广泛，如美国斯坦福大学 Dai 等将水溶性碳纳米管注射到活体小鼠血液中，利用近红外二区荧光成像技术获得血管成像信息。但碳纳米管尺寸较大，难以在体内代谢且有潜在毒性。

氧化石墨烯（GO）纳米材料具有良好的生物相容性和易于表面功能化的特点，由于表面存在缺陷和含氧基团产生带隙，能够产生荧光现象，可用于离体细胞和活体成像。

碳基量子点（CQDs）具有激发光谱宽且连续、荧光稳定性高、荧光波长可调等优点，且主要由 C、H、O、N 等元素组成，生物相容性良好。其制备方法主要有 “自上而下” 法和 “自下而上” 法两类，在生物荧光成像中应用前景广阔。

稀土掺杂上转换发光纳米材料

上转换发光纳米材料是掺杂有稀土元素的纳米晶体，可吸收两个或两个以上红外光子，发射一个可见光子或近红外光子。与传统发光材料相比，它具有较低的细胞毒性、较高的生物兼容性、几乎为零的背景噪声、长荧光寿命、无光漂白性等优势。

上转换发光纳米材料在生物光子学研究中应用广泛，如美国纽约州立大学布法罗分校 Prasad 教授研究课题组通过尾静脉注射上转换荧光纳米材料到小鼠体内，获得高对比度的深层光学成像结果。此外，在表面修饰、活体分布研究及生物毒性分析等方面也有大量研究，为深层光学生物治疗提供了可能。

荧光纳米材料在生物医学成像中的应用

荧光纳米材料在生物医学成像中的应用广泛，涵盖了从细胞成像到活体成像等多个层面，为疾病的诊断、治疗及研究提供了有力工具。

纳米探针的研发

纳米荧光探针凭借量子尺寸效应和小尺寸效应呈现出独特光学性质，与传统有机荧光染料相比，具有较好的激发及发射特性，可通过调整大小和组成控制光学波段，且荧光强度高、稳定性强、寿命长、生物相容性好，在病灶和靶标的标记及生物体内代谢分布研究中优势显著。

基于小动物活体成像技术开发的探针，根据荧光纳米材料不同主要包括量子点、金属纳米粒子、上转化纳米材料、半导体聚合物纳米材料等。例如，Yaping Wang 等开发的 MMP-2 敏感性量子点纳米探针，可检测 MMP-2 过表达的肿瘤；Liyuan Pan 报道的上转化纳米探针，能对活体内胃肿瘤进行靶向标记；Shuhendler 等报道的复合型纳米探针，可实时同时监测小鼠肝内部的活性氧（ROS）以及活性氮（RNS），用于评价药物的急性肝毒性。

纳米药物载体研究

纳米药物载体成为医药学研究的重要领域，相对于传统药物展现出巨大优势：可通过连接特异性化合物等提高药物靶向性；通过细胞内吞等机制进入细胞，提高生物膜透过性和细胞内有效药物浓度；降低非有效作用部位药物浓度，减少毒副作用；具有纳米缓释特性和高度分散性，提高药物时效性和利用率。

应用小动物活体成像技术对纳米药物载体的研究，主要是评价其在小动物体内的分布特性及靶向性，以评估药效提高和毒副作用。可通过对疾病细胞进行荧光或生物发光标记，观测纳米药物载体对药物药效的提高；也可直接对纳米载药系统进行荧光标记，观测其在动物体内的分布及定位情况。

如 Rong Xu 等开发的可注射纳米粒子发生器 iNPG-pDox，能突破体内多种生物屏障，高效靶向乳腺癌的肺转移瘤，治疗效果显著；Hai Wang 等开发的仿真核细胞纳米载药系统 LC60S，可同时装载 ICG 以及 DOX，实现对肿瘤的靶向治疗和实时监测双重功能。

纳米材料生物相容性和安全性评价

纳米材料进入机体的过程与其生物相容性密切相关，在纳米探针开发和纳米药物载体构建中，组织相容性是重要考虑因素。所有纳米材料作为活体研究工具，都需要进行安全性评价，肝毒性评价实验是常用的评价方式之一。

例如，军事医学科学院的 Zhang Y 等构建了肝脏急性炎症反应模型，用于评价纳米材料的肝毒性。研究发现纳米金因形貌和粒径不同，激活 SAA 表达程度存在差异，且 GNP50 诱导 SAA 激活的过程通过 NF-κB 通路实现。

荧光纳米材料生物成像的发展前景与挑战

基于荧光纳米材料的生物成像研究是多学科交叉领域，新材料、新技术、新应用层出不穷。尽管取得了诸多研究成果，但要将其转化为临床应用，仍面临一些挑战。

近红外荧光成像的应用是生物荧光成像的发展趋势，设计制备具有低生物毒性的近红外荧光纳米材料是生物医用荧光探针发展的重要方向。多光子荧光成像所需激发光波长更长，在生物组织的吸收和散射较小，能显著提高成像分辨率及成像深度，纳米材料的多光子荧光特性研究对开发新型多光子激发荧光探针具有重要价值。

此外，纳米材料的细胞毒性、组织器官毒性等生物医学评估研究必不可少，通过对材料毒性的研究分析，可指导材料的设计和制备，开发具有更好生物兼容性的生物医用材料，为临床肿瘤治疗等提供新的解决方案。

随着纳米技术与生物医学研究的进一步融合，荧光纳米材料在生物医学成像领域必将发挥越来越重要的作用，为生命科学研究和医学发展带来更多突破。