鄭 琤，李詩(shī)華，宋曉榮

(福州大學(xué)化學(xué)學(xué)院，福建 福州 350108)

金屬納米團(tuán)簇是一類(lèi)尺寸小于2 nm，由1～150個(gè)金屬原子堆積而成的納米材料. 金屬納米團(tuán)簇具有典型的核殼結(jié)構(gòu)，由金屬原子內(nèi)核和配體分子殼層構(gòu)成. 配體通常是帶有氨基、 巰基、 磷類(lèi)基團(tuán)等與金屬原子存在較強(qiáng)共價(jià)作用的物質(zhì)，如硫醇化合物、 樹(shù)枝狀大分子、 聚合物、 脫氧核糖核酸(DNA)、 多肽、 蛋白質(zhì)等[1-2]. 目前金納米團(tuán)簇(AuNCs)、 銀納米團(tuán)簇(AgNCs)、 鉑納米團(tuán)簇(PtNCs)、 銅納米團(tuán)簇(CuNCs)等多種金屬納米團(tuán)簇已被廣泛合成，近年來(lái)在生物標(biāo)記、 生物傳感、 生物成像以及腫瘤治療等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域取得了令人矚目的成績(jī)[3].

1 金屬納米團(tuán)簇的物理化學(xué)性質(zhì)

由于尺寸與電子的費(fèi)米波長(zhǎng)相近(～1 nm)，金屬納米團(tuán)簇表現(xiàn)出一些不同于金屬納米晶的特殊的熒光、 手性、 磁性以及催化等物理化學(xué)性質(zhì). 其中，熒光是金屬納米團(tuán)簇最重要的光學(xué)特性之一. 當(dāng)納米材料的尺寸逐漸減小到2 nm時(shí)，金屬納米顆粒特有的等離體性質(zhì)消失，電子能級(jí)由連續(xù)狀態(tài)離散為非連續(xù)狀態(tài)，分子能級(jí)之間的電子躍遷變得活躍從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的光吸收，引發(fā)強(qiáng)熒光發(fā)射[4]. 金屬納米團(tuán)簇的熒光具有可調(diào)節(jié)性，能從可見(jiàn)光區(qū)域定制調(diào)節(jié)至近紅外光區(qū)域，同時(shí)金屬納米團(tuán)簇的熒光還具有斯托克斯位移較大、 發(fā)光穩(wěn)定性良好等特性[5]. 近年來(lái)，金屬納米團(tuán)簇的手性研究發(fā)現(xiàn)其手性主要包括金屬手性、 表面配體本身手性以及金屬與配體形成的殼層手性等三方面[6]. 此外金屬納米團(tuán)簇還具有順磁性，研究表明金屬納米團(tuán)簇的價(jià)態(tài)直接影響其順磁性，因此可以通過(guò)氧化還原手段實(shí)現(xiàn)磁性的調(diào)控[7]. 在催化方面，由于暴露較多的表面金屬原子，金屬納米團(tuán)簇在多種催化化學(xué)合成反應(yīng)中展示出更好的催化活性[8]. 同時(shí)，金屬納米團(tuán)簇的配體與原子個(gè)數(shù)對(duì)其催化活性具有關(guān)鍵作用.

金屬納米團(tuán)簇的光、 磁等特殊性能使其在生物醫(yī)學(xué)研究中顯示出獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì). 金屬納米團(tuán)簇具有表面易修飾性和良好的生物相容性. 金屬納米團(tuán)簇表面的配體又可以進(jìn)一步與聚乙二醇(PEG)、 靶向多肽或藥物等偶聯(lián)，既能有效增強(qiáng)金屬納米團(tuán)簇在溶液和復(fù)雜生物環(huán)境中的穩(wěn)定性和分散性，又能實(shí)現(xiàn)金屬納米團(tuán)簇的靶向與診斷治療一體化功能[9].

此外，金屬納米團(tuán)簇還具有模擬酶催化活性[10]、 高X射線質(zhì)量衰減系數(shù)[11]、 近紅外光吸收[12]以及活性氧自由基產(chǎn)生[13]等生物醫(yī)學(xué)研究應(yīng)用相關(guān)的特性. 在模擬酶催化方面，得益于高比表面積和高表面能，相比于組分和表面性質(zhì)相似的金屬納米晶，金屬納米團(tuán)簇往往呈現(xiàn)出更高的模擬酶催化活性[14]. 另外，Au的原子序數(shù)高，能有效吸收X射線，具有比傳統(tǒng)碘化合物造影劑高1.7倍的X射線質(zhì)量衰減系數(shù)，AuNCs在X射線成像與放射治療研究中應(yīng)用優(yōu)勢(shì)顯著. 最近，AuNCs被報(bào)道在光照下能產(chǎn)生活性氧自由基. 由于具有激發(fā)三重態(tài)且電子激發(fā)態(tài)壽命長(zhǎng)，AuNCs中的氧吸收位點(diǎn)良好存在，能量有效傳遞給分子氧，產(chǎn)生活性氧自由基[15]. 此外，AuNCs還被發(fā)現(xiàn)具有近紅外區(qū)域的吸收特性，這主要與配體類(lèi)型、 金內(nèi)核尺寸以及表面電荷分布有關(guān)[16].

2 金屬納米團(tuán)簇在生物傳感中的應(yīng)用

金屬納米團(tuán)簇具有卓越的熒光性能和催化性能，是理想的熒光及色度信號(hào)探針. 同時(shí)，金屬納米團(tuán)簇與分析物的特異性作用能引起金屬內(nèi)核、 配體殼層或周?chē)h(huán)境的變化，引發(fā)性能的改變. 因此，金屬納米團(tuán)簇集識(shí)別元件和信號(hào)轉(zhuǎn)換元件的作用為一身，由此構(gòu)建的生物傳感器表現(xiàn)出良好的選擇性和靈敏度.

2.1 核酸的檢測(cè)

核酸包括脫氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)，其快速檢測(cè)和準(zhǔn)確定量對(duì)于疾病診斷、 有害病原體鑒定、 基因治療和疾病監(jiān)測(cè)具有重要意義. 以DNA為模板分子合成的金屬納米團(tuán)簇，如DNA-AgNCs和DNA-CuNCs，已被廣泛應(yīng)用于核酸的高靈敏檢測(cè). 這些金屬納米團(tuán)簇具有尺寸可控、 制備簡(jiǎn)單、 熒光多變可調(diào)等優(yōu)異特點(diǎn). 更重要的是，DNA合成模板能通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和編碼與具有特異識(shí)別功能的核酸適體(aptamer)或與目標(biāo)核酸堿基互補(bǔ)的核酸序列相連，并且這部分功能核酸不參與金屬納米團(tuán)簇的合成，其分子識(shí)別功能得到充分的保留[14]. 因此，此類(lèi)金屬納米團(tuán)簇作為傳感元件在傳感器組裝時(shí)能夠免除或簡(jiǎn)化生物識(shí)別核酸的化學(xué)修飾過(guò)程.

在熒光生物傳感器中，DNA保護(hù)的金屬納米團(tuán)簇與目標(biāo)核酸發(fā)生特異性作用產(chǎn)生可檢測(cè)的熒光信號(hào). 由于電子或能量轉(zhuǎn)移導(dǎo)向的不同，熒光強(qiáng)度的變化趨勢(shì)也不盡相同，表現(xiàn)為熒光減弱[17]或熒光增強(qiáng)[18]. 熒光增強(qiáng)型的傳感能有效降低假陽(yáng)性信號(hào)的產(chǎn)生，更適合于目標(biāo)檢測(cè)的實(shí)際應(yīng)用. Zhang等[18]結(jié)合分子信標(biāo)提出了一種熒光增強(qiáng)型傳感方法. 當(dāng)目標(biāo)DNA存在時(shí)，分子信標(biāo)的發(fā)卡結(jié)構(gòu)打開(kāi)釋放出DNA合成模板，該合成模板能用于發(fā)光DNA-AgNCs的合成. 如同時(shí)設(shè)計(jì)多種針對(duì)不同目標(biāo)和不同發(fā)光的AgNCs的分子信標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的同時(shí)檢測(cè). 另一種熒光增強(qiáng)策略是基于DNA雜交激活的熒光. 根據(jù)Yeh等[19]的報(bào)道，DNA雜交使得DNA-AgNCs與富含G堿基的DNA序列靠近，AgNCs產(chǎn)生顯著增強(qiáng)的紅色熒光. 基于這種熒光增強(qiáng)機(jī)理的傳感方案可用于信使核糖核酸(mRNA)[20]和單堿基多態(tài)性[21]的檢測(cè). 最近，Teng等[22]發(fā)現(xiàn)通過(guò)DNA雜交，AgNCs能從一個(gè)熒光量子產(chǎn)率較低的DNA模板轉(zhuǎn)移到另一個(gè)量子產(chǎn)率較高的DNA模板，AgNCs熒光獲得極大的增強(qiáng). 該體系對(duì)目標(biāo)DNA的檢測(cè)限為0.5 nmol·L-1. 此外，DNA雜交還能引發(fā)AgNCs熒光顏色的改變，由此構(gòu)建比率型的熒光傳感器[23]. 為追求目標(biāo)核酸的超靈敏檢測(cè)，DNA-AgNCs和DNA-CuNCs可與等溫?cái)U(kuò)增信號(hào)放大技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，如雜交鏈反應(yīng)[24]、 鏈置換擴(kuò)增技術(shù)[25]等.

2.2 蛋白質(zhì)的檢測(cè)

蛋白質(zhì)的異常表達(dá)或蛋白酶的活性異常往往與特定疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，因此蛋白質(zhì)也是一種重要的疾病生物標(biāo)志物. Aptamer修飾的DNA保護(hù)的金屬納米團(tuán)簇可直接用于目標(biāo)蛋白的檢測(cè)，例如Moghadam等[26]在血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子165(VEGF165)的aptamer序列兩端分別連接CuNCs的DNA合成模板，VEGF165與aptamer的特異性結(jié)合使得aptamer發(fā)生異構(gòu)從而拉近兩端DNA-CuNCs的距離，引發(fā)自組裝聚集誘導(dǎo)熒光，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的檢測(cè). 基于核酸酶對(duì)DNA特異性的剪切、 連接和聚合，DNA保護(hù)的金屬納米團(tuán)簇可用于核酸酶的檢測(cè)，例如Zhang等[27]設(shè)計(jì)了一種目標(biāo)誘導(dǎo)DNA-CuNCs合成的檢測(cè)體系. 目標(biāo)T4多核苷酸磷酸酶能將DNA 3′端的磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)變?yōu)榱u基基團(tuán)，從而啟動(dòng)作為DNA-CuNCs合成模板的DNA雙鏈結(jié)構(gòu)的形成，該體系對(duì)T4多核苷酸磷酸酶的檢測(cè)限為0.06 U·mL-1.

一些蛋白酶的催化底物或產(chǎn)物能特異性地改變金屬納米團(tuán)簇的熒光信號(hào)，可用于構(gòu)建基于金屬納米團(tuán)簇的免標(biāo)記熒光檢測(cè)平臺(tái)[28-29]. 例如，谷胱甘肽(GSH)能增強(qiáng)胞嘧啶核苷保護(hù)的AuNCs的熒光，目標(biāo)谷胱甘肽還原酶能催化底物生產(chǎn)GSH，該體系對(duì)目標(biāo)酶的檢測(cè)限為0.34 U·L-1[29]. 雙金屬納米團(tuán)簇是近年來(lái)金屬納米團(tuán)簇的一個(gè)熱門(mén)研究方向. 由于金屬之間存在協(xié)同效應(yīng)和電子傳遞效應(yīng)，雙金屬納米團(tuán)簇往往具有更優(yōu)異的催化活性和光學(xué)響應(yīng)性能[10]. Zhou等[30]研制了牛血清白蛋白(BSA)保護(hù)的AuAgNCs，其熒光強(qiáng)度是相同條件下制備的AuNCs的2倍，并成功用于焦磷酸酶活性的測(cè)定，檢測(cè)限為0.03 mU·mL-1. 此外，在蛋白酶的檢測(cè)中引入其它作為能量受體的納米材料也能實(shí)現(xiàn)基于能量傳遞的生物傳感. 例如，Nguyen等[31]制備了以多肽和巰基烷酸為模板的AuNCs，氧化石墨烯(GO)對(duì)AuNCs的吸附導(dǎo)致其熒光猝滅. 加入目標(biāo)金屬基質(zhì)蛋白酶-9(MMP-9)后，MMP-9特異性地剪切多肽模板，導(dǎo)致AuNCs從GO表面脫落，熒光獲得恢復(fù). 鑒于MMP-9對(duì)穩(wěn)定劑巰基烷酸無(wú)影響，AuNCs的熒光不因多肽的分解而消失，因此根據(jù)AuNCs的熒光強(qiáng)度變化能實(shí)現(xiàn)對(duì)MMP-9的靈敏檢測(cè).

最近，Loynachan等[32]基于AuNCs的模擬酶催化特性，構(gòu)建了體內(nèi)疾病檢測(cè)的蛋白酶生物傳感器(見(jiàn)圖1). AuNCs與中性親和素(NAv)通過(guò)生物素修飾的多肽鏈組成AuNCs-NAv復(fù)合體(～11 nm)，多肽序列包含直腸癌標(biāo)志物MMP-9的酶切位點(diǎn). 當(dāng)AuNCs-NAv復(fù)合體被注射到小鼠體內(nèi)，腫瘤部位的MMP-9分解多肽使得AuNCs從NAv上脫落. 游離的AuNCs(～2 nm)可經(jīng)腎排出體外. 尿液中的AuNCs能在H2O2存在下催化底物顯色. 結(jié)果表明荷瘤小鼠尿液產(chǎn)生的色度信號(hào)是正常小鼠的13倍，實(shí)現(xiàn)對(duì)MMP-9的特異靈敏檢測(cè)，達(dá)到診斷的目的.

2.3 細(xì)胞的檢測(cè)

在金屬納米團(tuán)簇或與其復(fù)合的納米材料表面標(biāo)記可特異性識(shí)別細(xì)胞的aptamer、 小分子配體或抗體可建立細(xì)胞檢測(cè)的傳感器. Lan等[33]成功將前梯度蛋白2的aptamer修飾的DNA-AgNCs用于乳腺癌細(xì)胞的熒光檢測(cè). Yu等[34]基于AuNCs和氮化碳量子點(diǎn)(CNQDs)構(gòu)建了具有比率熒光信號(hào)的免疫探針用于個(gè)位數(shù)循環(huán)癌細(xì)胞(CTC)的捕獲和檢測(cè). CNQDs通過(guò)共價(jià)修飾接枝到AuNCs表面，加入上皮細(xì)胞粘附分子抗體后，CNQDs的熒光被猝滅，而AuNCs的熒光不變. 當(dāng)CTC存在時(shí)，上皮細(xì)胞粘附分子抗體與之作用而從CNQDs表面脫落，CNQDs的熒光恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)CTC的檢測(cè). Tao等[35]則是利用AuNCs模擬酶催化性質(zhì)實(shí)現(xiàn)對(duì)乳腺癌細(xì)胞的比色檢測(cè). 脂質(zhì)體表面修飾的ErbB2/Her2抗體可識(shí)別乳腺癌細(xì)胞，其內(nèi)部裝載AuNCs. 當(dāng)識(shí)別癌細(xì)胞的脂質(zhì)體解體時(shí)，AuNCs被大量釋放，產(chǎn)生放大的色度信號(hào)，實(shí)現(xiàn)乳腺癌細(xì)胞的高靈敏檢測(cè).

3 金屬納米團(tuán)簇在生物成像中的應(yīng)用

金屬納米團(tuán)簇在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域另一個(gè)重要的研究方向是生物成像. 與有機(jī)熒光染料相比，金屬納米團(tuán)簇分散性良好，抗光漂白能力更強(qiáng)；與量子點(diǎn)相比，金屬納米團(tuán)簇不涉及Pb、 Cd等有毒重金屬離子泄露，表現(xiàn)出優(yōu)異的生物相容性；與大尺寸的熒光納米顆粒相比，超小尺寸的金屬納米團(tuán)簇展現(xiàn)出理想的腎臟清除率，能有效避免因長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)造成的體內(nèi)積累，從而減小潛在的毒副作用[36]. 因此，金屬納米團(tuán)簇極具生物體內(nèi)應(yīng)用的潛質(zhì)，成功應(yīng)用于活細(xì)胞成像、 活體腫瘤成像以及活體實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)示蹤成像.

3.1 熒光成像

金屬納米團(tuán)簇在基于納米材料的熒光成像領(lǐng)域占有重要的一席之地，在活細(xì)胞和活體腫瘤成像中均有深入的研究. 相比于被動(dòng)靶向，在金屬納米團(tuán)簇表面修飾aptamer[37]、 葉酸[38]、 靶向多肽[39]等活性靶向分子獲得的主動(dòng)靶向可有效提高對(duì)特定腫瘤細(xì)胞的靶向性，降低正常細(xì)胞非特異攝取產(chǎn)生的背景信號(hào). 近紅外光具有更強(qiáng)的組織穿透力、 更低的熒光背景和激發(fā)光散射，因此制備具有近紅外熒光的金屬納米團(tuán)簇成為當(dāng)下基于金屬納米團(tuán)簇的熒光成像的研究熱點(diǎn). 例如，Wang等[38]使用聚乙烯亞胺(PEI)為合成模板制備了具有近紅外熒光的AgNCs，這種AgNCs的量子產(chǎn)率為3%. 通過(guò)修飾葉酸，AgNCs可用于小鼠體內(nèi)乳腺癌(MCF-7)腫瘤的實(shí)時(shí)成像.

最近，表面修飾雙齒硫醇配體[40]或兩性離子配體[41]的AuNCs被發(fā)現(xiàn)具有近紅外二區(qū)熒光的特性. 活體成像實(shí)驗(yàn)顯示，此類(lèi)AuNCs作為成像探針具有更高的對(duì)比度和分辨率. 另一種增強(qiáng)組織穿透力、 降低熒光背景的成像策略是雙光子成像，這是由于雙光子成像通常采用近紅外光區(qū)域的激發(fā)光. 鑒于較大的雙光子吸收橫截面，AuNCs擁有雙光子熒光，已應(yīng)用于細(xì)胞的雙光子熒光成像[42]. 除了腫瘤細(xì)胞和實(shí)體腫瘤的成像，金屬納米團(tuán)簇還可以用于細(xì)胞內(nèi)與生理病理相關(guān)源的分子的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及細(xì)胞功能的成像研究. 為檢測(cè)細(xì)胞內(nèi)生物硫醇的變化水平，Xiao等[43]組建了一種具有核-衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的上轉(zhuǎn)換納米顆粒(UCPs)/AgNCs的復(fù)合納米探針. 由于AgNCs的吸收范圍與UCPs的熒光發(fā)射范圍重合，UCPs和AgNCs存在熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET). 當(dāng)遇到細(xì)胞內(nèi)的生物硫醇時(shí)，AgNCs的吸收發(fā)生變化，F(xiàn)RET過(guò)程被抑制，復(fù)合納米探針中UCPs的熒光恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物硫醇的實(shí)時(shí)熒光監(jiān)測(cè).

細(xì)胞核包含真核細(xì)胞的遺傳信息，在細(xì)胞生長(zhǎng)、 代謝和繁殖過(guò)程發(fā)揮重要作用. Li等[44]設(shè)計(jì)了一種通用的端粒原位激活DNA-AgNCs熒光的細(xì)胞核成像探針. 依據(jù)的是真核生物的細(xì)胞核內(nèi)普遍存在數(shù)量總多的端粒，端粒由富含G堿基的重復(fù)序列TTAGGG組成. DNA-AgNCs進(jìn)入細(xì)胞核后與端粒序列靠近，G堿基作為能量供體，將電子傳遞給AgNCs使其發(fā)射明亮的紅色熒光，由此實(shí)現(xiàn)細(xì)胞核的成像. Wang等[45]以多肽為模板合成具有近紅外熒光的AuNCs. 鑒于帶正電荷的表面，細(xì)胞內(nèi)吞后的AuNCs傾向于在細(xì)胞核聚集，可用于惡性細(xì)胞逆轉(zhuǎn)錄過(guò)程中細(xì)胞核形態(tài)變化的研究.

3.2 多模態(tài)成像

多模態(tài)成像通過(guò)對(duì)兩個(gè)或兩個(gè)以上的成像模態(tài)進(jìn)行合理整合，既發(fā)揮單一成像模態(tài)的優(yōu)點(diǎn)，又有效規(guī)避單一成像模態(tài)的不足. 多模態(tài)成像能為疾病提供更詳細(xì)更準(zhǔn)確的診斷信息，特別是對(duì)癌癥的早期診斷.

光聲成像是集光學(xué)成像的高分辨特性和超聲成像的深穿透特性為一體的無(wú)創(chuàng)傷成像技術(shù). 一些AuNCs被發(fā)現(xiàn)具有近紅外光吸收，已被開(kāi)發(fā)成光聲成像探針. 例如，Jiang等[12]將具有近紅外光吸收的巰基修飾的AuNCs應(yīng)用于活體光聲成像，可觀察到AuNCs從主動(dòng)脈到腎實(shí)質(zhì)的轉(zhuǎn)移以及最后過(guò)濾到腎盂的過(guò)程，并精確定量正常和病理情況下單個(gè)腎臟的腎小球?yàn)V過(guò)率.

高分辨的X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描(computed tomography, CT)能實(shí)現(xiàn)組織的三維視覺(jué)重建和分割. AuNCs具有較高的X射線質(zhì)量衰減系數(shù)，已被研制成CT成像的造影劑. Wang等[11]制備了白蛋白保護(hù)的AuNCs以建立熒光和CT的雙模態(tài)成像. 依據(jù)AuNCs的近紅外熒光，可知AuNCs主要在腎臟聚集. 依據(jù)AuNCs的X射線衰減，可勾勒出小鼠腎臟的三維解剖結(jié)構(gòu).

正電子發(fā)射型斷層掃描(positron emission tomography, PET)成像是一種重要的分子成像模態(tài)，能提供細(xì)胞功能和生物體分子過(guò)程的相關(guān)信息，甚至在可觀察的解剖學(xué)變化之前實(shí)現(xiàn)小病灶的診斷[5]. 為實(shí)現(xiàn)活體的PET成像，金納米團(tuán)簇需要摻雜放射性同位素. Gao等[46]以BSA為模板合成了摻雜64Cu的CuNCs.64Cu是在合成時(shí)原位摻雜而不是與CuNCs表面螯合，因此其放射示蹤的穩(wěn)定性更好. 由于PET成像的分辨率較低，PET成像通常與光學(xué)成像結(jié)合以達(dá)到理想的成像效果. Hu等[47]以64Cu摻雜的AuNCs為造影劑構(gòu)建了自熒光和PET結(jié)合的雙模態(tài)成像平臺(tái)，64Cu在其中不僅作為能量供體激發(fā)AuNCs的自熒光，也作為PET成像的放射性同位素示蹤體.

相對(duì)于CT和PET成像，磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)不涉及電離輻射的使用，是一種安全系數(shù)更高的無(wú)損傷成像手段. 鑭系離子Gd3+是MRI效果顯著的T1造影劑. Hou等[48]報(bào)道了一種Gd3+誘導(dǎo)的AuNCs自組裝納米顆粒，用于小鼠腫瘤的近紅外熒光/MRI的雙模成像. Gd3+的生物體使用不可避免地會(huì)產(chǎn)生毒性安全問(wèn)題，因此具有更高橫向馳豫的Gd2O3納米顆粒作為MRI造影劑受到廣泛的關(guān)

注. Li等[49]通過(guò)Gd2O3納米顆粒和DNA-AgNCs的共價(jià)連接制備了一種熒光/MRI成像探針. 然而基于化學(xué)共軛反應(yīng)的納米復(fù)合物的制備過(guò)程通常比較繁瑣復(fù)雜. Xu等[50]提出了一種簡(jiǎn)單的生物礦化法用于制備BSA保護(hù)的AuGdNCs，修飾葉酸后形成的folic acid-AuGdNCs通過(guò)尾靜脈注射可實(shí)現(xiàn)對(duì)小鼠腫瘤的熒光/MRI/CT三模態(tài)成像(見(jiàn)圖2). 除了基于Gd的MRI試劑，F(xiàn)e3O4納米顆粒也是受歡迎度較高的MRI造影劑，目前已有相關(guān)的研究工作報(bào)道了Fe3O4納米顆粒和AuNCs組成的核-衛(wèi)星復(fù)合結(jié)構(gòu)應(yīng)用于熒光/MRI雙模成像[51].

4 金屬納米團(tuán)簇在腫瘤治療中的應(yīng)用

金屬納米團(tuán)簇作為一種優(yōu)良的成像造影劑，能通過(guò)表面功能化或與其它納米治療試劑復(fù)合用于成像指導(dǎo)的腫瘤治療[52]. 成像指導(dǎo)的腫瘤治療有利于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)治療試劑在活體內(nèi)的藥效和藥代動(dòng)力學(xué)，實(shí)現(xiàn)對(duì)治療效果的及時(shí)評(píng)估，為腫瘤治療提供個(gè)性化醫(yī)學(xué)模式.

4.1 放射治療

放射治療是利用高能量的電離輻射殺死癌細(xì)胞，從而減緩或抑制腫瘤的生長(zhǎng). AuNCs具有較高的能量吸收系數(shù)，有助于X射線在AuNCs定位的腫瘤組織內(nèi)富集，因此AuNCs可以作為放射治療的高效輻射增敏劑. 根據(jù)研究，AuNCs在X射線照射下能產(chǎn)生破壞細(xì)胞核和線粒體DNA的活性氧自由基，導(dǎo)致細(xì)胞不可逆的凋亡[53]. GSH保護(hù)的AuNCs被發(fā)現(xiàn)主要是通過(guò)增強(qiáng)滲透保留(EPR)效應(yīng)在小鼠的移植腫瘤富集，而且表面高含量的GSH配體能激活體內(nèi)的谷胱甘肽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，有助于癌細(xì)胞對(duì)AuNCs的大量攝取[54-55].

通過(guò)修飾靶向功能分子，AuNCs還能選擇性地進(jìn)入腫瘤細(xì)胞，有效地提高放射治療的定位增敏效果. Liang等[56]制備了精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)靶向多肽修飾的AuNCs，用于CT成像指導(dǎo)的放射治療. 荷瘤小鼠的放射治療實(shí)驗(yàn)表明RGD-AuNCs在腫瘤部位的聚集使得腫瘤尺寸減小了70%. 癌細(xì)胞中過(guò)表達(dá)的GSH往往會(huì)降低放射治療的效果. Zhang等[57]利用組氨酸保護(hù)的AuNCs能與細(xì)胞內(nèi)GSH結(jié)合的特性，降低GSH對(duì)活性氧自由基的消耗，從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的腫瘤放射治療.

4.2 化學(xué)治療

化學(xué)治療是目前臨床癌癥治療的主流方法之一. 近年來(lái)興起的基于納米材料的靶向藥物遞送為化學(xué)治療的發(fā)展提供了新的契機(jī). 金屬納米團(tuán)簇豐富的表面功能化基團(tuán)和尺寸超小的特點(diǎn)使其非常適合作為小分子藥物的納米載體. 利用化學(xué)修飾或靜電疏水作用，小分子藥物可大量負(fù)載于金屬納米團(tuán)簇表面，再通過(guò)主動(dòng)和被動(dòng)腫瘤靶向，達(dá)到藥物遞送的目的. Chen等[58]通過(guò)共價(jià)修飾將藥物阿霉素(doxorubicin, DOX)、 RGD多肽以及AS1411核酸適體接枝到AuNCs表面，其中RGD多肽靶向過(guò)表達(dá)αvβ5整聯(lián)蛋白的癌細(xì)胞，AS1411核酸適體靶向細(xì)胞核. 得益于雙靶向功能，DOX被大量輸送到靶腫瘤細(xì)胞的細(xì)胞核，抗癌效果顯著提高.

金屬納米團(tuán)簇的另一種藥物遞送策略是與其它納米材料組裝建立納米復(fù)合載體. 這些納米材料通常具有較大的比表面積或較大的內(nèi)部空腔，以實(shí)現(xiàn)對(duì)藥物的高通量負(fù)載，如GO[59]、 介孔二氧化硅納米顆粒[60]、 CaP納米顆粒(見(jiàn)圖3)[61]等. 一些兩性聚合物納米顆粒的內(nèi)部交聯(lián)部分能嵌入疏水藥物，有助于疏水性藥物的體內(nèi)體外給藥[62]. 在納米復(fù)合載體中，金屬納米團(tuán)簇的成像功能可用于藥物定位及釋放的實(shí)時(shí)監(jiān)控. Goswami等[63]制備了基于DOX和轉(zhuǎn)鐵蛋白保護(hù)的CuNCs的復(fù)合納米顆粒，DOX和CuNCs之間存在熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)，復(fù)合納米顆粒表現(xiàn)為DOX的紅色熒光. 當(dāng)復(fù)合納米顆粒進(jìn)入細(xì)胞后，DOX得到釋放，F(xiàn)RET消失，CuNCs的藍(lán)色熒光恢復(fù). 通過(guò)熒光的變化可觀察到DOX藥物釋放的過(guò)程.

近年來(lái)，人們研究發(fā)現(xiàn)PtNCs本身能釋放Pt2+，具有類(lèi)似于順鉑藥物的抗癌功效[64]. 在腫瘤細(xì)胞內(nèi)的微酸環(huán)境中PtNCs被侵蝕而釋放出Pt2+，Pt2+與DNA結(jié)合破壞其雙螺旋結(jié)構(gòu)，從而阻斷轉(zhuǎn)錄以及其他DNA介導(dǎo)的細(xì)胞功能，最終引發(fā)細(xì)胞凋亡. 得益于較大的比表面積，PtNCs中90%的Pt原子暴露在表面，表面侵蝕程度高，Pt2+的釋放量大. 因此PtNCs有望開(kāi)發(fā)成腫瘤治療的理想藥物前體. Chen等[65]制備的PEI保護(hù)的PtNCs能選擇性地成像造血癌細(xì)胞同時(shí)誘導(dǎo)造血癌細(xì)胞的凋亡.

4.3 光動(dòng)力治療

光動(dòng)力治療(photodynamic therapy, PDT)是在有氧條件下利用光敏劑吸收光能產(chǎn)生活性氧自由基，從而引發(fā)細(xì)胞死亡和組織損傷的光化學(xué)療法. 傳統(tǒng)的光敏劑大多是具有疏水結(jié)構(gòu)的有機(jī)小分子，在水溶液中易團(tuán)聚，使得PDT效果大打折扣. 研究表明，AuNCs本身能產(chǎn)生活性氧自由基，可直接作為光敏劑應(yīng)用于PDT[66]，并且GSH保護(hù)的AuNCs能在3種不同波長(zhǎng)(532、 650和808 nm)的光激發(fā)下產(chǎn)生活性氧自由基[15]. 最近，Chen等[13]通過(guò)表面修飾人血清白蛋白和過(guò)氧化物酶使得AuNCs展現(xiàn)出近紅外二區(qū)光激發(fā)的PDT.

過(guò)氧化物酶能催化細(xì)胞內(nèi)的H2O2產(chǎn)生氧，緩解腫瘤缺氧，提高PDT效率. 在另一個(gè)工作中，Yang等[67]在TiO2-x納米管上修飾AuNCs以獲得增強(qiáng)的PDT效率，這是由于TiO2-x納米管表面的Ti3+能有效抑制電子和空穴的重組. AuNCs作為小分子光敏劑的納米載體能克服小分子光敏劑易團(tuán)聚、 靶向性差等缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)光敏劑的富集和有效運(yùn)載. 目前，卟啉IX[68]、 吲哚菁綠(ICG)[69]、 二氫卟吩e6(Ce6)[70]等小分子光敏劑已被成功修飾在AuNCs表面，廣泛用于成像指導(dǎo)的PDT.

5 結(jié)語(yǔ)和展望

金屬納米團(tuán)簇作為一種新型功能納米材料備受生物醫(yī)學(xué)研究者的青睞，近年來(lái)在生物傳感、 生物成像以及腫瘤治療等方面得到廣泛的應(yīng)用. 然而，如何進(jìn)一步推動(dòng)金屬納米團(tuán)簇在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展仍是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn). 目前金屬納米團(tuán)簇存在如下3個(gè)亟待解決的難題. 1)熒光量子產(chǎn)率偏低. 研究人員可以通過(guò)設(shè)計(jì)聚集誘導(dǎo)發(fā)光或摻雜其它金屬以形成合金納米團(tuán)簇的方法來(lái)優(yōu)化金屬納米團(tuán)簇的合成，以提高發(fā)光效率. 此外開(kāi)展其合成機(jī)理和發(fā)光機(jī)理的研究也有利于制備高熒光量子產(chǎn)率的金屬納米團(tuán)簇. 2)生物體內(nèi)穩(wěn)定性欠佳. 選擇或設(shè)計(jì)適合的配體是解決此類(lèi)問(wèn)題的有效方法之一，這涉及合成方法的改進(jìn)，同時(shí)也需要對(duì)金屬納米團(tuán)簇的代謝動(dòng)力學(xué)、 毒理學(xué)、 生物安全性有深入系統(tǒng)的了解. 3)過(guò)快的腎臟清除率導(dǎo)致腫瘤富集能力偏弱. 一種可能的方法是設(shè)計(jì)具有刺激響應(yīng)解聚功能的大尺寸金屬納米團(tuán)簇組裝體系(100～200 nm). 金屬納米團(tuán)簇以組裝顆粒的形式參與血液循環(huán)，腫瘤富集能力得到提高，之后再解聚成小尺寸的金屬納米團(tuán)簇，增強(qiáng)腫瘤組織滲透和細(xì)胞內(nèi)化，同時(shí)高效的腎臟清除率又使其產(chǎn)生的毒副作用較小.

近紅外二區(qū)發(fā)光成像與光聲成像在活體成像研究中顯示出優(yōu)異的成像靈敏度與組織穿透能力，金屬納米團(tuán)簇的近紅外二區(qū)發(fā)光、 光聲造影以及磁共振成像等性能目前尚處于初步研究階段，設(shè)計(jì)并合成新型的多功能金屬納米團(tuán)簇將對(duì)納米生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展具有重要的意義. 因此，開(kāi)發(fā)具有精確原子數(shù)、 高效生物相容性和腫瘤靶向性的金屬納米團(tuán)簇，突破其近紅外發(fā)光量子產(chǎn)率限制，提高光聲-磁共振造影等性能，并闡明其體內(nèi)代謝與長(zhǎng)期毒性等的作用機(jī)制，將成為金屬納米團(tuán)簇未來(lái)發(fā)展的研究重點(diǎn).