王俊， 張兵波

（1. 陸軍軍醫(yī)大學(xué)， 西南醫(yī)院 檢驗(yàn)科， 重慶 400038；2. 同濟(jì)大學(xué)附屬同濟(jì)醫(yī)院 放射科， 上海市催化醫(yī)學(xué)前沿科學(xué)研究基地，同濟(jì)大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程與納米科學(xué)研究院， 上海 200065）

1 引言

隨著成像技術(shù)的快速發(fā)展，各種各樣的成像技術(shù)，如光學(xué)成像（Optical imaging）、計(jì)算機(jī)斷層掃描（Computed tomography，CT）、超聲成像（Ultrasound imaging，US）、磁共振成像（Magnetic resonance imaging，MRI）、光聲成像（Photoacoustic imaging）、單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描（Single photo emission computed tomography，SPECT）和正電子發(fā)射斷層掃描（Positron emission tomography，PET），廣泛應(yīng)用于生物成像，為疾病的發(fā)病機(jī)制、進(jìn)展和治療提供了重要的信息[1]。在這些成像工具中，基于熒光的光學(xué)成像由于其靈敏度高、簡(jiǎn)單快速、成本低、高時(shí)空分辨率和無(wú)輻射危害，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域備受關(guān)注[2]。目前，熒光成像在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：腫瘤標(biāo)志物檢測(cè)[3]、細(xì)胞成像示蹤[4]、腫瘤體內(nèi)熒光診斷[5]、成像介導(dǎo)下腫瘤治療和手術(shù)導(dǎo)航[6]。常用的熒光納米材料有熒光染料[7-8]、半導(dǎo)體聚合物[9]、量子點(diǎn)[10-11]、貴金屬納米簇[12-13]和上轉(zhuǎn)換納米顆粒[14]等。然而，這些熒光探針存在著光穩(wěn)定性差、易光漂白、背景信號(hào)干擾、發(fā)光壽命短和需原位激發(fā)等缺點(diǎn)，在某種程度上限制了其進(jìn)一步的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)長(zhǎng)熒光壽命、無(wú)需原位激發(fā)的納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域備受研究人員的關(guān)注。

長(zhǎng)余輝發(fā)光材料是一種能儲(chǔ)存外界光（紫外光、可見(jiàn)光、X射線等）發(fā)射的能量、在激發(fā)光停止后仍能持續(xù)發(fā)光的一種材料，其余輝能持續(xù)幾分鐘、幾小時(shí)甚至數(shù)天[15-18]。這種持續(xù)發(fā)光的現(xiàn)象最早能追溯到中國(guó)的宋朝[19]。由于長(zhǎng)余輝發(fā)光材料獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，其廣泛應(yīng)用于安全標(biāo)識(shí)、信息存儲(chǔ)、體溫傳感等[20-23]。隨著納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料的出現(xiàn)，由于長(zhǎng)余輝壽命、無(wú)需原位激發(fā)、無(wú)組織背景信號(hào)干擾和高信噪比，其廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)、生物成像和腫瘤治療。本文綜述了近年來(lái)納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)、生物成像和腫瘤治療方面的應(yīng)用進(jìn)展，并進(jìn)一步探討了其在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中所面臨的挑戰(zhàn)，對(duì)其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)也進(jìn)行了展望。

2 納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)、生物成像和腫瘤治療中的應(yīng)用

納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料由于其具有長(zhǎng)余輝壽命、無(wú)需原位激發(fā)，無(wú)背景信號(hào)的干擾等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域，包括生物傳感檢測(cè)、生物成像、藥物遞送和腫瘤治療等。在本章，我們將從生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)、生物成像和腫瘤治療這三個(gè)方面介紹納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展。

2.1 生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)

熒光分析因其響應(yīng)速度快、靈敏度高、成本低和操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代分析科學(xué)中最常見(jiàn)的方法之一，廣泛應(yīng)用于生物傳感領(lǐng)域[24]。在過(guò)去幾十年，研究人員設(shè)計(jì)了各種各樣的光學(xué)納米材料來(lái)滿足快速、實(shí)時(shí)和原位檢測(cè)的需要。然而，基于有機(jī)或無(wú)機(jī)納米顆粒的光學(xué)分析經(jīng)常受到自發(fā)熒光、散射光的干擾和光漂白的影響。因此，探索和開(kāi)發(fā)更高效和更高靈敏度的光學(xué)探針受到了研究人員的廣泛關(guān)注。納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料由于具有長(zhǎng)的余輝壽命和無(wú)需原位激發(fā)，能有效消除自發(fā)熒光和散射光的干擾，顯著地提高檢測(cè)的靈敏度和信噪比，使其成為新一代用于無(wú)自發(fā)熒光檢測(cè)和傳感的光學(xué)材料，在生物分析應(yīng)用方面具有巨大潛力。根據(jù)檢測(cè)物類(lèi)型的不同，我們總結(jié)了納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)展（表1）。

表1 納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料用于生物標(biāo)志物檢測(cè)匯總Tab.1 Summary of the PLNPs for biomarker detection

在復(fù)雜的生物環(huán)境中有選擇性和靈敏地檢測(cè)生物標(biāo)志物對(duì)于有效的臨床診斷至關(guān)重要。與基于熒光染料或量子點(diǎn)等傳統(tǒng)熒光傳感器相比，納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料可以在體內(nèi)外進(jìn)行非入侵性傳感，并通過(guò)消除自發(fā)熒光干擾來(lái)提高檢測(cè)的靈敏度和信噪比。2011年，Wu等[25]開(kāi)發(fā)了一種基于納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料的α-甲胎蛋白（Alpha fetoprotein，AFP）的熒光共振能量轉(zhuǎn)移（Fluorescence resonance energy transfer，F(xiàn)RET）抑制測(cè)定法。這種高靈敏度和特異性的納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料可以檢測(cè)血清樣品中的AFP并可以對(duì)腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)過(guò)程中分泌的AFP進(jìn)行實(shí)時(shí)成像。Wang等[27]報(bào)道了一種溶菌酶適配體修飾的Zn2GeO4∶Mn長(zhǎng)余輝納米棒（能量供體）用于血清中溶菌酶的檢測(cè)（圖1（a））。染料（BHQ）修飾的DNA（能量受體）通過(guò)DNA雜交猝滅長(zhǎng)余輝納米棒的余輝。當(dāng)檢測(cè)體系中有溶菌酶存在時(shí)，F(xiàn)RET體系被破壞，溶菌酶適配體的構(gòu)象折疊成獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)從長(zhǎng)余輝納米棒表面脫離，長(zhǎng)余輝納米棒的余輝得以恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)了在無(wú)自發(fā)熒光干擾的情況下檢測(cè)患者血清樣本的溶菌酶。其定量結(jié)果與臨床上ELISA一致，表明該探針在臨床樣本的分析中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。利用類(lèi)似的原理，研究人員利用時(shí)間分辨FRET用于miRNA-21[27]、caspase-3、L-半光氨酸和胰島素[49]等的檢測(cè)。

圖1 （a）ZGO∶Mn長(zhǎng)余輝發(fā)光納米棒用于溶菌酶檢測(cè)示意圖；左側(cè)和右側(cè)小鼠分別用0.1 mL的PBS7.4緩沖溶液和0.1 mL GSH溶液處理，然后再用0.1 mL（1 mg/mL）MnO2-PLNPs（注射10 min前預(yù)先用365 nm紫外光照射）處理，考察有激發(fā)光（b）和沒(méi)有激發(fā)光（c）條件下兩只小鼠的體內(nèi)成像Fig. 1 （a）Schematic illustration of the ZGO∶Mn persistent luminescent nanorod for lysozyme detection. The mice were treated with PBS7.4 buffer（left mice） and 0.1 mL GSH solution（right mice）， respectively. Then， 0.1 mL（1 mg/mL） of MnO2-PLNPs（pre-irradiated with 365 nm ultraviolet light 10 minutes before injection） were injected into the same area into two mice to investigate in vivo imaging with laser irradiation（b） or without laser irradiation（c）

除了體外檢測(cè)，納米長(zhǎng)余輝材料還可以對(duì)體內(nèi)某些生物活性物質(zhì)進(jìn)行成像。例如，Tang等[37]合成了一種MnO2-PLNPs用于體內(nèi)谷胱甘肽（GSH）的成像。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在420 nm激發(fā)光激發(fā)下，信號(hào)被組織的背景噪聲所掩蔽（圖1（b））。在沒(méi)有激發(fā)光的條件下，左側(cè)小鼠出現(xiàn)弱的信號(hào)，加了探針的小鼠出現(xiàn)強(qiáng)的余輝信號(hào)（圖1（c）），表明該納米探針能夠在體內(nèi)對(duì)GSH成像，并能有效消除原位激發(fā)下組織的自發(fā)熒光和散射光的干擾，從而提高對(duì)檢測(cè)物的靈敏度和信噪比。納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料除了應(yīng)用于腫瘤生物標(biāo)志物和生物活性物質(zhì)的檢測(cè)，還可以用于病原微生物的檢測(cè)。例如，Yuan等[44]將Python圖像算法集成到基于納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料光子晶體的生物芯片中，構(gòu)建了一個(gè)基于機(jī)器視覺(jué)的診斷系統(tǒng)用于檢測(cè)尿液樣本中的細(xì)菌（圖2）?？贵w修飾的Zn2GeO4∶Mn納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料（ZGO∶Mn PLNPs）通過(guò)抗體-抗原識(shí)別特異性結(jié)合并捕獲目標(biāo)細(xì)菌，經(jīng)過(guò)磁分離和再重懸后，在光子晶體的生物芯片上，ZGO∶Mn PLNPs發(fā)射出增強(qiáng)的余輝信號(hào)。信號(hào)被捕獲后，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)算法將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，在1 h內(nèi)可以檢測(cè)出細(xì)菌最低的濃度為103CFU/mL，無(wú)需昂貴的設(shè)備和專業(yè)的操作即可實(shí)現(xiàn)尿液中細(xì)菌的定量檢測(cè)。

圖2 基于機(jī)器視覺(jué)的診斷系統(tǒng)用于檢測(cè)尿液樣本中細(xì)菌示意圖Fig.2 Schematic illustration of a machine vision-based diagnostic system for detecting bacteria in urine samples

盡管納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用，但仍然存在一些問(wèn)題，比如目前納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料大多都是應(yīng)用于單一生物標(biāo)志物的檢測(cè)。因此，需開(kāi)發(fā)多波長(zhǎng)發(fā)射的納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料實(shí)現(xiàn)對(duì)多種生物標(biāo)志物的檢測(cè)。

2.2 生物成像

熒光成像是監(jiān)測(cè)體內(nèi)生物活動(dòng)最常用的手段之一。然而，傳統(tǒng)的熒光探針在用于體內(nèi)成像時(shí)需原位激發(fā)，會(huì)產(chǎn)生背景熒光信號(hào)的干擾，從而影響成像的靈敏度和準(zhǔn)確性。作為一種無(wú)需原位激發(fā)的納米材料，納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料由于其具有長(zhǎng)余輝壽命，能夠有效地避免組織背景熒光信號(hào)的干擾，從而提高成像的靈敏度。本小節(jié)將從納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料的激發(fā)波長(zhǎng)和余輝發(fā)射波長(zhǎng)介紹其在生物成像中的應(yīng)用進(jìn)展。

2007年，Scherman等[50]利用溶膠-凝膠法合成了一種近紅外發(fā)射Ca0.2Zn0.9Mg0.9Si2O6∶Eu2+,Dy3+,Mn2+納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料，首次在小鼠體內(nèi)實(shí)現(xiàn)了“免激發(fā)”余輝成像，其余輝能在體內(nèi)持續(xù)1 h以上。隨后，不同類(lèi)型的納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料被合成并應(yīng)用于體內(nèi)成像。然而，對(duì)于體內(nèi)長(zhǎng)期成像來(lái)說(shuō)，這些納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料還存在著在應(yīng)用于體內(nèi)成像前需用紫外光來(lái)激發(fā)這一瓶頸，這在某種程度上影響了體內(nèi)成像的效果。2014年，Richard等[51]合成了新一代的ZnGa2O4∶Cr納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料，其在體內(nèi)能被白色LED燈反復(fù)激發(fā)，有效地解決了這一瓶頸。隨后，基于鎵酸鋅鉻的納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料被廣泛合成并應(yīng)用于體內(nèi)成像。Yuan等[52]通過(guò)水熱法合成了一種粒徑和余輝性能可調(diào)的Zn1+xGa2-2xGexO4∶Cr（ZGGO∶Cr，0≤x≤0.5）納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料應(yīng)用于腫瘤靶向成像。體內(nèi)成像結(jié)果表明，與傳統(tǒng)利用熒光染料和量子點(diǎn)用于腫瘤成像相比，ZGGO∶Cr納米顆粒能有效地消除背景信號(hào)干擾且能顯著提高納米顆粒在腫瘤部位的富集，實(shí)現(xiàn)了對(duì)乳腺癌無(wú)背景熒光信號(hào)干擾的靶向成像（圖3）。

圖3 ZGGO∶Cr納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料（左）、熒光染料（中）和Ag2Se QDs（右）用于體內(nèi)腫瘤成像的比較Fig.3 The comparison of ZGGO∶Cr PLNPs（left）， fluorescent dye（middle）， and Ag2Se QDs（right） for tumor imaging in vivo

盡管上述研究工作有效解決了納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料在體內(nèi)成像需預(yù)先激發(fā)的瓶頸，但可見(jiàn)光用于生物成像還存在組織穿透深度不足的瓶頸?；诖耍琀an等[53]將納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料與上轉(zhuǎn)換納米顆粒進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，在980 nm的近紅外光激發(fā)下，上轉(zhuǎn)換納米顆粒發(fā)射出來(lái)的光激發(fā)納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料用于體內(nèi)成像。Yang等[54]合成了一種X射線激發(fā)的SrAl2O4∶Eu2+納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料用于體內(nèi)成像且能被X射線反復(fù)激發(fā)，有利于體內(nèi)長(zhǎng)期成像。Chen等[55]合成了一種立方尖晶結(jié)構(gòu)的ZnGa2O4∶Cr3+納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料用于肝臟腫瘤成像。在紫外光和X射線激發(fā)下，顆粒表現(xiàn)出優(yōu)異的余輝性能。尾靜脈注射到小鼠體內(nèi)后，對(duì)原位肝臟腫瘤具有很好的被動(dòng)靶向性，低劑量的X射線激發(fā)產(chǎn)生的余輝可以對(duì)肝臟深部腫瘤進(jìn)行成像。Liu等[56]開(kāi)發(fā)了一種低劑量X射線激發(fā)的LaGaO3∶Sb,Cr納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料用于深層組織反復(fù)成像。簡(jiǎn)單通過(guò)共摻雜與粒徑不匹配的Sb3+離子來(lái)優(yōu)化主體中氧空位濃度，從而提高納米顆粒的余輝性能，其余輝性能達(dá)到500 h。體內(nèi)生物成像結(jié)果表明，極低劑量X射線（0.37 Gy）在體內(nèi)就可以激發(fā)納米顆粒實(shí)現(xiàn)可反復(fù)激發(fā)的體內(nèi)生物成像，這一策略將為開(kāi)發(fā)低劑量X射線激發(fā)的納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料提供有用的指導(dǎo)。

為了解決利用紫外線、可見(jiàn)光或X射線作為激發(fā)光源激發(fā)納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料所面臨著組織穿透深度有限或輻射對(duì)正常組織造成損傷等挑戰(zhàn)， Sun等[57]將納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料ZGC與腫瘤成像放射性藥物18F-氟代脫氧葡萄糖（18F-FDG）相結(jié)合，放射性核素通過(guò)切倫科夫共振能量轉(zhuǎn)移和電離輻射有效地激發(fā)納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料進(jìn)行成像。由于18F-FDG具有高的腫瘤特異性，可以選擇性地激發(fā)腫瘤部位ZGC納米顆粒進(jìn)行成像。這種策略不僅可以提高成像的靈敏度、對(duì)比度和衰減時(shí)間，而且可以減少患者在放射性核素的暴露時(shí)間。盡管上述研究有效地解決了納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料激發(fā)波長(zhǎng)的難題，但目前所報(bào)道的納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料的余輝發(fā)射波長(zhǎng)大多集中在近紅外一區(qū)，成像深度有限。針對(duì)納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料余輝發(fā)射波長(zhǎng)的問(wèn)題，Zhang等[58]通過(guò)水熱法合成了余輝發(fā)射在800 nm的ZnSn2O4∶Cr,Eu超小納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料，其在體內(nèi)能被808 nm的近紅外光再次激發(fā)。Zhang等[59]利用高溫溶劑熱分解法首次合成了一種X射線激發(fā)的近紅外二區(qū)發(fā)射納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料，其余輝發(fā)射波長(zhǎng)可通過(guò)在NaGdF4納米粒子中加入不同鑭系元素?fù)诫s劑進(jìn)行調(diào)節(jié)，一并解決了納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料的激發(fā)波長(zhǎng)和余輝發(fā)射波長(zhǎng)這兩個(gè)難題。通過(guò)尾靜脈注射到小鼠體內(nèi)后，納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料在血管成像、腫瘤成像、成像介導(dǎo)下的輸尿管術(shù)中識(shí)別和活體臟器多重成像中表現(xiàn)出更高的信噪比和分辨率（圖4）。

圖4 （a）X射線激發(fā)的近紅外二區(qū)發(fā)射納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料示意圖；近紅外二區(qū)發(fā)射納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料的透射電鏡圖（b）和余輝發(fā)射光譜（c）；近紅外二區(qū)發(fā)射納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料用于血管成像（d）和腫瘤成像（e）；余輝成像介導(dǎo)下的輸尿管術(shù)中識(shí)別（（f）～（g））和小鼠主要器官的多重成像（h）Fig.4 （a）Schematic illustration of the X-ray activated near infrared Ⅱ（NIR-Ⅱ） emission persistent luminescent nanoparticles（PLNPs）. TEM image（b） and the afterglow emission spectra（c） of the NIR-Ⅱ emission PLNPs. The vascular（d） and tumor（e） afterglow imaging from mice injected with the NIR-Ⅱ emission PLNPs. （f）-（g）Afterglow imaging-guided ureteral identification. （h）Multiplexed NIR-Ⅱ afterglow imaging of the main organs of the mice

每種成像技術(shù)都有其特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)和局限性。因此，多模態(tài)成像可以彌補(bǔ)不同成像方法之間的劣勢(shì)，從而為疾病診斷提供更準(zhǔn)確、完整和可靠的圖像信息[60-61]。因此，研究人員將納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料與其他成像模式結(jié)合，進(jìn)行體內(nèi)雙模態(tài)或多模態(tài)成像。2014年，Yan等[62]將Gd-DTPA修飾在Zn2.94Ga1.96Ge2O10∶Cr3+,Pr3+納米顆粒表面，在體內(nèi)實(shí)現(xiàn)了余輝和磁共振雙模態(tài)成像。Richard等[63]通過(guò)摻雜方式將釓離子與納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料結(jié)合，系統(tǒng)考察了不同釓的摻雜量對(duì)納米顆粒余輝和弛豫性能的影響。通過(guò)尾靜脈注射到小鼠體內(nèi)后，實(shí)現(xiàn)了對(duì)肝臟的余輝/磁共振成像。Li等[64]利用可降解介孔硅為模板合成了一種可腎清除、單分散、粒徑可調(diào)、形貌規(guī)則的納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料用于體內(nèi)余輝和磁共振成像（圖5）。尾靜脈注射到小鼠體內(nèi)后，超小的納米長(zhǎng)余輝顆粒能通過(guò)腎代謝出體內(nèi)，該策略有效地解決了在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料的“尺寸”和“體內(nèi)代謝”這兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，為無(wú)機(jī)納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料的合成提供了一種新方法和新思路。Lu等[65]將TaOx修飾在納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料表面用于腫瘤的余輝/CT成像。除了雙模態(tài)成像，Liu等[66]還開(kāi)發(fā)了一種基于GdAlO3∶Mn4+,Ge4+@Au納米顆粒的多模態(tài)成像探針，用于體內(nèi)余輝/CT/MR成像。

圖5 （a）超小納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料合成示意圖；（b）每一步反應(yīng)后納米顆粒的透射電鏡圖：可降解介孔硅、吸附前體后介孔硅、高溫煅燒后介孔硅-納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料復(fù)合物、超小納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料和聚乙二醇修飾超小納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料；（c）不同時(shí)間點(diǎn)小鼠主要器官的體外余輝成像；（d）超小納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料的縱向弛豫率和T1加權(quán)成像；（e）～（f）超小納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料體內(nèi)磁共振成像Fig.5 （a）Schematic illustration of the synthesis of the ultrasmall PLNPs. （b）TEM images of the nanoparticles after each step：the degradable mesoporous silica nanoparticles（MSN），MSN labeled by the precursor of the PLNPs， MSN-PLNPs complex after high temperature calcination，the ultrasmall PLNPs， the ultrasmall PLNPs modified by polyethylene glycol（PEG）. （c）The afterglow imaging of the main organs of the mice at different time points in vitro. （d）The longitudinal relaxation rate（r1） and T1-weighted imaging of the ultrasmall PLNPs. （e）-（f）The magnetic resonance imaging at different time intervals after intravenous injection of the ultrasmall PLNPs

目前，納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料應(yīng)用體內(nèi)生物成像大多集中在近紅外Ⅰ區(qū)，近紅外Ⅱ/Ⅲ發(fā)射的納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料的研究較少，需開(kāi)發(fā)近紅外Ⅱ/Ⅲ發(fā)射的納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料應(yīng)用體內(nèi)成像，提高成像的組織穿透深度和靈敏度。

2.3 成像介導(dǎo)下腫瘤治療

腫瘤是威脅人類(lèi)健康的主要疾病之一，早期診斷和治療對(duì)提高患者生存率具有重要意義[67]。近年來(lái)，納米技術(shù)廣泛應(yīng)用于腫瘤診療領(lǐng)域。鑒于納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，其與其他功能性物質(zhì)（化療藥物、光熱轉(zhuǎn)換劑、光敏劑或免疫藥物）的結(jié)合，將為腫瘤的早期診斷和治療提供一種新方法和新思路[68-69]。本小節(jié)將從化療、光熱治療、光動(dòng)力治療和免疫治療四個(gè)方面介紹納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料在腫瘤治療中的應(yīng)用（表2）。

表2 納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料用于腫瘤治療的四種方法優(yōu)缺點(diǎn)比較Tab.2 The comparison of the PLNPs for tumor therapy

2.3.1 化療

化療是目前臨床上最常用治療癌癥的方法之一，但存在著靶向性差、副作用大和耐藥等缺點(diǎn)，對(duì)正常組織損傷較大。因此，許多基于納米顆粒的藥物遞送系統(tǒng)被開(kāi)發(fā)用于腫瘤的成像與化療，實(shí)現(xiàn)了對(duì)治療的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。介孔硅（MSN）由于其具有良好的生物相容性和低毒性，是一種經(jīng)典且廣泛應(yīng)用的藥物遞送載體?；诖?，Zhang等[70-71]利用介孔硅的孔道負(fù)載納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料的前體離子，然后再在高溫條件下煅燒，形成MSNPLNPs復(fù)合物。未被占據(jù)的介孔硅的孔道用于負(fù)載抗癌藥物阿霉素用于余輝成像介導(dǎo)下腫瘤化療。Zhao等[72]合成了一種組織蛋白酶B/谷胱甘肽雙重響應(yīng)MSN-PLNPs藥物遞送系統(tǒng)用于腫瘤的余輝成像和化療。Feng等[73]開(kāi)發(fā)了一種草莓狀結(jié)構(gòu)的介孔Zn1.07Ga2.34Si0.98O6.56∶Cr0.01（Si-ZGO）納米藥物載體用于腫瘤增強(qiáng)的余輝成像和化療。盡管利用介孔硅為模板所合成的納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料復(fù)合物能進(jìn)行藥物遞送，但納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料的前體離子會(huì)事先占據(jù)介孔硅的孔道，這在某種程度上影響藥物的負(fù)載量或其他功能性物質(zhì)的負(fù)載，進(jìn)而影響腫瘤治療的效果。為了解決納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料載藥量的問(wèn)題，Wang等[74]利用碳球?yàn)槟０搴铣闪艘环N中空、粒徑可調(diào)和近紅外發(fā)射的納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料用于腫瘤化療和光動(dòng)力治療（圖6），其中空的結(jié)構(gòu)具有高的藥物負(fù)載量。體內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，與單獨(dú)的阿霉素相比，負(fù)載了阿霉素的中空納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料能實(shí)現(xiàn)余輝成像介導(dǎo)下腫瘤化療且顯著抑制腫瘤的生長(zhǎng)。除了利用介孔硅和碳球?yàn)槟０逋?，Zhao等[75]利用金屬有機(jī)框架（Metal organic frameworks, MOFs）包裹納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料合成PLNPs@MOFs核殼結(jié)構(gòu)，利用MOFs的多孔結(jié)構(gòu)負(fù)載抗癌藥物阿霉素用于余輝成像介導(dǎo)下的腫瘤化療，成功地實(shí)現(xiàn)了腫瘤部位特異性藥物釋放和余輝成像。Chen等[76]構(gòu)建了脂質(zhì)體包裹納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料（Lipo-PLNPs）作為一種新型余輝成像介導(dǎo)下的藥物載體用于腫瘤化療。形成的Lipo-PLNPs復(fù)合物具有優(yōu)異的余輝性能和高的藥物負(fù)載效率，在體內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)藥物載體的長(zhǎng)期示蹤，并對(duì)腫瘤具有顯著的治療效果。

圖6 （a）中空納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料的合成和功能化示意圖；（b）每一步修飾納米顆粒的透射電鏡圖：碳球、碳球吸附納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料前體離子、中空納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料、牛血清白蛋白（BSA）修飾中空納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料；（c）尾靜脈注射中空納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料到4T1荷瘤小鼠后在腫瘤部位不同時(shí)間點(diǎn)的余輝成像圖；不同處理后小鼠身體重量（d）和腫瘤體積的變化曲線（e）Fig.6 （a）Schematic illustration of the synthesis and functionalization of the hollow PLNPs. （b）TEM images of the nanoparticles after each step： carbon spheres， carbon spheres labeled by the precursor of the PLNPs， hollow PLNPs， the hollow PLNPs modified by bovine serum albumin（BSA）. （c）The afterglow imaging of the tumor at different time points after intravenous injection of the hollow PLNPs. The body weight（d） and tumor growth curves（e） after different treatments

圖7 （a）超聲充電的納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料合成示意圖及其用于腫瘤治療的機(jī)理；不同處理后腫瘤體積（b）和生存率（c）變化曲線Fig. 7 （a）Schematic illustration of the synthesis and mechanism for tumor therapy of the ultrasound-chargeable PLNPs. The tumor growth curves（b） and survival rate（c） after different treatments

2.3.2 光熱治療

光熱治療作為治療腫瘤的一種新型方式，其原理是光熱轉(zhuǎn)換劑將吸收的光能轉(zhuǎn)換成熱能從而殺死腫瘤細(xì)胞，具有非入侵性、副反應(yīng)小和靶向性等優(yōu)點(diǎn)[77-78]。Chang等[79]開(kāi)發(fā)了一種可在體內(nèi)反復(fù)激發(fā)的ICG@mZGC納米顆粒，并成功地將光熱轉(zhuǎn)換劑吲哚靛青綠（Indocyanine green，ICG）負(fù)載到mZGC納米顆粒中，用于余輝成像介導(dǎo)下的腫瘤光熱治療。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，ICG@mZGC納米顆粒能降低背景信號(hào)干擾，提高腫瘤部位成像的信噪比。在808 nm近紅外光照射下，產(chǎn)生的光熱效果能顯著抑制腫瘤的生長(zhǎng)。為了不影響ICG的負(fù)載量，該課題組利用類(lèi)似的原理在合成介孔硅的過(guò)程中將納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料的前體離子摻雜在介孔硅的結(jié)構(gòu)里形成mSiO2@PLNPs復(fù)合物，然后再負(fù)載ICG，實(shí)現(xiàn)余輝成像介導(dǎo)下的腫瘤光熱治療[80]。Wang等[81]利用介孔硅包裹納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料Zn1.25Ga1.5Ge0.25O4∶Cr3+,Yb3+,Er3+（ZGGO），然后將光熱熒光染料IR825和化療藥物伊立替康依次負(fù)載到介孔硅的孔道里，最后用腫瘤細(xì)胞膜-巨噬細(xì)胞膜包裹，所形成的納米復(fù)合物尺寸均一。體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明納米復(fù)合物表現(xiàn)出優(yōu)異的免疫逃逸能力和腫瘤靶向能力，有利于納米顆粒在體內(nèi)的循環(huán)時(shí)間和腫瘤部位的靶向聚集。體內(nèi)抗腫瘤實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該納米復(fù)合物可以對(duì)結(jié)直腸癌進(jìn)行精準(zhǔn)成像和聯(lián)合化療/光熱治療。為了解決腫瘤細(xì)胞可及性和間歇性光激發(fā)的難題，Li等[82]開(kāi)發(fā)了一種利用納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料的余輝激發(fā)光熱治療，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)熱泳推動(dòng)運(yùn)動(dòng)和余輝觸發(fā)的一氧化氮（NO）釋放的腫瘤診療一體化平臺(tái)（圖7）。與常用的660 nm和808 nm的間歇性近紅外照射相比，超聲激活的納米顆粒的持續(xù)運(yùn)動(dòng)可以增強(qiáng)細(xì)胞攝取、持久的光熱治療以及增加細(xì)胞內(nèi)一氧化氮（NO）水平，在不使用任何化療藥物的情況下殺死腫瘤細(xì)胞。此外，超聲激活的持續(xù)運(yùn)動(dòng)促進(jìn)納米顆粒在腫瘤部位富集和分布，并表現(xiàn)出比近紅外光照射更高的腫瘤生長(zhǎng)抑制、更長(zhǎng)的動(dòng)物存活時(shí)間和更高的瘤內(nèi)NO水平。該策略所構(gòu)建的納米馬達(dá)為深層腫瘤的光學(xué)治療提供了一個(gè)有效的策略。

2.3.3 光動(dòng)力治療

光動(dòng)力治療是一種新型的腫瘤治療方法，其原理是光敏劑在特定波長(zhǎng)的激光照射下產(chǎn)生活性氧從而殺死腫瘤細(xì)胞[83-85]。目前，傳統(tǒng)的光動(dòng)力治療需要光源持續(xù)激發(fā)光敏劑，光源的長(zhǎng)時(shí)間照射可能會(huì)對(duì)正常組織造成損傷，而且激發(fā)光源的組織穿透深度有限，不利于對(duì)深層腫瘤的治療。納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料具有外界光源所不具有的優(yōu)勢(shì)，如不需要激發(fā)光源的持續(xù)激發(fā)、余輝壽命長(zhǎng)、無(wú)組織穿透深度的限制和在體內(nèi)能被反復(fù)“充電”，從而實(shí)現(xiàn)深層組織的PDT。例如，Yang等[86]開(kāi)發(fā)了一種摻雜W（Ⅵ）的ZnGa2O4∶Cr PLNPs，與傳統(tǒng)的ZnGa2O4∶Cr PLNPs相比，它具有更強(qiáng)的持續(xù)發(fā)光強(qiáng)度和更長(zhǎng)的持續(xù)發(fā)光時(shí)間。體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)均證明，低劑量（0.18 Gy）X射線照射足以激活PDT納米平臺(tái)，并對(duì)腫瘤生長(zhǎng)產(chǎn)生顯著的抑制作用。因此，這種X射線激發(fā)的納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料介導(dǎo)的PDT納米平臺(tái)因其高效、低輻射劑量和深組織穿透深度在腫瘤診療一體化中具有巨大應(yīng)用潛力。Liu等[87]構(gòu)建了ZGGO∶Cr,Bi@mSiO2-ZnPc納米平臺(tái)，用于原位成像引導(dǎo)的PDT。在635 nm激光照射10 min后，體外小鼠肝癌細(xì)胞存活率為18%，體內(nèi)腫瘤抑制率為80%。Fan等[88]構(gòu)建了一種可注射的ZGC植入物，其余輝強(qiáng)度和時(shí)間遠(yuǎn)大于單獨(dú)的ZGC納米顆粒。更重要的是，通過(guò)在體外和體內(nèi)與水接觸后的快速液固相變，ZGC植入物被牢牢地固定在腫瘤組織內(nèi)，在體內(nèi)具有極高的余輝穩(wěn)定性，可實(shí)現(xiàn)重復(fù)“充電”（LED激發(fā)）過(guò)程，在LED燈照射下能有效地抑制腫瘤的生長(zhǎng)。Liu等[89]開(kāi)發(fā)了一種溫度響應(yīng)的“蠟封”診療平臺(tái)用于余輝成像介導(dǎo)下光熱激發(fā)的腫瘤PDT（圖8）。用油酸和十六醇將納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料ZnGa1.996O4∶Cr0.004和光敏劑IR780進(jìn)行“蠟封”，可以增強(qiáng)顆粒的余輝性能和避免過(guò)早開(kāi)始PDT，減少對(duì)正常組織的傷害。納米顆粒在體內(nèi)光熱激活后，產(chǎn)生的余輝持續(xù)激發(fā)光敏劑產(chǎn)生活性氧，從而殺死腫瘤細(xì)胞，抑制腫瘤生長(zhǎng)。這一研究不僅為基于納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料的用于腫瘤持續(xù)性PDT提供了一種通用策略，還為建立光熱觸發(fā)給藥系統(tǒng)應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域提供了有效的依據(jù)。

2.3.4 免疫治療

臨床上治療腫瘤的主要方法是：化療、放療和手術(shù)切除。從理論上講，如果腫瘤組織被完全切除，癌癥是可以治愈的，但許多癌癥在被發(fā)現(xiàn)之前就已經(jīng)轉(zhuǎn)移。放療可殺死大部分腫瘤細(xì)胞，但有些腫瘤細(xì)胞仍保持微轉(zhuǎn)移，難以徹底根除?；熢跉⑺滥[瘤細(xì)胞的同時(shí)會(huì)對(duì)正常細(xì)胞造成損害。腫瘤免疫治療是通過(guò)特異性激活機(jī)體的自身免疫系統(tǒng)來(lái)殺傷腫瘤細(xì)胞，被認(rèn)為是治療腫瘤最有潛力的方法之一，具有安全性、特異性、持久性和適應(yīng)癥廣等特點(diǎn)[90-92]?；诖?，Wang等[93]開(kāi)發(fā)了一種持續(xù)性抗腫瘤納米免疫刺激劑ZGS-Si-Pc@HA，在695 nm激光照射下可持續(xù)產(chǎn)生活性氧誘導(dǎo)免疫原性細(xì)胞死亡，引起持久的腫瘤特異性免疫反應(yīng)（圖9）。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，ZGS-Si-Pc@HA有效地緩解了免疫耐受，促進(jìn)了細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞腫瘤浸潤(rùn)。此外，當(dāng)與免疫檢查點(diǎn)抑制劑（anti-PD-L1）聯(lián)合治療后，能夠有效地抑制雙側(cè)腫瘤的生長(zhǎng)并引發(fā)免疫記憶效應(yīng)。Li等[94]開(kāi)發(fā)了一種利用中性粒細(xì)胞遞送納米敏化劑用于超聲增強(qiáng)的膠質(zhì)母細(xì)胞瘤化療和免疫治療。納米敏化劑由用于余輝成像的納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料ZnGa2O4∶Cr3+（ZGO）為核和中空二氧化鈦（TiO2）殼（聲敏劑）組成。多孔ZGO@TiO2負(fù)載免疫檢查點(diǎn)抑制劑抗PD-1抗體來(lái)緩解膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的免疫抑制。負(fù)載紫杉醇（Paclitaxel，PTX）的脂質(zhì)體作為材料的最外層，以實(shí)現(xiàn)對(duì)膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的化學(xué)抑制。尾靜脈注射后，在超聲波的作用下，產(chǎn)生的活性氧導(dǎo)致脂質(zhì)體外層被破壞，釋放的PTX和抗PD-1抗體殺死腫瘤細(xì)胞并誘導(dǎo)局部炎癥，進(jìn)而誘導(dǎo)更多的納米顆粒遷移至腫瘤部位增強(qiáng)對(duì)膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的治療。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，小鼠的存活率從0%提高到40%，并為腫瘤復(fù)發(fā)提供了長(zhǎng)期的免疫監(jiān)測(cè)能力，為膠質(zhì)母細(xì)胞瘤和其他癌癥的精確治療提供了一種新的途徑。

綜上所述，納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料與其他功能性物質(zhì)的結(jié)合為腫瘤的治療提供了一種新的思路，但其在腫瘤的治療方面大多是作為腫瘤成像的一種手段，其對(duì)腫瘤的治療大多需要與其他功能性物質(zhì)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，況且自身具有功能性納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料的探索很少。因此，合成自身具有腫瘤治療功能（光熱、光動(dòng)力等）的納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料有利于拓展其在腫瘤治療領(lǐng)域的應(yīng)用。

3 結(jié)論與展望

本文系統(tǒng)地總結(jié)了近年來(lái)納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)、成像和腫瘤治療應(yīng)用方面的最新研究進(jìn)展。由于其長(zhǎng)余輝壽命、無(wú)需原位激發(fā)、無(wú)組織背景信號(hào)干擾和高信噪比，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注。盡管納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域取得了巨大的進(jìn)步，但仍需要在以下方面進(jìn)一步研究：

（1）材料的合成。盡管納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料的合成取得了巨大進(jìn)步，但目前合成納米長(zhǎng)余輝材料的方法只是部分地改善了其性質(zhì)，仍面臨著其他挑戰(zhàn)，比如可控合成新的激發(fā)和發(fā)射帶的納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料、探索新的發(fā)光中心和基質(zhì)等。

（2）材料的生物安全性。目前納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料都摻雜了各種過(guò)渡金屬離子或稀土離子，可能對(duì)正常組織有毒副作用，需進(jìn)行深入的毒理學(xué)研究，例如通過(guò)基因組學(xué)、蛋白組學(xué)和代謝組學(xué)的方法進(jìn)一步考察納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料在基因、蛋白質(zhì)和代謝水平上的毒理學(xué)行為。

（3）余輝的發(fā)射波長(zhǎng)。目前報(bào)道的近紅外納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料大多集中在近紅外Ⅰ區(qū)域（＜900 nm）。在近紅外Ⅱ/Ⅲ區(qū)域的研究較少，而該區(qū)域的組織穿透深度和成像能力更好。因此，需要加強(qiáng)對(duì)近紅外Ⅱ/Ⅲ區(qū)域發(fā)光材料的研究。此外，近紅外Ⅱ/Ⅲ發(fā)射的納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料的研究也受限于沒(méi)有商用的成像儀器，開(kāi)發(fā)相對(duì)應(yīng)的商業(yè)化儀器可能會(huì)進(jìn)一步拓展其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

（4）生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的局限性。目前，納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料大多應(yīng)用在腫瘤診斷，能否將其拓展到其他疾病的治療上，如神經(jīng)調(diào)控、細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)等；其次，在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)方面，需開(kāi)發(fā)多波長(zhǎng)發(fā)射的納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料實(shí)現(xiàn)多種物質(zhì)的分析或開(kāi)發(fā)余輝發(fā)射波長(zhǎng)在近紅外Ⅱ/Ⅲ區(qū)的納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料用于生物標(biāo)志物的檢測(cè)，從而提高檢測(cè)的靈敏度。

（5）臨床轉(zhuǎn)化。從應(yīng)用的角度來(lái)看，盡管納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究取得了很大進(jìn)展，但這些材料的研究大多集中在實(shí)驗(yàn)室研究上。因此，納米長(zhǎng)余輝發(fā)光材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域面臨的最大挑戰(zhàn)是從實(shí)驗(yàn)室研究向臨床試驗(yàn)轉(zhuǎn)化。為了從實(shí)驗(yàn)室研究轉(zhuǎn)向臨床試驗(yàn)，未來(lái)還需要更多的努力。

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