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Nano Res.[生物]│量子点在癌症诊断和治疗中的最新应用进展

作者：Nano Research 2025-03-17

本篇文章版权为李美黄艳所有，未经授权禁止转载。

背景介绍

量子点（Quantum Dots，简称QDs）作为一类半导体纳米颗粒，其发展始于对纳米尺度材料的独特性质探索（图1）。QDs具备高亮度、长期稳定性、抗光漂白能力、多信号同时检测能力及可调节的发射光谱等特性，其在生物医学领域，尤其是在癌症的诊断和治疗中展现出巨大的应用前景。QDs的表面可功能化特点增强了其在体内的分散性，对于提高光敏剂的水溶性和光化学活性至关重要。随着QDs技术的不断进步，其在癌症诊断和治疗中的应用前景日益明朗，不仅可作为荧光探针用于生物医学成像，还可作为药物递送系统，甚至作为主要元件直接参与到光热治疗和放射治疗中。因此，QDs在癌症诊断与治疗中的应用已成为纳米技术和生物医学交叉领域的一个重要研究方向。这些应用探索研究，不仅推动了量子点科学的深入，也为癌症治疗提供了新的思路和方法。

图1 量子点的起源和在生物医学应用中的发展历程

本文旨在综述QDs技术在癌症研究领域的应用现状与最新进展。作者介绍了QDs的生物学特性，并重点总结和阐述了QDs在癌症诊断与治疗中的创新性应用策略（图2），并对其在这些应用领域中的优势与局限性进行了详尽的分析。此外，文中还包含了对QDs潜在毒性的讨论。最终，文章提出了推动QDs临床应用技术进步的必要性，并探讨了在QDs广泛应用于临床实践之前需克服的关键挑战及可能的解决途径。

图2 QDs特性及其在癌症诊断和治疗中的应用策略概览

1. QDs的发展、分类、特性及功能化

文章的第一部分聚焦QDs的相关研究背景，旨在总结QDs的发展历程（图1），QDs种类（表1），丰富读者对于QDs研究的理论基础，并重点介绍了水溶性QDs的制备策略和QDs-生物分子偶联策略，为跨学科读者和研究人员理解后续QDs广泛应用的策略铺垫。

表1 QDs分类

2. 癌症诊断与治疗现状

癌症是全球主要死亡原因之一，对人类健康构成重大威胁。癌症患者高死亡率很大程度上是由于诊断和治疗不及时。早期筛查和管理对于改善患者结果、提高生存率和增强生活质量至关重要。本文在总结QDs在癌症领域中的应用之前，首先介绍了癌症诊断与治疗的当前现状和发展趋势，总结了当前的癌症诊断和治疗方式（图3），并从疾病诊疗机制与技术原理等多个视角，为跨学科读者阐述了QDs应用于癌症诊疗的前世今生。

图3 当前癌症诊断和治疗方式概览

3. 量子点辅助的癌症可视化与高灵敏检测

QDs的光稳定性、高量子产率及可调节的荧光发射波长，使其在癌症诊断方面备受关注。其强大的荧光特性，使它们成为生物标志物标记、成像和检测分子标记作为信号报告器的有效工具，可用于肿瘤组织的高分辨率成像和肿瘤特异性标志物的敏感检测，提高早期癌症诊断的准确性。作者们详细地总结了QDs在肿瘤生物成像及分子生物标志物检测中的应用策略及原理（图4）。此外，QDs的卓越光稳定性、高量子产率以及尺寸可调的发射特性，使其成为发展现场快速检测（Point-of-Care Testing, POCT）设备的理想选择。POCT应用要求在具有挑战性的环境条件下，对生物或化学事件提供强健且可靠的指示，而QDs的固有属性与这些要求完美契合。QDs的光稳定性确保了它们即使在不同光照条件或持续使用下，也能在POCT设备的使用寿命内保持一致的性能。它们的高量子产率转化为强烈且易于检测的信号，这对于准确和快速诊断至关重要。此外，QDs的发射特性可调能力允许在单一POCT平台上开发多重检测，实现多个目标的同时检测。QDs的理论基础，根植于量子限制效应和表面化学，为定制其属性以增强其在POCT应用中的性能提供了基础。通过操纵量子点的尺寸和表面配体，研究人员可以优化它们的亮度、稳定性和生物相容性，这对于有效整合到POCT设备中至关重要。因此，本文还重点探讨了QDs在POCT中的具体应用，介绍了最新进展，并讨论了该应用领域的潜在挑战和未来发展方向。

图4 QDs在癌症诊断中的应用策略概览

4. 量子点辅助癌症治疗

在癌症治疗方面，QDs同样有广泛的应用前景。它们可用于术中导航、作为药物载体实现精确的药物递送和控制释放。当与各种生物分子结合时，QDs还可以在光热疗法（Photothermal Therapy，简称PTT）或光动力疗法（Photodynamic Therapy，简称PDT）中发挥作用，通过产生局部过热或活性氧（ROS）杀死肿瘤细胞。它们的FRET效应补偿了传统光疗剂的光学弱点。此外，研究表明了QDs在癌症免疫疗法中的潜在价值，可能为未来癌症治疗提供新策略。在这些应用中，肿瘤疫苗作为癌症免疫疗法和预防的策略，其目的是激活或增强身体对肿瘤的免疫反应。一些临床试验已经显示了肿瘤疫苗的潜力，例如针对恶性脑肿瘤的突变特异性疫苗。这些疫苗已经显示出安全性和引发预期免疫反应的能力。在这些研究中，QDs被用作免疫学佐剂。肿瘤抗原被偶联在其表面以制备肿瘤疫苗，这增强了树突状细胞（DCs）对抗原的呈递并刺激了更强的特异性抗肿瘤免疫反应。此外，QDs在近红外窗口的成像能力允许动态追踪疫苗在体内的宿命。免疫反应的有效激活取决于疫苗的配方、其动力学和生物分布。基于QDs的可视化追踪系统可以帮助揭示疫苗在体内的循环动力学和生物分布模式，优化疫苗设计，并为疫苗剂量、给药途径和时间提供科学依据。这为疫苗研究提供了新的视角和方法。总之，QDs在癌症治疗甚至预防中的应用是一个活跃的研究领域，具有巨大的发展潜力。随着技术的不断进步和创新，预计QDs将在未来的癌症研究中发挥越来越重要的作用。

最后，本文总结了QDs与其他荧光材料的对比情况，突出了QDs的独特性质并呼应了其为何具有如此广泛的应用，与此同时，也提出了QDs的临床应用仍面临挑战。首先，QDs的生物安全性和潜在毒性是必须在临床应用之前解决的关键挑战。特别是，一些QDs含有可能对身体产生长期毒性的重金属元素。其次，QDs在体内的长期稳定性、生物分布和清除机制尚未完全了解，需要进一步研究。此外，QDs大规模生产和临床应用的成本效益也是一个需要考虑的因素。研究表明，QDs的毒性主要与其组成元素、表面修饰、大小和形状有关。一些QDs含有如镉和硒等重金属元素，这些重金属的离子化形式可能对身体产生毒性影响。此外，QDs的大小和形状也可以影响其生物分布、积累和清除，从而影响其毒理学特性。因此，开发具有良好生物相容性和低毒性的量子点对于临床应用至关重要。目前，研究人员正在探索各种策略以减少QDs的毒性并增强其临床应用的安全性。这些策略包括开发无重金属量子点，如碳量子点和硅量子点，改进QDs的表面修饰以增强其生物相容性和靶向能力，以及优化QDs的大小和形状以改善其在生物系统中的生物分布和清除效率。同时，对QDs在生物系统中的相互作用及其在长期暴露下的潜在影响进行全面调查对于全面评估其毒性至关重要。通过这些研究，我们可以更好地了解QDs的安全性，并为设计更安全、更有效的基于QDs的纳米医学产品提供科学依据。

总之，未来研究应集中在优化QDs的设计上，以提高它们在生物系统中的稳定性和生物相容性。此外，还需要探索QDs在癌症诊断、治疗中的新机制和应用。强调跨学科合作对于推进QDs在癌症领域中的应用至关重要。材料科学家、纳米技术专家、生物学家、肿瘤学家和临床医生的共同努力将有助于解决与QDs应用相关的技术挑战，并促进其从实验室研究到临床实践的转化。这些努力最终将使QDs在癌症的诊断、治疗中发挥更重要的作用，为癌症患者带来新的希望。

作者简介

通讯作者

陈楠教授，生物学博士，上海师范大学‌化学与材料科学学院教授，博导，研究领域为纳米生物界面，研究方向聚焦于纳米材料在亚细胞水平与生物分子的相互作用，及其对于细胞内信号转导通路的调控和机理研究。围绕这一主题，针对多种纳米材料的理化性质与其生物学效应的关系，功能化纳米复合物的制备及其在生物成像、生物传感和纳米医药领域的应用等，开展了一系列的研究工作。立足于生物学体系，综合运用包括生化分析、分子遗传、材料学、同步辐射高分辨成像、活细胞标记与示踪等技术手段，揭示纳米材料在分子层面与细胞的相互作用，阐明相关的细胞过程和信号转导通路，并据此提出了可行的调控机理和应用。2011 年以来，以通讯或第一作者身份在J Am Chem Soc、Angew Chem Int Ed Engl、Adv Mater、Acc Chem Res、Cell Res、Mater Horiz、Biomaterials、Small、Theranostics、ACS Appl Mater Interfaces等杂志发表多篇学术论文，论文的总引用数超1400次，单篇最高他引超300次。

王则君教授，化学博士，生物工程博士后，东北大学理学院教授，博导。中国分析测试协会青年学术委员会委员，Journal of Analysis and Testing青年编委。国家级优秀青年人才、“兴辽英才计划”青年拔尖人才和沈阳市中青年科技创新人才。主要从事纳米探针与成像、诊疗微器件相关研究。在PNAS、J Am Chem Soc.、Angew Chem Int Ed、Adv Mater、Adv Sci等国际重要期刊上以第一/通讯作者发表SCI论文50余篇，被引用2900余次。

罗耀副研究员，生物学博士，临床医学博士后，现就职于四川大学华西医院实验医学科/四川省医学检验临床医学研究中心，担任创新检验技术研究室副主任，兼自贡市第一人民医院呼吸与危重症医学科学科主任。Exploration期刊、Interdisciplinary Medicine期刊、VIEW期刊青年编委，Front Bioeng Biotechnol期刊客座编辑，Front Oncol期刊评审编辑等，中国生物化学与分子生物学会永久会员。主要从事纳米生物学与创新检验医学技术研究，在功能纳米材料设计与生物医学应用、荧光纳米探针生物成像、创新微纳米给药技术等领域开展了一系列研究工作。近年研究成果以第一/通讯作者（含共同）发表于Nat Commun、Angew Chem Int Edit、Adv Mater、Small（封面文章）、Mater Horiz、Research、Cell Proliferat、Front Immunol、Chem Commun等期刊，被引用1200余次。

第一作者

李美助理研究员，药物化学博士，临床医学博士后，现就职于四川大学华西医院实验医学科。Front Bioeng Biotechnol期刊特约审稿人，中国生物化学与分子生物学会永久会员。主要从事疾病分子标志物检测技术与治疗策略的开发与应用，立足多学科交叉与技术融合，重点聚焦于性能良好、检测门槛低的可视化检测方案的设计和纳米材料辅助的药物递送系统的构建。近年研究成果以第一/通讯作者（含共同）发表于Research、Sensor Actuat B-Chem、Chem Commun、Front Immunol、Cancers（ESI高被引论文）、Front Chem、《中华检验医学杂志》等期刊。授权国家发明专利2项。

黄艳，上海师范大学化学与材料科学学院2022级在读博士。主要研究课题为级联纳米反应器的构建及其细胞学效应研究；研究方向集中在环境污染物的可视化监测，包括污染物在动植物细胞内的成像分析以及可视化分析污染物对细胞的有害损伤。相关研究成果以第一作者和共同作者发表于iScience、Adv Sci、ACS Appl Mater Interfaces等期刊。

沈辰，四川大学华西临床医学院2023级在读硕士，曾获得四川大学综合二、三等奖学金，2022年度罗氏中国教育基金奖学金、四川大学优秀学生和优秀毕业生。分别在2023年和2024年获罗氏大学研究基金入围奖和三等奖。目前，已发表SCI论文8篇和中文核心1篇。其中相关研究成果以第一作者（含共同）发表于Research、Front Immunol、Cancers（ESI高被引论文）、Front Oncol、《国际检验医学杂志》等期刊，论文被评选为《国际检验医学杂志》2023年度优秀论文。

文章信息

Li M, Huang Y, Shen C, et al. Application of quantum dots in cancer diagnosis and treatment: Advances and perspectives. Nano Research, 2025, 18(1): 94907163. https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907163.

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