综述：生物功能化碳量子点助力胶质母细胞瘤的快速诊断与治疗

本文综述了生物功能化碳量子点（CQDs）和石墨烯量子点（GQDs）在胶质母细胞瘤（GBM）诊断和治疗方面的应用进展。

　　

胶质母细胞瘤：现状与挑战

胶质母细胞瘤（Glioblastoma，GBM）是脑部和中枢神经系统中最常见的恶性原发性肿瘤，极具侵袭性。它占恶性中枢神经系统（CNS）肿瘤的 48.6%，所有 CNS 肿瘤的 14.5%。GBM 患者的中位总生存期（OS）仅 15 个月，即便经过积极治疗，也只能延长至 21 个月，生存率为 26%。

GBM 的发病率在不同报告中有所差异，每 10 万人年 3.19 - 4.17 例不等。其发病与年龄相关，64 岁为中位发病年龄，74 - 85 岁发病率最高，男性发病率高于女性，且在不同种族间存在差异，美国印第安人和阿拉斯加原住民的发病率比非西班牙裔白人低 40% ，澳大利亚、北欧、西欧和北美地区发病率较高。

GBM 常位于大脑半球的皮质下白质，多见于顶叶、枕叶、颞叶和额叶。它起源于星形胶质细胞，属于 IV 级星形细胞瘤，会影响血脑屏障（BBB）功能，导致血管异常、水肿、炎症和免疫浸润，同时肿瘤微环境会促进新生血管形成。在病理上，GBM 表现为不规则形状、环形增强或边缘增强的病变，中心可能存在坏死，还可能扩散至对侧半球形成蝴蝶状病变。

GBM 的发生发展涉及多种分子机制。约 40% 的 GBM 病例存在表皮生长因子受体（EGFR）的增量，其表型变化源于过表达、扩增和突变。肿瘤抑制蛋白 p53 可修复 DNA 或诱导不可修复 DNA 的细胞凋亡，p53 突变细胞会导致高级别胶质瘤的扩展。近 60% 的原发性肿瘤表达突变 p53，且可能与 10 号染色体上缺失的磷酸酶和张力蛋白同源物（PTEN）突变同时发生。异柠檬酸脱氢酶（IDH - 1）突变是低级别胶质瘤转变为继发性 GBM 的原因之一，会产生致癌代谢物 2 - 羟基戊二酸（2HG）。此外，还有其他基因改变和相关生物标志物，如神经纤维瘤蛋白 1 基因失活、红细胞生成素原癌基因 B（ERBB2）突变、甲基鸟嘌呤 - DNA 甲基转移酶（MGMT）甲基化等。

现有诊断与治疗手段的局限

GBM 的诊断主要依靠临床表现、影像学检查和病理诊断。临床症状因肿瘤位置而异，可出现视力丧失、麻木、语言改变、情绪障碍、癫痫等症状。影像学检查中，磁共振成像（MRI）是常用的手段，能区分 GBM 与非胶质肿瘤和感染，但不同亚型的 GBM 在 MRI 上表现各异。病理诊断则通过显微镜观察和免疫染色，检测肿瘤细胞的特征，如胶质纤维酸性蛋白（GFAP）免疫阳性肿瘤细胞的浸润、微血管增生、坏死、多形性和活跃的有丝分裂活动等。

目前 GBM 的治疗方法包括化疗、抗血管生成疗法、肿瘤治疗电场（TTF）、手术及其他替代疗法。化疗中常用的药物有替莫唑胺（TMZ）、卡莫司汀（BCNU）和洛莫司汀等，但这些药物存在疗效受限的问题，如 TMZ 的疗效受 MGMT 甲基化状态影响，且化疗药物普遍存在血脑屏障通透性差、耐药性等问题。抗血管生成疗法通过抑制血管生成来治疗 GBM，如贝伐单抗可抑制血管内皮生长因子 A（VEGFA）与其受体的连接，酪氨酸激酶抑制剂（TKIs）可阻断相关生物标志物，但 TKIs 在成人患者中的临床效果不佳，存在药代动力学差和耐药等问题。TTF 是一种新兴的治疗方法，可延长患者生存期，但也存在一些副作用，如皮肤反应等。手术治疗中，最大程度的切除可改善患者生存，但受肿瘤位置和患者身体状况限制，立体定向活检可用于明确组织学或评估肿瘤分子状态。

碳纳米颗粒：诊断与治疗的新希望

碳基纳米颗粒（Carbon - based nanoparticles，CNP）包括无定形碳纳米颗粒、sp2碳纳米材料和纳米金刚石等。它们具有优异的性能，如出色的电和热导率、机械性能、低毒性和高生物相容性等，在疾病诊断和治疗中具有重要应用潜力。

碳量子点（Carbon quantum dots，CQDs）是一类新型的碳基荧光纳米材料，具有稳定且可调节的光学荧光、生物相容性、光稳定性、水溶性、低毒性、易于功能化等特点，可分为碳纳米点（CNDs）、聚合物点（PDs）和石墨烯量子点（GQDs）。CQDs 的合成方法主要有自上而下和自下而上两种。自上而下法是通过超声处理、激光烧蚀等技术将大的sp2碳域切割成小片段；自下而上法则是通过有机分子与sp2碳域的可控相互作用，如微波辐射、水热 / 溶剂热处理等方法合成。

生物分子衍生的 CQDs 可由多种生物分子和生物聚合物制备，如氨基酸、碳水化合物、蛋白质、核酸和维生素等。这些生物分子的特性会影响 CQDs 的功能，例如半胱氨酸衍生的 CQDs 具有光催化活性、抗菌活性和细胞相容性，可用于细胞成像、治疗细菌感染和生物传感；白蛋白因其良好的水溶性、生物降解性和生物相容性，可用于合成高度荧光的 CQDs；葡萄糖具有高水溶性、低毒性和良好的血脑屏障穿透性，是合成 CQDs 的常用前体。

生物功能化 CQDs 在 GBM 诊断中的应用

生物功能化是将 CQDs 和 GQDs 转化为高效 GBM 检测和诊断试剂的关键步骤。通过在其表面修饰特定生物分子，可实现对 GBM 生物标志物的精确靶向，提高检测的灵敏度和特异性，并将其整合到多种诊断平台中。

bCQDs/bGQDs 可作为荧光标记用于 GBM 检测。在荧光增强 / 猝灭检测中，它们可用于 “开启” 或 “关闭” 检测与 GBM 相关的生物分子。在 F?rster 共振能量转移（FRET）技术中，可研究 GBM 中生物分子间的相互作用。此外，不同尺寸的 bCQDs/bGQDs 具有不同的发射光谱，可实现对多种 GBM 生物标志物的多重检测。

通过生物功能化可实现对 GBM 的靶向检测。例如，将白细胞介素 - 13（IL13）与 QDs 结合，可靶向胶质瘤干细胞或脑脊液（CSF）、血清中的外泌体，有助于早期诊断和复发检测；将血管生成抑制肽（Angiopep - 2）与硫掺杂 GQDs 结合，可增强对胶质瘤细胞的选择性检测。

bCQDs/bGQDs 还可用于电化学传感器和即时检测（POC）诊断。在电化学传感器中，它们可作为电活性标记，为 GBM 检测提供了一种替代荧光检测的方法。在 POC 诊断中，bCQDs/bGQDs 可用于基于纸的设备、智能手机诊断和条形码检测等，具有成本低、便携、检测速度快等优点。

在分子成像方面，bCQDs/bGQDs 可通过生物功能化增强对 GBM 的成像效果。例如，与抗体或其他靶向分子结合，可实现对 GBM 生物标志物和肿瘤细胞的选择性成像；PEG 化可提高其稳定性、减少非特异性细胞摄取、延长循环时间；近红外（NIR）发射的 bCQDs/bGQDs 可减少生物组织的自发荧光，实现更深组织的穿透，提高成像的对比度、穿透深度和灵敏度；将 CQDs/GQDs 与其他成像模态（如 MRI）结合，可实现更全面的 GBM 诊断和图像引导手术。

生物功能化 CQDs 在 GBM 治疗中的应用

生物功能化 CQDs 为 GBM 的治疗带来了新的希望。通过对 CQDs 进行生物功能化修饰，可实现更好的血脑屏障穿透、靶向性、药物递送和治疗效果。

通过对 CQDs 进行葡萄糖和氨基酸修饰、两性离子修饰、TAT 肽共轭等生物功能化策略，可增强其穿透血脑屏障和靶向 GBM 细胞的能力。例如，D - 葡萄糖和 L - 天冬氨酸修饰的 CQDs 可穿过血脑屏障并选择性靶向胶质瘤细胞；两性离子修饰的 CQDs 可增强其细胞穿透能力；TAT 肽共轭的 CQDs 可实现核靶向。

将抗癌药物与 CQDs 通过共价或非共价键结合，可改善药物的溶解性、靶向性和递送效果。同时，通过创建 pH 敏感的连接，可实现肿瘤微环境中的靶向药物释放。例如，微波合成的 CD - DOX 共轭物利用肿瘤细胞与正常细胞的 pH 差异来杀死癌细胞。

对 CQDs/GQDs 进行表面电荷修饰，可影响其与细胞膜的相互作用，进而影响细胞的通透性和摄取。一些生物功能化策略还可降低 CQDs 的毒性，提高其生物相容性。例如，某些 bCQDs 可增加癌细胞内的药物浓度，同时减少对正常细胞的毒性。

细胞核靶向的 CQD 药物递送系统可提高肿瘤治疗的疗效，通过将 CQDs 与抗癌药物或基因编辑工具结合，可实现对癌细胞增殖相关基因的阻断。例如，负载藤黄酸（GA）的 CQDs 可进入细胞核，抑制癌细胞增殖，诱导细胞凋亡；CQD - PEI - PEG 与 CRISPR/Cas9 质粒结合，可实现对靶向基因的编辑。

挑战与展望

尽管生物功能化 CQDs 和 GQDs 在 GBM 的诊断和治疗方面展现出巨大潜力，但仍面临一些挑战。在临床应用中，需要进一步优化纳米材料的尺寸和浓度，以确保其能够有效穿透恶性 GBM 细胞，同时减少不必要的副作用。目前，原始 CQDs 和 GQDs 的特异性不足，需要开发更先进的表面修饰策略，探索新的靶向配体，如肽或适体，以提高其对 GBM 细胞的亲和力和选择性。

此外，对 bCQDs 和 bGQDs 的临床前和临床研究还需要深入开展，包括评估其在体内的安全性、生物分布、代谢途径、细胞内化机制以及潜在的长期影响等。通过多学科的合作，结合医学、材料科学、药学等领域的专业知识，有望将这些纳米材料转化为临床可用的诊断和治疗工具，为 GBM 患者带来新的希望。

未来，随着研究的不断深入，生物功能化 CQDs 和 GQDs 有望在 GBM 的个性化治疗中发挥重要作用，实现更早、更准确的诊断，提高治疗效果，改善患者的生存质量和预后。同时，开发可扩展且成本效益高的制造方法，将有助于这些纳米材料的广泛应用，推动 GBM 治疗领域的发展。