納米長余輝發光材料在生物醫學檢測、生物成像與腫瘤治療中的研究進展

王俊， 張兵波

（1. 陸軍軍醫大學， 西南醫院 檢驗科， 重慶 400038；2. 同濟大學附屬同濟醫院 放射科， 上海市催化醫學前沿科學研究基地，同濟大學醫學院生物醫學工程與納米科學研究院， 上海 200065）

1 引言

隨著成像技術的快速發展，各種各樣的成像技術，如光學成像（Optical imaging）、計算機斷層掃描（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）、單光子發射計算機斷層掃描（Single photo emission computed tomography，SPECT）和正電子發射斷層掃描（Positron emission tomography，PET），廣泛應用于生物成像，為疾病的發病機制、進展和治療提供了重要的信息[1]。在這些成像工具中，基于熒光的光學成像由于其靈敏度高、簡單快速、成本低、高時空分辨率和無輻射危害，在生物醫學領域備受關注[2]。目前，熒光成像在生物醫學領域中的應用主要體現在以下幾個方面：腫瘤標志物檢測[3]、細胞成像示蹤[4]、腫瘤體內熒光診斷[5]、成像介導下腫瘤治療和手術導航[6]。常用的熒光納米材料有熒光染料[7-8]、半導體聚合物[9]、量子點[10-11]、貴金屬納米簇[12-13]和上轉換納米顆粒[14]等。然而，這些熒光探針存在著光穩定性差、易光漂白、背景信號干擾、發光壽命短和需原位激發等缺點，在某種程度上限制了其進一步的生物醫學應用。因此，開發長熒光壽命、無需原位激發的納米材料在生物醫學領域備受研究人員的關注。

長余輝發光材料是一種能儲存外界光（紫外光、可見光、X射線等）發射的能量、在激發光停止后仍能持續發光的一種材料，其余輝能持續幾分鐘、幾小時甚至數天[15-18]。這種持續發光的現象最早能追溯到中國的宋朝[19]。由于長余輝發光材料獨特的光學性質，其廣泛應用于安全標識、信息存儲、體溫傳感等[20-23]。隨著納米長余輝發光材料的出現，由于長余輝壽命、無需原位激發、無組織背景信號干擾和高信噪比，其廣泛應用于生物醫學檢測、生物成像和腫瘤治療。本文綜述了近年來納米長余輝發光材料在生物醫學檢測、生物成像和腫瘤治療方面的應用進展，并進一步探討了其在生物醫學應用中所面臨的挑戰，對其未來的發展趨勢也進行了展望。

2 納米長余輝發光材料在生物醫學檢測、生物成像和腫瘤治療中的應用

納米長余輝發光材料由于其具有長余輝壽命、無需原位激發，無背景信號的干擾等優點，已廣泛應用于多種領域，包括生物傳感檢測、生物成像、藥物遞送和腫瘤治療等。在本章，我們將從生物醫學檢測、生物成像和腫瘤治療這三個方面介紹納米長余輝發光材料在生物醫學領域的研究進展。

2.1 生物醫學檢測

熒光分析因其響應速度快、靈敏度高、成本低和操作簡單等優點，是現代分析科學中最常見的方法之一，廣泛應用于生物傳感領域[24]。在過去幾十年，研究人員設計了各種各樣的光學納米材料來滿足快速、實時和原位檢測的需要。然而，基于有機或無機納米顆粒的光學分析經常受到自發熒光、散射光的干擾和光漂白的影響。因此，探索和開發更高效和更高靈敏度的光學探針受到了研究人員的廣泛關注。納米長余輝發光材料由于具有長的余輝壽命和無需原位激發，能有效消除自發熒光和散射光的干擾，顯著地提高檢測的靈敏度和信噪比，使其成為新一代用于無自發熒光檢測和傳感的光學材料，在生物分析應用方面具有巨大潛力。根據檢測物類型的不同，我們總結了納米長余輝發光材料在生物醫學檢測中的應用進展（表1）。

表1 納米長余輝發光材料用于生物標志物檢測匯總Tab.1 Summary of the PLNPs for biomarker detection

在復雜的生物環境中有選擇性和靈敏地檢測生物標志物對于有效的臨床診斷至關重要。與基于熒光染料或量子點等傳統熒光傳感器相比，納米長余輝發光材料可以在體內外進行非入侵性傳感，并通過消除自發熒光干擾來提高檢測的靈敏度和信噪比。2011年，Wu等[25]開發了一種基于納米長余輝發光材料的α-甲胎蛋白（Alpha fetoprotein，AFP）的熒光共振能量轉移（Fluorescence resonance energy transfer，FRET）抑制測定法。這種高靈敏度和特異性的納米長余輝發光材料可以檢測血清樣品中的AFP并可以對腫瘤細胞生長過程中分泌的AFP進行實時成像。Wang等[27]報道了一種溶菌酶適配體修飾的Zn2GeO4∶Mn長余輝納米棒（能量供體）用于血清中溶菌酶的檢測（圖1（a））。染料（BHQ）修飾的DNA（能量受體）通過DNA雜交猝滅長余輝納米棒的余輝。當檢測體系中有溶菌酶存在時，FRET體系被破壞，溶菌酶適配體的構象折疊成獨特的三維結構從長余輝納米棒表面脫離，長余輝納米棒的余輝得以恢復，實現了在無自發熒光干擾的情況下檢測患者血清樣本的溶菌酶。其定量結果與臨床上ELISA一致，表明該探針在臨床樣本的分析中具有重要的應用價值。利用類似的原理，研究人員利用時間分辨FRET用于miRNA-21[27]、caspase-3、L-半光氨酸和胰島素[49]等的檢測。

圖1 （a）ZGO∶Mn長余輝發光納米棒用于溶菌酶檢測示意圖；左側和右側小鼠分別用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前預先用365 nm紫外光照射）處理，考察有激發光（b）和沒有激發光（c）條件下兩只小鼠的體內成像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，納米長余輝材料還可以對體內某些生物活性物質進行成像。例如，Tang等[37]合成了一種MnO2-PLNPs用于體內谷胱甘肽（GSH）的成像。體內實驗結果表明，在420 nm激發光激發下，信號被組織的背景噪聲所掩蔽（圖1（b））。在沒有激發光的條件下，左側小鼠出現弱的信號，加了探針的小鼠出現強的余輝信號（圖1（c）），表明該納米探針能夠在體內對GSH成像，并能有效消除原位激發下組織的自發熒光和散射光的干擾，從而提高對檢測物的靈敏度和信噪比。納米長余輝發光材料除了應用于腫瘤生物標志物和生物活性物質的檢測，還可以用于病原微生物的檢測。例如，Yuan等[44]將Python圖像算法集成到基于納米長余輝發光材料光子晶體的生物芯片中，構建了一個基于機器視覺的診斷系統用于檢測尿液樣本中的細菌（圖2）?？贵w修飾的Zn2GeO4∶Mn納米長余輝發光材料（ZGO∶Mn PLNPs）通過抗體-抗原識別特異性結合并捕獲目標細菌，經過磁分離和再重懸后，在光子晶體的生物芯片上，ZGO∶Mn PLNPs發射出增強的余輝信號。信號被捕獲后，通過機器視覺算法將其轉換為數字信號，在1 h內可以檢測出細菌最低的濃度為103CFU/mL，無需昂貴的設備和專業的操作即可實現尿液中細菌的定量檢測。

圖2 基于機器視覺的診斷系統用于檢測尿液樣本中細菌示意圖Fig.2 Schematic illustration of a machine vision-based diagnostic system for detecting bacteria in urine samples

盡管納米長余輝發光材料在生物醫學檢測中得到了廣泛的應用，但仍然存在一些問題，比如目前納米長余輝發光材料大多都是應用于單一生物標志物的檢測。因此，需開發多波長發射的納米長余輝發光材料實現對多種生物標志物的檢測。

2.2 生物成像

熒光成像是監測體內生物活動最常用的手段之一。然而，傳統的熒光探針在用于體內成像時需原位激發，會產生背景熒光信號的干擾，從而影響成像的靈敏度和準確性。作為一種無需原位激發的納米材料，納米長余輝發光材料由于其具有長余輝壽命，能夠有效地避免組織背景熒光信號的干擾，從而提高成像的靈敏度。本小節將從納米長余輝發光材料的激發波長和余輝發射波長介紹其在生物成像中的應用進展。

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

圖3 ZGGO∶Cr納米長余輝發光材料（左）、熒光染料（中）和Ag2Se QDs（右）用于體內腫瘤成像的比較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余輝發光材料在體內成像需預先激發的瓶頸，但可見光用于生物成像還存在組織穿透深度不足的瓶頸?；诖?，Han等[53]將納米長余輝發光材料與上轉換納米顆粒進行有機結合，在980 nm的近紅外光激發下，上轉換納米顆粒發射出來的光激發納米長余輝發光材料用于體內成像。Yang等[54]合成了一種X射線激發的SrAl2O4∶Eu2+納米長余輝發光材料用于體內成像且能被X射線反復激發，有利于體內長期成像。Chen等[55]合成了一種立方尖晶結構的ZnGa2O4∶Cr3+納米長余輝發光材料用于肝臟腫瘤成像。在紫外光和X射線激發下，顆粒表現出優異的余輝性能。尾靜脈注射到小鼠體內后，對原位肝臟腫瘤具有很好的被動靶向性，低劑量的X射線激發產生的余輝可以對肝臟深部腫瘤進行成像。Liu等[56]開發了一種低劑量X射線激發的LaGaO3∶Sb,Cr納米長余輝發光材料用于深層組織反復成像。簡單通過共摻雜與粒徑不匹配的Sb3+離子來優化主體中氧空位濃度，從而提高納米顆粒的余輝性能，其余輝性能達到500 h。體內生物成像結果表明，極低劑量X射線（0.37 Gy）在體內就可以激發納米顆粒實現可反復激發的體內生物成像，這一策略將為開發低劑量X射線激發的納米長余輝發光材料提供有用的指導。

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

圖4 （a）X射線激發的近紅外二區發射納米長余輝發光材料示意圖；近紅外二區發射納米長余輝發光材料的透射電鏡圖（b）和余輝發射光譜（c）；近紅外二區發射納米長余輝發光材料用于血管成像（d）和腫瘤成像（e）；余輝成像介導下的輸尿管術中識別（（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

每種成像技術都有其特點、優勢和局限性。因此，多模態成像可以彌補不同成像方法之間的劣勢，從而為疾病診斷提供更準確、完整和可靠的圖像信息[60-61]。因此，研究人員將納米長余輝發光材料與其他成像模式結合，進行體內雙模態或多模態成像。2014年，Yan等[62]將Gd-DTPA修飾在Zn2.94Ga1.96Ge2O10∶Cr3+,Pr3+納米顆粒表面，在體內實現了余輝和磁共振雙模態成像。Richard等[63]通過摻雜方式將釓離子與納米長余輝發光材料結合，系統考察了不同釓的摻雜量對納米顆粒余輝和弛豫性能的影響。通過尾靜脈注射到小鼠體內后，實現了對肝臟的余輝/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、形貌規則的納米長余輝發光材料用于體內余輝和磁共振成像（圖5）。尾靜脈注射到小鼠體內后，超小的納米長余輝顆粒能通過腎代謝出體內，該策略有效地解決了在生物醫學應用中納米長余輝發光材料的“尺寸”和“體內代謝”這兩個關鍵問題，為無機納米長余輝發光材料的合成提供了一種新方法和新思路。Lu等[65]將TaOx修飾在納米長余輝發光材料表面用于腫瘤的余輝/CT成像。除了雙模態成像，Liu等[66]還開發了一種基于GdAlO3∶Mn4+,Ge4+@Au納米顆粒的多模態成像探針，用于體內余輝/CT/MR成像。

圖5 （a）超小納米長余輝發光材料合成示意圖；（b）每一步反應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-納米長余輝發光材料復合物、超小納米長余輝發光材料和聚乙二醇修飾超小納米長余輝發光材料；（c）不同時間點小鼠主要器官的體外余輝成像；（d）超小納米長余輝發光材料的縱向弛豫率和T1加權成像；（e）～（f）超小納米長余輝發光材料體內磁共振成像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，納米長余輝發光材料應用體內生物成像大多集中在近紅外Ⅰ區，近紅外Ⅱ/Ⅲ發射的納米長余輝發光材料的研究較少，需開發近紅外Ⅱ/Ⅲ發射的納米長余輝發光材料應用體內成像，提高成像的組織穿透深度和靈敏度。

2.3 成像介導下腫瘤治療

腫瘤是威脅人類健康的主要疾病之一，早期診斷和治療對提高患者生存率具有重要意義[67]。近年來，納米技術廣泛應用于腫瘤診療領域。鑒于納米長余輝發光材料獨特的光學性質，其與其他功能性物質（化療藥物、光熱轉換劑、光敏劑或免疫藥物）的結合，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]。本小節將從化療、光熱治療、光動力治療和免疫治療四個方面介紹納米長余輝發光材料在腫瘤治療中的應用（表2）。

表2 納米長余輝發光材料用于腫瘤治療的四種方法優缺點比較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，對正常組織損傷較大。因此，許多基于納米顆粒的藥物遞送系統被開發用于腫瘤的成像與化療，實現了對治療的實時監測。介孔硅（MSN）由于其具有良好的生物相容性和低毒性，是一種經典且廣泛應用的藥物遞送載體?；诖?，Zhang等[70-71]利用介孔硅的孔道負載納米長余輝發光材料的前體離子，然后再在高溫條件下煅燒，形成MSNPLNPs復合物。未被占據的介孔硅的孔道用于負載抗癌藥物阿霉素用于余輝成像介導下腫瘤化療。Zhao等[72]合成了一種組織蛋白酶B/谷胱甘肽雙重響應MSN-PLNPs藥物遞送系統用于腫瘤的余輝成像和化療。Feng等[73]開發了一種草莓狀結構的介孔Zn1.07Ga2.34Si0.98O6.56∶Cr0.01（Si-ZGO）納米藥物載體用于腫瘤增強的余輝成像和化療。盡管利用介孔硅為模板所合成的納米長余輝發光材料復合物能進行藥物遞送，但納米長余輝發光材料的前體離子會事先占據介孔硅的孔道，這在某種程度上影響藥物的負載量或其他功能性物質的負載，進而影響腫瘤治療的效果。為了解決納米長余輝發光材料載藥量的問題，Wang等[74]利用碳球為模板合成了一種中空、粒徑可調和近紅外發射的納米長余輝發光材料用于腫瘤化療和光動力治療（圖6），其中空的結構具有高的藥物負載量。體內試驗結果表明，與單獨的阿霉素相比，負載了阿霉素的中空納米長余輝發光材料能實現余輝成像介導下腫瘤化療且顯著抑制腫瘤的生長。除了利用介孔硅和碳球為模板外，Zhao等[75]利用金屬有機框架（Metal organic frameworks, MOFs）包裹納米長余輝發光材料合成PLNPs@MOFs核殼結構，利用MOFs的多孔結構負載抗癌藥物阿霉素用于余輝成像介導下的腫瘤化療，成功地實現了腫瘤部位特異性藥物釋放和余輝成像。Chen等[76]構建了脂質體包裹納米長余輝發光材料（Lipo-PLNPs）作為一種新型余輝成像介導下的藥物載體用于腫瘤化療。形成的Lipo-PLNPs復合物具有優異的余輝性能和高的藥物負載效率，在體內能夠實現對藥物載體的長期示蹤，并對腫瘤具有顯著的治療效果。

圖6 （a）中空納米長余輝發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、碳球吸附納米長余輝發光材料前體離子、中空納米長余輝發光材料、牛血清白蛋白（BSA）修飾中空納米長余輝發光材料；（c）尾靜脈注射中空納米長余輝發光材料到4T1荷瘤小鼠后在腫瘤部位不同時間點的余輝成像圖；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）超聲充電的納米長余輝發光材料合成示意圖及其用于腫瘤治療的機理；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，其原理是光熱轉換劑將吸收的光能轉換成熱能從而殺死腫瘤細胞，具有非入侵性、副反應小和靶向性等優點[77-78]。Chang等[79]開發了一種可在體內反復激發的ICG@mZGC納米顆粒，并成功地將光熱轉換劑吲哚靛青綠（Indocyanine green，ICG）負載到mZGC納米顆粒中，用于余輝成像介導下的腫瘤光熱治療。體內實驗結果表明，ICG@mZGC納米顆粒能降低背景信號干擾，提高腫瘤部位成像的信噪比。在808 nm近紅外光照射下，產生的光熱效果能顯著抑制腫瘤的生長。為了不影響ICG的負載量，該課題組利用類似的原理在合成介孔硅的過程中將納米長余輝發光材料的前體離子摻雜在介孔硅的結構里形成mSiO2@PLNPs復合物，然后再負載ICG，實現余輝成像介導下的腫瘤光熱治療[80]。Wang等[81]利用介孔硅包裹納米長余輝發光材料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載到介孔硅的孔道里，最后用腫瘤細胞膜-巨噬細胞膜包裹，所形成的納米復合物尺寸均一。體外實驗結果表明納米復合物表現出優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的循環時間和腫瘤部位的靶向聚集。體內抗腫瘤實驗結果表明，該納米復合物可以對結直腸癌進行精準成像和聯合化療/光熱治療。為了解決腫瘤細胞可及性和間歇性光激發的難題，Li等[82]開發了一種利用納米長余輝發光材料的余輝激發光熱治療，并同時實現熱泳推動運動和余輝觸發的一氧化氮（NO）釋放的腫瘤診療一體化平臺（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運動可以增強細胞攝取、持久的光熱治療以及增加細胞內一氧化氮（NO）水平，在不使用任何化療藥物的情況下殺死腫瘤細胞。此外，超聲激活的持續運動促進納米顆粒在腫瘤部位富集和分布，并表現出比近紅外光照射更高的腫瘤生長抑制、更長的動物存活時間和更高的瘤內NO水平。該策略所構建的納米馬達為深層腫瘤的光學治療提供了一個有效的策略。

2.3.3 光動力治療

光動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的激光照射下產生活性氧從而殺死腫瘤細胞[83-85]。目前，傳統的光動力治療需要光源持續激發光敏劑，光源的長時間照射可能會對正常組織造成損傷，而且激發光源的組織穿透深度有限，不利于對深層腫瘤的治療。納米長余輝發光材料具有外界光源所不具有的優勢，如不需要激發光源的持續激發、余輝壽命長、無組織穿透深度的限制和在體內能被反復“充電”，從而實現深層組織的PDT。例如，Yang等[86]開發了一種摻雜W（Ⅵ）的ZnGa2O4∶Cr PLNPs，與傳統的ZnGa2O4∶Cr PLNPs相比，它具有更強的持續發光強度和更長的持續發光時間。體外和體內實驗均證明，低劑量（0.18 Gy）X射線照射足以激活PDT納米平臺，并對腫瘤生長產生顯著的抑制作用。因此，這種X射線激發的納米長余輝發光材料介導的PDT納米平臺因其高效、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用潛力。Liu等[87]構建了ZGGO∶Cr,Bi@mSiO2-ZnPc納米平臺，用于原位成像引導的PDT。在635 nm激光照射10 min后，體外小鼠肝癌細胞存活率為18%，體內腫瘤抑制率為80%。Fan等[88]構建了一種可注射的ZGC植入物，其余輝強度和時間遠大于單獨的ZGC納米顆粒。更重要的是，通過在體外和體內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，在體內具有極高的余輝穩定性，可實現重復“充電”（LED激發）過程，在LED燈照射下能有效地抑制腫瘤的生長。Liu等[89]開發了一種溫度響應的“蠟封”診療平臺用于余輝成像介導下光熱激發的腫瘤PDT（圖8）。用油酸和十六醇將納米長余輝發光材料ZnGa1.996O4∶Cr0.004和光敏劑IR780進行“蠟封”，可以增強顆粒的余輝性能和避免過早開始PDT，減少對正常組織的傷害。納米顆粒在體內光熱激活后，產生的余輝持續激發光敏劑產生活性氧，從而殺死腫瘤細胞，抑制腫瘤生長。這一研究不僅為基于納米長余輝發光材料的用于腫瘤持續性PDT提供了一種通用策略，還為建立光熱觸發給藥系統應用于生物醫學領域提供了有效的依據。

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，但許多癌癥在被發現之前就已經轉移。放療可殺死大部分腫瘤細胞，但有些腫瘤細胞仍保持微轉移，難以徹底根除?；熢跉⑺滥[瘤細胞的同時會對正常細胞造成損害。腫瘤免疫治療是通過特異性激活機體的自身免疫系統來殺傷腫瘤細胞，被認為是治療腫瘤最有潛力的方法之一，具有安全性、特異性、持久性和適應癥廣等特點[90-92]?；诖?，Wang等[93]開發了一種持續性抗腫瘤納米免疫刺激劑ZGS-Si-Pc@HA，在695 nm激光照射下可持續產生活性氧誘導免疫原性細胞死亡，引起持久的腫瘤特異性免疫反應（圖9）。體內實驗結果表明，ZGS-Si-Pc@HA有效地緩解了免疫耐受，促進了細胞毒性T淋巴細胞腫瘤浸潤。此外，當與免疫檢查點抑制劑（anti-PD-L1）聯合治療后，能夠有效地抑制雙側腫瘤的生長并引發免疫記憶效應。Li等[94]開發了一種利用中性粒細胞遞送納米敏化劑用于超聲增強的膠質母細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余輝發光材料ZnGa2O4∶Cr3+（ZGO）為核和中空二氧化鈦（TiO2）殼（聲敏劑）組成。多孔ZGO@TiO2負載免疫檢查點抑制劑抗PD-1抗體來緩解膠質母細胞瘤的免疫抑制。負載紫杉醇（Paclitaxel，PTX）的脂質體作為材料的最外層，以實現對膠質母細胞瘤的化學抑制。尾靜脈注射后，在超聲波的作用下，產生的活性氧導致脂質體外層被破壞，釋放的PTX和抗PD-1抗體殺死腫瘤細胞并誘導局部炎癥，進而誘導更多的納米顆粒遷移至腫瘤部位增強對膠質母細胞瘤的治療。體內實驗結果表明，小鼠的存活率從0%提高到40%，并為腫瘤復發提供了長期的免疫監測能力，為膠質母細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，納米長余輝發光材料與其他功能性物質的結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，其對腫瘤的治療大多需要與其他功能性物質進行有機結合，況且自身具有功能性納米長余輝發光材料的探索很少。因此，合成自身具有腫瘤治療功能（光熱、光動力等）的納米長余輝發光材料有利于拓展其在腫瘤治療領域的應用。

3 結論與展望

本文系統地總結了近年來納米長余輝發光材料在生物醫學檢測、成像和腫瘤治療應用方面的最新研究進展。由于其長余輝壽命、無需原位激發、無組織背景信號干擾和高信噪比，在生物醫學領域受到了廣泛的關注。盡管納米長余輝發光材料在生物醫學領域取得了巨大的進步，但仍需要在以下方面進一步研究：

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

（2）材料的生物安全性。目前納米長余輝發光材料都摻雜了各種過渡金屬離子或稀土離子，可能對正常組織有毒副作用，需進行深入的毒理學研究，例如通過基因組學、蛋白組學和代謝組學的方法進一步考察納米長余輝發光材料在基因、蛋白質和代謝水平上的毒理學行為。

（3）余輝的發射波長。目前報道的近紅外納米長余輝發光材料大多集中在近紅外Ⅰ區域（＜900 nm）。在近紅外Ⅱ/Ⅲ區域的研究較少，而該區域的組織穿透深度和成像能力更好。因此，需要加強對近紅外Ⅱ/Ⅲ區域發光材料的研究。此外，近紅外Ⅱ/Ⅲ發射的納米長余輝發光材料的研究也受限于沒有商用的成像儀器，開發相對應的商業化儀器可能會進一步拓展其在生物醫學領域的應用。

（4）生物醫學應用的局限性。目前，納米長余輝發光材料大多應用在腫瘤診斷，能否將其拓展到其他疾病的治療上，如神經調控、細胞信號傳導等；其次，在生物醫學檢測方面，需開發多波長發射的納米長余輝發光材料實現多種物質的分析或開發余輝發射波長在近紅外Ⅱ/Ⅲ區的納米長余輝發光材料用于生物標志物的檢測，從而提高檢測的靈敏度。

（5）臨床轉化。從應用的角度來看，盡管納米長余輝發光材料在生物醫學領域的研究取得了很大進展，但這些材料的研究大多集中在實驗室研究上。因此，納米長余輝發光材料在生物醫學領域面臨的最大挑戰是從實驗室研究向臨床試驗轉化。為了從實驗室研究轉向臨床試驗，未來還需要更多的努力。

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