IVD技术丨量子点在过敏诊断中的潜力和安全性

过敏性疾病增加的一个关键因素是免疫系统Th1/Th2失衡。这种不平衡会导致过量的IgE产生，从而引发过敏反应。临床表现的多样性和合并症的特定机制导致诊断不佳，特异性或敏感性低，同时治疗无效。因此，提高对过敏性疾病潜在机制的理解，开发更有效的诊断和治疗方案至关重要。量子点(QDs)是研究最广泛的纳米粒子物质类型之一，量子点在治疗科学中的几种应用，包括药物输送、生物传感、癌症免疫治疗和基因治疗，但很少有量子点被批准用于医疗用途，因为它们的体内毒性有关的问题仍有待解决。

近日，一组来自澳大利亚和伊朗的研究团队在杂志Microsystems & Nanoengineering上发表了一篇题为“Exploring the potential and safety of quantum dots in allergy diagnostics”的综述文章。本文系统地综述了量子点在过敏反应领域的潜在应用，包括过敏原特异性IgE (sIgE)、食物过敏原和细胞测试中的sIgE检测。还描述了用量子点治疗过敏的潜在方法，强调了这些纳米器件的毒性和生物相容性。最后，文章讨论了QD在体外过敏诊断技术中的最新应用、它们的毒性问题以及创新的治疗方法。

图片来源：Microsystems & Nanoengineering

1 量子点特性

量子点粒子包括封装在半导体化合物壳中的半导体核心。量子点的性质是由它们的大小、形状、组成和表面化学性质决定的。量子点的一些基本特性包括发射波长、量子产率、稳定性、毒性和可生物降解性（如下表）。许多生物分子可以附着在量子点外壳表面，包括肽、蛋白质和脂质，量子点表面也可以涂覆聚合物用作生物传感器。表面修饰的量子点可以治疗、诊断或预防体内的特定疾病。多种方法可用于功能化量子点的外壳，包括物理吸附(物理吸附)，静电相互作用，共价键和多价螯合。量子点的粒径大小与发射波长有关，通过改变量子点的粒径大小，可以产生广泛的紫外-红外光谱。利用量子点信号复用技术对多分子目标进行高分辨率跟踪和成像。

不同量子点系统的材料特性。

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2 量子点的生物医学应用

成像

量子点在光学应用中表现出许多有利的特性，包括提高亮度、增强稳定性和提高效率，颜色可以通过改变尺寸或核心材料的组成来改变。上述特征使得量子点对荧光生物成像非常有利，可以用于细胞成像。量子点尺寸小，易被细胞摄取，被光激发表现出的荧光可以通过显微镜或共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)识别。量子点具有闪烁特性，即可在激活和非激活状态之间随机切换。该技术有助于跟踪细胞环境中的单个分子。量子点可以潜在地用于可视化活体动物的内部器官和组织。特定分子附着在量子点上可以促进它们与特定器官或组织的结合。

药物递送

量子点可以通过静脉给药，然后分配到肝脏和肾脏等重要器官，也可进入不同的细胞类型，并定位于不同的细胞区室，包括溶酶体。这一特性对必须在酸性环境中释放的药物有帮助。因此，量子点在药理学药物传递领域显示出巨大的前景。然而，必须克服一些困难，包括毒性和选择性问题。

一种新发现的量子点——碳点显著缺乏毒性。在人工实验室环境中，一组研究人员将荧光碳点与透明质酸和羧甲基壳聚糖(CDC-H)配体结合使用，这些配体对CD44受体表现出高度的结合亲和力，可有效地向特定的癌细胞递送阿霉素(Dox)，同时对健康的成纤维细胞无害。在一项类似的研究中，碳基荧光石墨烯纳米生物炭(NBC)被各种靶向配体比如核黄素(R)和生物素(B)标记。NBC促进了抗癌化合物DHF靶向给药到肿瘤细胞，增强了DHF的溶解度，且显著增加了A549肺癌上皮细胞对NBC的内化。证据表明，NBC-TL可作为一种具有有限溶解度的药物的强有力的给药方法。

光动力疗法

量子点在光动力疗法（PDT）中被广泛应用，因为它们暴露于光中时能够产生单线态氧。将CdSe/ZnS量子点与的疏水性TPP分子包封于壳聚糖内，合成了水溶性纳米复合物，产生单线态氧的平均效率为45%，这可归因于复合物内量子点与TPP的FRET。最近的一项研究，利用姜黄素和叶酸来源的碳点（CDcf），可以显著提高光动力疗法针对癌细胞的疗效。CDcf系统显示出与恶性细胞的显著相互作用，通过叶酸受体促进核定位，直接靶向癌细胞的DNA。随后，双光子激发导致细胞核内活性氧（ROS）的产生增加，增强了光动力治疗（PDT）的功效。这种技术显示出未来发展的巨大潜力，因为它可以通过结合定制的治疗和诊断功能来提高纳米探针的有效性。

量子点在生物医学中的应用趋势。 

图片来源：Microsystems & Nanoengineering

3 量子点在过敏疾病体外诊断的应用价值

过敏生物标志物检测

诊断过敏性疾病需要进行全面检查，区分由T细胞或特异性免疫球蛋白E (sIgE)引起的过敏性疾病。一种高灵敏度电化学传感器使用半导体胶体量子点(CQDs)修饰的导电碳电极来识别嗜酸性阳离子蛋白(ECP)，这是一种过敏性鼻炎生物标志物。电化学传感器可在30 s内检测出ECP抗原。阈值为0.508 ng/mL，与ELISA的阈值相当。这些结果表明电化学传感器具有无创、方便、灵敏度优越等优点，适合用于变应性鼻炎等疾病的监测。

过敏原特异性IgE检测

许多量子点已被用于改进过敏诊断测试，包括金属量子点和石墨烯基量子点。在sIgE的免疫测定方面，量子点已被广泛应用于免疫层析技术、电化学技术、电化学技术或双偏振干涉技术，其优势在于可以改善和增强测量信号。

用QD金属底物功能化免疫层析能够检测血清中低浓度的IgE。除了稳定、对称和窄发射特性外，量子点还能抵抗光漂白，光学性能更好。例如， Zhao等人开发了一种新的横向流动免疫测定方法，采用CdSe/ZnS量子点纳米颗粒作为荧光标记，检测针对nDer p1的特异性IgE抗体，其阈值为0.2 kU/L，能够检测比商用ELISA试剂盒更低的IgE水平。通过将量子点与适体、酶或抗体等检测分子结合，量子点可以进一步放大信号检测，从而获得更高的灵敏度。例如，Shi等人开发了一种基于CdS-MoS2量子点和DNAzyme的电化学发光适体传感器，对人免疫球蛋白E具有高水平的特异性。

食物过敏原检测

量子点的一个有吸引力的应用是应用量子点来提高生物传感器信号识别，鉴定多方面食品基质中的微量过敏原。例如，建立了一种基于CdSe/ZnS的量子点纳米珠免疫吸附法(QB-ELISA)，用于定量大豆和大豆制品中的甘氨酸。该方法将甘氨酸检测灵敏度提高了7倍，同时将检测时间缩短至三分之一。最近，利用具有高灵敏度和选择性的InP/ZnS量子点，开发了一种基于FRET的免疫分析法，用于检测虾的主要过敏原精氨酸激酶(arginine kinase)。

4 量子点在过敏性疾病治疗中的应用

量子点技术可能有助于免疫治疗。量子点可保护过敏原免受水解或酶促分解，防止过敏原通过IgE在效应细胞(如嗜碱性细胞或肥大细胞)上的识别，并确保过敏原被最佳呈现，引发免疫原反应，而没有显著的过敏原效应。此外，量子点还可能促进“储存”效应，使过敏原的浓度能够在较长时间内暴露于免疫系统。另外，炎症性疾病，如过敏，氧化应激在其发展中至关重要。Gao等人开发了含有缺陷和表面官能团的Ag-In-S /ZnS量子点(AIS/ZnS量子点)，可以显著清除氧自由基，从而有效治疗炎症。

5 毒性及生物相容性研究

CdSe(硒化镉)量子点的毒性

CdSe是制造量子点最常见的材料，积累在脾脏和肺部时具有局部毒性，原因是脂质氧化产生单线态氧，或量子点中释放重金属来诱导细胞损伤。

一项以原代肝细胞为肝脏模型的研究发现，CdSe量子点导致急性毒性。量子点的表面氧化产生了一种还原形式的Cd，也可以从量子点中释放出来并诱导细胞凋亡。毒性的另一个因素是CdSe量子点的核心会连接到线粒体蛋白巯基残基。量子点的外壳上涂上金属已经被证明可以减少核心成分在细胞中的溶解，减轻金属引起的毒性。无金属化合物或碳化合物是制备量子点的首选材料，以减少潜在的毒性并促进其安全应用。生物相容性功能化比如纳入巯基也被采用，以尽量减少潜在的毒性。

量子点的免疫毒性

当QD通过胃肠道或沉积在粘膜上皮时，免疫系统可被触发。因此，研究量子点如何与免疫系统相互作用并评估免疫反应以安全应用该技术至关重要(如下图)。

量子点不能被淋巴细胞摄取，但可以被巨噬细胞和单核细胞摄取。据报道，石墨烯基量子点(GQDs)抑制 Th1和Th17细胞的激活，导致Treg细胞上调。量子点还具有诱导细胞因子产生和分泌的免疫毒性作用。量子点也可能通过粘附补体蛋白而影响补体系统。GQDs触发了由C3b启动的替代途径，导致7种补体成分水平升高，参与形成膜攻击复合物(MAC)。大多数量子点在细胞内化后进入溶酶体，诱导自噬，这可能表明巨噬细胞可能利用自噬作为对GQDs的防御反应。量子点还可以干扰炎症反应，从而改变免疫系统的功能。例如，CdTe-QDs在高剂量下显著提高白细胞(WBC)计数，并导致SAA显著增加。量子点还会导致细胞氧化还原状态不平衡，可增强ROS的产生，激活NLRP3炎性小体，减少巨噬细胞中自由基一氧化氮(NO)的释放。因此，在将量子点用于生物医学用途之前，仔细设计和评估量子点的生物相容性和免疫毒性非常重要。

由QD引起的免疫反应紊乱。

图片来源：Microsystems & Nanoengineering

6 最小化QD毒性的策略

减轻量子点毒性的一种方法是改变其核壳结构。可将核心量子点(QD)包裹在与生物系统兼容的壳材料内，从而阻止了重金属离子从核中释放出来。一种方法涉及将单个量子点纳米晶体封装在磷脂胶束中，胶束修饰的量子点显示出低水平的毒性，并有高稳定性和低光漂白效应。

减轻量子点毒性的一种潜在方法是开发不含重金属和金属的配方。碳量子点(CQDs)已成为减轻生物医学应用中与量子点相关的毒性的潜在解决方案，不含重金属，减轻了对有害离子释放及其随后在生物系统中积聚的担忧，相对安全。此外，CQD具有独特的可调节的光致发光特性，非常适合用于生物成像应用，并表现出优异的生物相容性，几乎没有细胞毒性。CQDs独特的电学和化学特性，使其适用于许多生物医学应用。

使用核苷酸和氨基酸作为QD合成的前体是当前趋势中的一个突出策略。天然氨基酸侧链上的R基团适合作为生物点合成的前体。已有研究证明，氨基酸生物点（amino acid biodots）、核酸生物点(nucleotide biodots)表现出卓越的生物相容性和特殊的细胞内摄取，使其在成像应用中具有很高的吸引力。DNA生物点(DNA biodots)在暴露于紫外线照射和DNA酶活性下表现出显著的耐久性，尺寸小，促进细胞摄取，可调节的光致发光特性，具有优异的溶解度，以及显著的单线态氧量子产率，内在的生物相容性。这些品质在治疗应用中具有重要意义。

7 挑战与前景

量子点(QDs)的应用将涉及多方面的困难，包括生物系统相容性问题，与精确靶向相关的复杂性，与监管批准相关的障碍，将研究成果转化为实际应用的困难，以及量子质量与生物系统兼容性之间复杂的相互作用。

生物相容性

量子点和复杂的免疫系统之间有着复杂的相互作用。问题的关键在于理解量子点与免疫细胞之间复杂的相互作用网络，以及确定这些相互作用是否会将平衡转向不利的免疫调节或持续的免疫失调。成功解决生物相容性挑战需要材料科学、免疫学和临床实践专业人员之间的跨学科合作。在这种情况下，生物相容性涂层和新材料可以用于减轻重金属相关毒性问题，同时保持量子点的光学特性。

精确靶向和免疫调节

量子点(QDs)可以精确地靶向对过敏原特异性的免疫细胞。当前的任务包括确定有效靶向和减少意外后果之间的精确平衡。

精确的靶向将需要仔细开发和构建量子点，定制它们的物理和化学性质，以与免疫细胞上发现的复杂受体保持一致。表面功能化技术，如与免疫受体具有相容性的配体的附着，使特定免疫细胞亚群的选择性激活成为可能。精确靶向的目的不仅是为了减少意外的影响，而且还为了提高治疗方法。通过在分子水平上调节免疫细胞反应，量子点可以重新校准免疫反应，从而减轻过敏性疾病中常见的过度反应性。要达到如此高的准确度，需要包括免疫学、材料科学和临床实践专家在内的集体努力，以揭示量子点与免疫细胞之间复杂的相互作用。

监管审批和临床转化

监管机构对评估基于量子点的疗法的可行性有严格的要求。研究人员、制造商和医生有责任有效地弥合创新进步和监管要求之间的差距。开放沟通渠道的建立、协作讨论和研究成果的公开传播在促进监管机构了解量子点(QDs)的潜力以及提供有关可接受风险和安全阈值的指导方针方面发挥着关键作用。

生物相容性挑战的解决对于这项技术成功转化为临床应用至关重要。量子点具有广泛而显著的光学特性。将这些特性整合到实际医学应用中依赖于它们与生物系统的兼容性。研究人员需通过开发生物相容性涂层和采用不含重金属的配方，采用表面工程技术对量子点表面的修饰可以将其转化为激活特定免疫细胞亚群的分子实体。通过控制量子点(QD)大小、表面化学和免疫细胞受体之间复杂的协同相互作用，定制的量子点可以被设计成精细调节免疫反应，从而减轻过度的反应性。

实现临床整合包括通过监管要求和克服临床转化障碍。这需要彻底的验证和研究成果从实验室环境到现实世界的顺利过渡。研究人员、临床医生和监管机构需共同合作，通过整合许多观点并提供指导，将量子点(QDs)转化为切实的临床现实。

8 结论

量子点(QDs)是一种很有前途的纳米材料，它具有广泛的优势特性，包括电子特性、光学特性和生物相容性。量子点可以被配体功能化，以促进它们与免疫系统、特异性IgE和效应细胞受体的相互作用。然而，可能会出现过敏和毒性等不良副作用，需要进一步评估。现已有广泛的量子点结构，控制它们的物理化学性质可开发更有效的化合物，以实现治疗和诊断的目标。例如，量子点可以(a)增加靶向特异性IgE抗体的抗原数量，(b)改善实验中的信号检测，(c)检测微量的过敏原浓度。

将QD平台成功转化为临床环境的一个基本先决条件是能够提供有效性、安全性和治疗优于现有过敏治疗(例如哮喘)的证据，以及具有成本效益的产品制造。因此，未来的研究应侧重于设计更具生物相容性的量子点，并具有特定的生化和光学特性，以触发理想的反应。体外诊断和检测食物过敏原似乎是最有前途的应用，可能很快被普遍采用。