肿瘤的"诊疗一体化"是在肿瘤细胞的早期筛率。因此，研发新型多功能诊疗制剂(theranostic查和早期诊断的基础上进行同步治疗，可以大幅度agent)具有重要的意义[1]。纳米技术的出现为癌症诊提高肿瘤患者的治愈率、生活质量、生存期及生存疗一体化的实现带来了新的希望。其中，分子成像技术是癌症诊疗一体化的核心和重要基础。
磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)作为一种先进的分子影像技术，具有无损伤性、高分辨率等优点，已经广泛用于临床疾病诊断，而30%以上的MRI诊断需要使用造影剂[2-3]。以钠盐或者葡甲胺盐的离子形式用于临床的Gd-DTPA (Magnevist，二乙三胺五乙酸钆)是应用广泛的小分子离子型T1造影剂，但它产生的渗透压较高，并且易经肾脏代谢后迅速排出，在体内存留时间较短；同时不具有组织及器官的选择性和靶向性[4-5]，往往需要对其进行修饰。对于多胺多羧酸配合物而言，其弛豫效率主要由旋转相关时间决定[6]，所以增大配合物分子的体积一方面可以提高弛豫效率，另一方面由于大分子本身的特点，向大分子中引入特定的对人体某一组织器官具有亲和性的基团，还能增强选择性或者靶向性。因此，对Gd-DTPA进行的大分子修饰近年来研究得比较多，现在已报道的有将小分子Gd-DTPA造影剂共价或者非共价的与血红细胞[7]、蛋白质[8-9]、多糖[10-11]、聚氨基酸[12]、树枝状大分子[13]及人工合成的其他生物相容性高分子[14]相结合，用于提高弛豫效率，增强成像的对比度和清晰度。
石墨烯量子点(graphene quantum dots，GODs)因其显著的量子限域和边缘效应呈现出多种独特的物理化学性能，此外GODs表现出的低细胞毒性、良好溶解性、稳定的光致发光等优点，使其成为极好的生物成像探针，已被人们广泛用于细胞及组织成像的研究[15-17]。若将Gd-DTPA修饰负载在GODs上，一方面可以增大Gd-DTPA造影剂的分子体积，增强T1阳性造影效果，提高肿瘤检测的准确性；另一方面利用GODs的荧光成像，可以改善MRI成像存在的灵敏度低和信号采集耗时长等缺点，同时还可利用GODs表面较好的接枝性能及大的比表面积，偶联针对不同肿瘤的靶分子和通过π-π堆垛吸附具有芳环结构的抗癌药物，实现肿瘤细胞的诊疗一体化。
故我们在聚乙二醇二胺(NH2-PEG-NH2)修饰的GODs表面以酰胺键偶联二乙基三胺五乙酸(DTPA)分子，之后将Gd3+离子与其进行配合，得到GODs-Gd (DTPA)复合纳米粒子，然后再通过酰胺键在GODs-Gd(DTPA)的表面修饰叶酸(FA)靶分子，最后将阿霉素(DOX)进一步通过π-π堆垛吸附在该造影剂的表面，制备GODs-Gd(DTPA)荧光/MRI双模态靶向肺癌细胞成像诊疗试剂FA/GODs-Gd(DTPA)/DOX，具体制备流程如图 1所示。
1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐(EDC·HCl，纯度大于98.5%)、DTPA、氯乙酸钠购于Sigma-Aldrich公司；天然石墨、氯化钆六水合物购于上海阿拉丁生化科技股份有限公司；(NH2-PEG-NH2，MW=10 000)购于Jenkem Techonology；浓硫酸、浓盐酸、发烟硝酸、醋酸钠、无水碳酸钠、氢氧化钠、三乙胺、二甲基亚砜、碳酸氢钠等其他所用试剂均为分析纯，购于国药集团化学试剂有限公司；磷酸盐缓冲盐溶液(PBS)和DOX购于BBI公司；H460和HLF细胞为肿瘤医院赠送，细胞培养基、MTT购于上海普飞生物科技公司；实验所用水均为三次水和电阻为18.2 MΩ以上的超纯水。
根据文献制备GODs[18]，具体步骤如下：将0.2 g的天然石墨加入到15 mL浓硫酸和5 mL发烟硝酸的混合浓酸中，超声10 min后于120 ℃搅拌反应30 min。反应结束后，冷至室温，加入100 mL去离子水稀释反应物，并用NaHCO3溶液调节pH值为7~8，然后将反应溶液转移到透析袋(截留分子量为14 kDa) 中透析48 h除去多余的盐，最后得到浓度为1.47 mg·L-1的焦黄色的GODs分散液。向此40 mL的GODs分散液中依次加入2.9 g NaOH和6.16 g ClCH2COONa，超声反应2 h后用稀HCl调节pH值到中性，然后超滤去除未反应的小分子，得到羧基化的GODs分散液(GODs-COOH，浓度为0.3 mg·mL-1)。
取30 mL GODs-COOH溶液，依次向内加入1 mL NH2 -PEG-NH2溶液(50 mg·mL-1)和0.3 mL EDC· HCl水溶液(80 mg·mL-1)，用三乙胺调节pH值到8后室温搅拌反应24 h。反应结束后转移到截留分子量为14 kDa的透析袋中，透析2 d除去未反应完的小分子和NH2-PEG-NH2，得到末端带有—NH2的聚乙二醇链修饰的GODs液(GODs-PEG-NH2)。
向含有0.1 g DTPA的5 mL DMSO溶液中加入5 mL所制备的GODs-PEG-NH2分散液、1 mL EDC的DMSO溶液(50 mg·mL-1)和50 μL的三乙胺，搅拌反应24 h后将产物转移到透析袋内透析2~3 d，得到GODs-DTPA溶液，然后向此溶液中加入10 mL GdCl3溶液(20 mmol·L-1)，搅拌反应4 h，最后透析除去未反应的GdCl3得到GODs-Gd(DTPA)纳米粒子。
取10 mL GODs-Gd(DTPA)纳米粒子的分散液，超声30 min后用三乙胺调pH值为8左右，然后依次向内加入10 mL FA溶液(0.1 mg·mL-1)和1 mL EDC· HCl水溶液(80 mg·mL-1)，室温搅拌反应48 h。反应结束后，超滤去除未反应的FA，得到修饰有FA的GODs-Gd(DTPA) 纳米粒子(FA/GODs-Gd(DTPA))。ICP-MS测试结果表明样品中Gd3+的浓度为12.3 μg· mL-1。FA/GODs-Gd(DTPA) 中FA的负载率(loading efficiency，LEFA)通过下列公式进行计算：LEFA=(mt, FA-md, FA)/mt, FA×100%，其中，mt, FA为实验投入的FA质量(1 mg)；md, FA为未偶联上的FA质量(mg)，即收集的所有透析液中的FA含量，根据FA的标准曲线c/(μg·mL-1)=0.306+8.877A进行计算(A为吸光度，R2= 0.998 5)。由此可得出FA的负载率为79.8%。
向2 mL FA/GODs-Gd(DTPA)的分散液中加入0.5 mL DOX溶液(1 mg·mL-1)，在摇床中过夜，反应结束后，超滤、水洗，将未吸附的DOX去除干净(所有滤液收集于容量瓶中，便于根据紫外吸收光谱测得载药量)，得到载有DOX的FA/GODs-Gd(DTPA)纳米诊疗试剂(FA/GODs-Gd(DTPA)/DOX)。FA/GODs-Gd(DTPA)/DOX的载药率(LEDOX)，即π-π堆垛吸附在FA/GODs-Gd(DTPA)表面的DOX质量占实验投入的DOX质量(0.5 mg)的百分比含量，通过下列公式进行计算：LEDOX= (mt, DOX-md, DOX)/mt, DOX×100%，其中，mt, DOX为实验投入的DOX质量(0.5 mg)；md, DOX为未吸附在材料表面的DOX质量，即收集的所有透析液中的DOX含量，根据DOX的标准曲线c/(μg·mL-1)= 0.500 5+0.061 1A进行计算(A为吸光度，R2=0.999 3)。由此可算出FA/GODs-Gd(DTPA)/DOX的载药率为83.8%。
荧光成像实验：在含有10% 的胎牛血清和1%的青霉素、链霉素的DMEM培养基中，人肺纤维HLF细胞和肺癌细胞H460细胞分别接种在底部厚度为0.17 mm的细胞培养皿中，置于37 ℃、CO2体积分数5% 的细胞培养箱中培养24 h后，弃去原培养基，分别加入浓度为50 μg·mL-1的FA/GODs-Gd (DTPA)纳米粒子的DMEM培养基，继续培养1 h后，弃去培养基，培养皿用PBS清洗细胞3次除去未进入细胞的纳米粒子，随后用甲醇固定20 min，再次用PBS清洗细胞3次，最后加入1 mL PBS保持细胞形貌，然后置于激光共聚焦扫描显微镜下观察细胞内的荧光。
MRI成像实验：将含有不同浓度Gd3+(15、30、45、60和75 μmol·L-1)的FA/GODs-Gd(DTPA)纳米粒子与H460细胞孵育24 h后，上清液用PBS清洗3遍，收集细胞加入核磁管，进行细胞MRI成像。所用MRI成像设备为11.7 T Bruker micro-MRI system，测试参数：TR=300 ms，TE=5.9 ms，matrix=128×96，slice thickness=1 mm，FOV=1.60 cm×1.80 cm，NEX=2。
分别取2 mL FA/GODs-Gd(DTPA)/DOX的水分散液置于截留分子量为14 kDa的透析袋中，紧密封口，然后分别置于10 mL 37 ℃、pH为7.4和5.5的PBS中，定时取0.5 mL释放介质测定其紫外吸收光谱，同时补充等量的释放液，根据DOX工作曲线计算其浓度，并绘制累计释药率-时间曲线。
采用MTT法检测了FA/GODs-Gd(DTPA)纳米粒子负载DOX前后对H460细胞的毒性。把100 μL密度为1×104的H460细胞接种在96孔板中，先在37 ℃、CO2体积分数5% 的细胞培养箱中培养24 h，然后培养基分别被100 μL含有不同浓度的FA/GODs-Gd(DTPA)纳米粒子和FA/GODs- Gd(DTPA)/DOX的培养基替换，细胞在37 ℃、CO2体积分数5%的细胞培养箱中继续培养24 h后，每个孔中加入15μL的MTT溶液(5 mg·mL-1)，在37 ℃、CO2体积分数5%的培养箱中再孵育4 h，小心倒出培养基后，每孔中加入150 μL的DMSO，震荡10 min。用酶标仪在490 nm处测定其光吸收值(OD值)，将没有加入纳米粒子孵育的细胞作为对照组，实验结果由4组平行实验数据求平均值得到：Cell viability=(ODexp/ODcon)×100%，其中ODexp为实验组OD值，ODcon为对照组OD值。
样品的形貌采用日本JEOL公司JEM-2100型透射电子显微镜(TEM)进行表征(在200 kV下操作)。采用德国Bruker TENSOR27红外光谱仪对样品进行FTIR光谱分析。采用LabRam HR 800型共聚焦显微镜拉曼光谱仪进行拉曼光谱测试，激发光波长为638 nm。在日本Hitachi U-3900H型紫外可见光谱仪和F-4600型荧光光谱仪进行紫外光谱和荧光光谱的测试，采用硫酸奎宁在激发波长360 nm的荧光量子产率0.54为标准，测量计算样品的荧光量子产率。采用英国Malwen公司的Zetasizer Nano ZS型纳米粒度及ζ电位分析仪测试纳米粒子的表面电位。在美国Perkin Elmer Victor X4型酶标仪上测定光吸收值。细胞成像在德国Leica TCS SP5 Ⅱ型激光共聚焦扫描显微镜上测试。Gd2+的浓度利用ICP-AES(Perkin Elmer Optima 8000)进行测定。
图 2为所制备的GODs和FA/GODs-Gd(DTPA)/DOX分散液的照片及其对应的TEM图片。从图 2a可以看出所制备的GODs溶液呈现焦黄色，分散性较好，经过进一步修饰Gd(DTPA)、FA及DOX后，FA/GODs-Gd(DTPA)/DOX的分散液呈现红色(图 2b)。GODs的TEM照片(图 2c)显示所制备的GODs为粒径为1~2 nm的小粒子，尺寸分布较均一，FA/GODs-Gd(DTPA)/DOX的形貌没有发生变化(图 2d)，但是粒径增大到了5~6 nm。
图 3为所制备的GODs(a)和FA/GODs-Gd(DTPA)/DOX分散液(b)的Raman光谱。图 3a中出现了GODs很明显的D带(A1g)和G带(E2g)峰，分别位于1 348和1 602 cm-1处。当GODs修饰上生物功能分子后，除了保留GODs的特征Raman峰外，在FA/GODs-Gd (DTPA)/DOX的Raman光谱中(图 3b)还出现了明显的DOX和FA分子的Raman特征峰，分别位于450 cm-1(δC=O)、991 cm-1(苯环的伸缩振动)、1 083 cm-1(苯环的伸缩振动)、1 244 cm-1(δO—H、δC—H和δC—OH)、1 575 cm-1(苯环振动和νC=C)和1 631 cm-1(νC=O)处。此外，在597 cm-1处可以明显看到归属为Gd—O的Raman峰，以上分析均证明了FA/GODs-Gd(DTPA)/DOX的成功制备。
图 4为所制备的GODs、GODs-PEG-NH2、GODs-Gd(DTPA)和FA/GODs-Gd(DTPA)的FT-IR谱图。在GODs的红外光谱中(图 4a)，3 500~3 100 cm-1范围内的宽吸收峰是由于GODs和GODs吸附水中的羟基产生的O—H伸缩振动，1 727 cm-1处的吸收峰是GODs表面的羰基伸缩振动峰，1 583 cm-1处的吸收峰是GODs中C=C的伸缩振动产生的，在1 005 cm-1处可以观察到C—O的吸收峰。GODs表面共价修饰-PEG-NH2后，图 4b谱线中出现了明显的N—H的振动峰(3 440 cm-1)、C—N的振动峰(1 238 cm-1)和比较强的—CH2—的C—H振动峰(2 870 cm-1)，而且在1 632 cm-1处出现了—CONH—键的吸收峰，这均表明在GODs的表面成功地修饰上了含有氨基的PEG链，便于进一步共价修饰DTPA分子。我们对该过程中的每步产物也进行了ζ电位值的测定，GODs的ζ电位值为-18.3 mV，在其表面修饰羧基官能团后，GODs-COOH的ζ电位值变为-23.4 mV，经进一步与NH2-PEG-NH2反应后，GODs-PEG-NH2的ζ电位值升高到了-10.3 mV，充分说明了氨基被成功地修饰在了GODs表面。
图 4c为GODs-Gd(DTPA)的红外谱图，其峰位基本与图 4b相同，但是位于1 632 cm-1处的—CONH—键的吸收峰强度明显增强，同时在1 400 cm-1处出现了明显的羧酸盐的特征峰，间接证明了在GODs-PEG-NH2纳米粒子表面成功地通过酰胺键接枝上了DTPA分子，并且Gd与配体形成了配合物。由于谱峰重叠，FA/GODs-Gd(DTPA)的红外谱图(图 4d)与GODs-Gd(DTPA)的谱峰差别不大，但是可以通过紫外吸收光谱证实FA分子的成功偶联(见后文)。
GODs的荧光谱图如图 5a所示。结果表明所制备的GQDs的荧光光谱呈现明显的激发波长依赖型的荧光特性[19]，当激发光波长分别为300、400和500 nm时，分别在432、512和610 nm处出现了GQDs的荧光发射峰。当GQDs表面修饰Gd(DTPA)和FA后，虽然FA/GODs-Gd(DTPA)的荧光光谱(图 5b)强度下降，同时发生了蓝移[20]，但是仍然呈现激发波长依赖型的荧光特性，很好地保留了GODs的荧光性能，有利于对细胞的荧光成像检测。根据0.1 mol·L-1稀硫酸溶解的硫酸奎宁溶液和样品稀溶液在360 nm激发波长下的荧光积分强度比值和吸光度比值，以硫酸奎宁在激发波长360 nm的荧光量子产率0.54为标准，计算可得GODs及FA/GODs-Gd(DTPA)/DOX的荧光量子产率分别为0.028和0.017。
图 6是GODs、FA、DOX、FA/GODs-Gd(DTPA)和FA/GODs-Gd(DTPA)/DOX的UV-Vis吸收光谱。在GODs的光谱图中，由于GODs中碳碳共轭双键π→ π*的跃迁而在231 nm处出现了GODs的特征紫外吸收峰[21]；FA在254、284和365 nm处有明显的紫外吸收峰，当FA通过成键偶联到GODs-Gd(DTPA)的表面后，在FA/GODs-Gd(DTPA)的UV-Vis谱图中同时出现了FA位于250~280 nm范围处的紫外吸收峰和GODs在231 nm处的紫外吸收，证明FA分子成功地通过酰胺键修饰到了GODs-Gd(DTPA)的表面，制备了具有靶向功能的荧光成像纳米制剂。当FA/GODs-Gd(DTPA)进一步通过π-π堆垛作用吸附DOX后，FA/GODs-Gd(DTPA)/DOX的UV-Vis谱图中又出现了DOX位于233和480 nm处的明显特征吸收峰，表明DOX成功地担载在所制备的具有靶向功能的石墨烯量子点上，可实现肿瘤细胞的诊疗一体化。
图 7是所制备的FA/GODs-Gd(DTPA)纳米试剂分别与肺癌细胞H460(a)和人肺纤维HLF正常细胞(b)共孵育1 h后的激光共聚焦显微照片。从图 7a可以看出，在H460细胞中能够检测到GODs的绿色荧光，而在对比实验中，HLF正常细胞中的绿色荧光非常弱(图 7b), 说明HLF对FA/GODs-Gd(DTPA)的吞噬很少。这是因为HLF为FA受体低表达的正常细胞，从而导致细胞内绿色荧光较弱，而H460为FA受体高表达的实体肿瘤细胞，通过FA受体的介导作用，修饰有FA分子的纳米粒子优先被H460所吞噬，显示了FA/GODs-Gd(DTPA)在肿瘤早期的荧光成像检测中的应用前景。
ICP-AES检测所制备的FA/GODs-Gd(DTPA) 样品中Gd3+的浓度为12.3 μg·mL-1。FA/GODs-Gd (DTPA) 的体外MRI的T1增强性能见图 8a。随着FA/GODs-Gd(DTPA)分散液中Gd3+浓度的增大，T1加权像依次变亮, 对比增强效果逐渐显著, 证明FA/GODs-Gd(DTPA)可实现MRI的T1造影成像检测肿瘤细胞的目的。图 8b是FA/GODs-Gd(DTPA)样品的弛豫率(r1) 拟合图，从纵向弛豫时间T1的倒数随Gd3+的浓度变化图斜率可计算出FA/GODs-Gd (DTPA)的r1值为9.92 L·mmol-1·s-1。
根据DOX的标准曲线计算，1 mL FA/GODs-Gd (DTPA)/DOX诊疗试剂的分散液中含有209 μg DOX。图 9为该诊疗试剂分别在pH值为5.5和7.5条件下的DOX释放曲线。从图中可以看出，在pH= 5.5时的DOX释放速率明显高于pH=7.5条件下的释放速率，这是由于DOX分子与GODs之间的π-π堆垛作用在酸性质子化的环境下降低，有利于药物分子的脱附[22]。以上结果说明在接近中性的血液中(pH=7.4)，FA/GODs-Gd(DTPA)/DOX诊疗试剂的传输相对比较稳定，而在弱酸性的肿瘤细胞内能够很好地释放，从而进一步增强了诊疗试剂的靶向性。
采用MTT法检测了FA/GODs-Gd(DTPA)纳米粒子负载DOX前后对H460细胞的毒性。图 10为同浓度的FA/GODs-Gd(DTPA) 纳米颗粒(50~200 μg· mL-1)与肺癌细胞H460在37 ℃孵育48 h后的细胞活性，与对照组相比，细胞存活率稍微低了一些，但没有明显的差异。结果说明FA/GODs-Gd (DTPA)纳米颗粒对H460细胞的毒性非常低，可以作为潜在的探针用于肿瘤靶向检测。负载DOX后，FA/GODs-Gd(DTPA)/DOX对H460细胞的杀伤力明显增强，并且与单独的DOX(按照DOX的质量浓度进行计算，分别为40、80、120、160 μg·mL-1)相比，更好地提高了DOX的抗肿瘤活性。
通过化学键作用依次将MRI造影剂Gd(DTPA)和叶酸(FA)分子修饰在了石墨烯荧光量子点(GOGs)的表面，并将阿霉素(DOX)进一步通过π-π堆垛作用吸附在其表面，成功制备了FA/GODs-Gd(DTPA)/ DOX荧光/MRI双模态靶向肺癌细胞成像诊疗试剂。MRI和共聚焦激光扫描显微镜结果表明，相对于正常的HLF细胞，所制备的纳米试剂可以有效地靶向检测FA受体高表达的肺癌H460细胞，在接近中性的血液中，FA/GODs-Gd(DTPA)/DOX诊疗试剂的传输相对比较稳定，而在弱酸性的肿瘤细胞内能够很好地释放，显示了其在肿瘤细胞的检测和治疗中潜在的应用前景。
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图 1 荧光/MRI双模态成像诊疗试剂(FA/GODs-Gd(DTPA)/DOX)的制备过程
Figure 1 Preparation process of double-fluorescence/MRI dual targeted imaging diagnostic reagents (FA/GODs-Gd(DTPA)/DOX)
图 2 所制备的GODs和FA/GODs-Gd(DTPA)/DOX分散液的照片(a、b)及其对应的TEM图片(c、d)
Figure 2 Photographs (a, b) and corresponding TEM images (c, d) of as-prepared GODs and FA/GODs-Gd(DTPA)/DOX dispersion
图 3 制备的GODs (a)和FA/GODs-Gd(DTPA)/DOX (b)的拉曼光谱
Figure 3 Raman spectra of as‑prepared GODs (a) and FA/GODs-Gd(DTPA)/DOX (b)
图 4 制备的GODs (a)、GODs-PEG-NH2 (b)、GODs-Gd (DTPA) (c)和FA/GODs-Gd(DTPA) (d)的红外谱图
Figure 4 FT-IR spectra of as-prepared GODs (a), GODs-PEG -NH2 (b), GODs-Gd(DTPA) (c) and FA/GODs-Gd (DTPA)/DOX (d)
图 5 制备的(a) GODs和(b) FA/GODs-Gd(DTPA)的荧光光谱图
Figure 5 Fluorescence spectra of as-prepared (a) GODs and (b) FA/GODs-Gd(DTPA)
图 6 GODs、FA、DOX、FA/GODs-Gd(DTPA)和FA/GODs -Gd(DTPA)/DOX的UV-Vis谱图
Figure 6 UV-Vis spectra of GODs, FA, DOX, FA/GODs-Gd (DTPA) and FA/GODs-Gd(DTPA)/DOX
图 7 FA/GODs-Gd(DTPA)分别与肺癌细胞H460 (a)和人肺纤维HLF正常细胞(b) 共孵育1 h后的激光共聚焦显微镜明场、暗场和重叠照片
Figure 7 Bright field, dark field and overlap laser confocal microscopy images of H460 lung cancer cells (a) and HLF human lung fiber normal cells (b) incubated with FA/GODs-Gd(DTPA) for 1 h, respectively
图 8 (a) 含有不同Gd3+浓度的FA/GODs-Gd(DTPA)与H460细胞孵育24 h后T1加权的MRI; (b)FA/GODs-Gd(DTPA)样品的1/T1 vs cGd3+线性拟合图
Figure 8 (a) T1 weighted MRI of FA/GODs -Gd(DTPA) incubated with H460 cells for 24 h with different concentrations of Gd3+; (b) Linear fitting for plot of 1/T1 vs cGd3+ of FA/ GODs-Gd(DTPA) sample
图 9 在PBS中、37 ℃下FA/GODs-Gd(DTPA)/DOX在pH值分别为7.5和5.5条件下DOX的释放曲线
Figure 9 Release profiles of DOX from FA/GODs-Gd(DTPA)/DOX at pH=7.5 and 5.5, respectively, in PBS at 37 ℃
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