专为超声和近红外荧光成像而设计的石墨烯量子点

超声检查是一种诊断成像技术，它使用高频超声波来创建内部身体结构的图像。尽管超声成像成本低、无创性、穿透能力高，但由于缺乏高精度成像，超声检查的应用受到限制。

研究：Dual-Mode Fluorescence/Ultrasound Imaging with Biocompatible Metal-Doped Graphene Quantum Dots. 图片来源：GiroScience/Shutterstock.com

在这方面，超声造影剂（UCA）通过补充近红外（NIR）和可见荧光团来增强目标组织中超声波的密度。发表在 ACS Biomaterials Science and Engineering 杂志上的一篇文章介绍了各种金属掺杂（银纳米颗粒（Ag NPs），钕（Nd），铥（Tm），氯化铈（CeCl₃），氧化铈（CeO₂）和硫化钼（MoS₂））含氮石墨烯量子点，在超声亮度模式下表现出高对比度特性，具有可见光和近红外荧光的成像能力。

石墨烯量子点由氨基葡萄糖制备，并掺杂最少的金属以避免额外的体外毒性。虽然石墨烯量子点的小尺寸促进了有效的细胞内化，但表面官能团的极性性质增加了它们的水溶性，并促进了靶向剂和治疗剂的附着。

金属掺杂的含氮石墨烯量子点在动物组织、琼脂糖凝胶和血管幻觉中表现出10倍增强的超声信号。高精度荧光跟踪和无创超声成像的综合作用使石墨烯量子点成为各种治疗应用的可行试剂。

造影剂（CA）在超声检查中的作用

超声检查在皮肤表面使用一种称为换能器的装置，该装置向组织发送和接收超声波。计算机将接收到的超声波转换为图像，然后读取该图像以诊断问题。

医学超声根据内部器官与周围组织的不同声阻抗将其区分开来。然而，当这种分化难以追踪时，造影剂增强超声（CEUS）是一种用于可视化肝脏病变，心脏成像和肾癌的成熟技术，用于更具体的检测。虽然UCAs中的微气泡使它们具有生物相容性，但是当它们在血液中解离或被Kupffer细胞吞噬时，它们的循环很短。

石墨烯量子点在有机溶剂中表现出优异的溶解性。然而，它们在水基溶剂中的溶解度提高，深刻地影响了它们在生物成像和靶向药物递送系统中的应用。

水溶性可归因于附着在石墨烯量子点表面的含羟基和羧基部分。表面官能性增强了石墨烯量子点的亲水性，因此可以通过化学修饰来调整表面官能化。

生物相容性金属掺杂石墨烯量子点

以前，高度可生物降解和生物相容的含氮石墨烯量子点被开发出来作为设计CA的基础，并在NIR和可见光区域中表现出荧光。

石墨烯量子点表面的含氧官能团在生物环境中经历pH依赖性质子化/去质子化，导致量子点的荧光。此外，制备的石墨烯量子点还显示出对线粒体RNA（miRNA）和单链DNA（ssDNA）检测的敏感性，用于癌症诊断。

本研究旨在测试各种金属掺杂物（银NPs，Nd，Tm，CeCl）的荧光成像和超声造影特性。₃， 曹₂和钼氏₂）含氮石墨烯量子点在组织和细胞中探索其多功能性并评价其相对于现有试剂的优势。在这里，评估了各种金属掺杂石墨烯量子点在体外和组织幻影中的超声成像和双模荧光能力。

结果表明，开发的石墨烯量子点产生超过80%的细胞活力，每毫升剂量高达2毫克。这些石墨烯量子点的小尺寸保证了有效的细胞内化，极性表面官能团增加了水溶性。

此外，金属掺杂的含氮石墨烯量子点在处理6−12小时后在HEK-293细胞内表现出最大的积累。此外，制备的石墨烯量子点在琼脂糖凝胶，动物组织和血管幻影中以0.5-1.6毫克毫升的浓度显示超声信号增强10倍。

因此，多模态荧光成像和UCAs的开发和应用可以同时改善细胞和组织的鉴定，实现治疗给药的跟踪，并促进在现实环境中的早期诊断。

结论

总之，本研究表明，增加超声散射的密度并不是成像的唯一机制，金属掺杂剂在超声造影剂中起着至关重要的作用。轻金属掺杂含氮石墨烯量子点是有前景的可见光和NIR荧光成像剂和UCAs。

石墨烯量子点具有两种互补的成像方式，具有高穿透深度，特异性和精度，使含氮石墨烯量子点成为传感，药物递送和成像的强大理论平台。

参考

Valimukhametova, A et al. (2022). Dual-Mode Fluorescence/Ultrasound Imaging with Biocompatible Metal-Doped Graphene Quantum Dots. ACS Biomaterials Science and Engineering. https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsbiomaterials.2c00794