作者张梦莹，《对话》 红色量子点在老鼠脑细胞内发光
信贷:纳米技术进展，2019，1，3424 - 3442，抄送 虽然许多人喜欢风景、花朵或彩虹的彩色照片，但一些生物医学研究人员珍惜小得多的生动图像——小到只有人类头发宽度的千分之一
为了研究微观世界并帮助推进医学知识和治疗，这些科学家使用荧光纳米粒子
量子点是纳米粒子的一种，更常见的是用于电视屏幕
它们是超级微小的晶体，可以传输电子
当紫外光照射到这些半导体粒子时，它们会发出各种颜色的光
这种荧光使科学家能够利用它们来研究细胞、器官和其他结构的隐藏部分
我是华盛顿大学纳米技术和神经科学研究小组的一员，他们正在研究量子点在大脑中的行为
常见的脑部疾病估计要花费美国
S
每年近8000亿美元
这些疾病——包括阿尔茨海默病和神经发育障碍——很难诊断或治疗
纳米工具，如量子点，可以捕捉复杂细胞活动的细微差别，有望成为大脑成像工具或大脑药物输送载体
但是因为有很多理由担心它们在医学上的应用，主要是与健康和安全有关的，所以弄清楚它们在生物系统中是如何工作的很重要
量子点作为下一代染料 研究人员在20世纪80年代首次发现量子点
这些微小颗粒不同于其他晶体，因为它们可以根据大小产生不同的颜色
它们非常小，有时被称为零维或人造原子
如今量子点最常见的用途可能是电视屏幕
三星在2015年推出了QLED电视，不久之后其他几家公司也紧随其后
但是科学家已经关注量子点将近十年了
由于它们独特的光学特性——它们可以产生成千上万种明亮、锐利的荧光颜色——科学家们开始将它们用作光学传感器或成像探针，尤其是在医学研究中
科学家们长期以来一直使用各种染料来标记细胞、器官和其他组织，以观察身体的内部工作，无论是用于诊断还是基础研究
最常见的染料有一些严重的问题
首先，它们的颜色通常不能在细胞或组织中存活很长时间
它们可能会在几秒或几分钟内消失
对于某些类型的研究，如跟踪细胞行为或在体内输送药物，这些有机染料只是持续时间不够长
量子点可以解决这些问题
它们很亮，褪色很慢
一个月之后，它们的颜色仍然可以凸显出来
此外，它们太小，无法从物理上影响细胞或分子的运动
量子点管发出明亮多彩的光
信用:追加/Shutterstock
com 这些特性使得量子点在医学研究中很受欢迎
如今，量子点主要用于细胞或分子的高分辨率三维成像，或者动物体内或体外的实时跟踪探针，这些探针可以持续很长时间
但是它们的使用仍然仅限于动物研究，因为科学家们担心它们在人类中的使用
量子点通常含有镉，一种剧毒和致癌的重金属
它们可能会泄漏有毒金属或形成不稳定的聚集体，导致细胞死亡和炎症
一些器官可以忍受少量的这种伤害，但是大脑不能承受这样的伤害
量子点在大脑中的行为 我和我的同事们认为，要在医学中更广泛地使用量子点，重要的第一步是了解它们在生物环境中的行为
这可能有助于科学家设计适用于医学研究和诊断的量子点:当它们被注射到体内时，它们需要保持小颗粒，毒性不高，并且能够靶向特定类型的细胞
我们观察了老鼠大脑发育过程中量子点的稳定性、毒性和细胞间的相互作用
我们将微小的量子点包裹在不同的化学“涂层”中
“科学家认为，这些具有各种化学特性的涂层控制着量子点与周围生物环境的相互作用方式
然后我们评估了量子点在三种常用的大脑相关模型中的表现:细胞培养物、大鼠脑切片和活体大鼠
我们发现不同的化学涂层赋予量子点不同的行为
聚乙二醇聚合物涂层量子点是最有前途的
它们在大鼠大脑中更稳定，毒性更低，在一定剂量下不会杀死细胞
事实证明，聚乙二醇包覆的量子点激活了一种生物途径，这种途径可以增加一种金属解毒分子的产量
这是一种嵌入细胞中的保护机制，碰巧可以抵御量子点的伤害
量子点也被大脑内部免疫细胞小胶质细胞“吃掉”
这些细胞调节大脑中的炎症，并参与多种大脑疾病
量子点然后被运送到小胶质细胞的溶酶体，即细胞的垃圾桶，进行降解
但是我们也发现量子点的行为在细胞培养物、脑切片和活体动物之间略有不同
简化的模型可以展示大脑的一部分是如何反应的，但是它们不能代替整个器官
例如，细胞培养物含有脑细胞，但缺乏组织所具有的相连细胞网络
脑切片比细胞培养物有更多的结构，但它们也缺乏完整器官的血脑屏障——阻止外来物体进入的“长城”
量子点的前景如何？ 我们的结果提供了一个警告:如果不仔细考虑器官的复杂性，大脑中的纳米医学研究毫无意义
也就是说，我们认为我们的发现可以帮助研究人员设计更适用于活体大脑的量子点
例如，我们的研究表明，聚乙二醇包覆的量子点在活体脑组织中保持稳定和相对无毒，同时具有良好的成像性能
我们想象它们可以用来跟踪病毒或大脑细胞的实时运动
在未来，随着核磁共振成像或计算机断层扫描，量子点可能成为重要的成像工具
它们也可以用作可追踪的载体，将药物输送到特定的细胞
然而，最终，为了让量子点实现其超越研究的生物医学潜力，科学家们必须解决健康和安全问题
虽然还有很长的路要走，但我和我的同事们希望量子点的未来可以像人造原子本身一样光明多彩
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