金纳米簇的生物医学应用：最新进展与未来展望

摘要

金纳米簇（AuNCs）凭借原子级尺寸、可调发射光谱和卓越化学稳定性，已成为一类多功能荧光探针。其固有水溶性、低细胞毒性和优异光稳定性，使其成为长期细胞成像、超灵敏检测和靶向治疗的理想工具。本文综述了小分子、聚合物和生物大分子配体修饰AuNCs的最新进展，重点阐述其在成像、传感和治疗领域的突破性应用。同时讨论了量子产率不足、配体异质性等现存局限，并展望了释放AuNCs生物医学全部潜力的未来研究方向。

研究背景

纳米材料通过对尺寸、形貌和表面化学的精准调控，正在重塑生物医学研究。与块体材料相比，由数个至数百个金原子组成的AuNCs展现出独特的光学特征：覆盖可见光至近红外（NIR）窗口的明亮荧光、长寿命和大斯托克斯位移。这些特性结合简便的表面功能化，使AuNCs成为有机染料和半导体量子点在细胞成像、分子传感和光动力治疗中的优势替代品。近年来，探索各类配体修饰AuNCs的研究爆发式增长，实现了理化性质定制和生物相容性提升。虽然已有多篇综述涵盖AuNCs的分析化学应用，但本文聚焦其生物医学效用，以及驱动成像、检测和治疗性能的配体架构设计策略。

我们考察三类配体——小分子、聚合物和生物大分子，它们独特的化学性质赋予AuNCs特定的靶向能力、改进的量子产率和多功能性。最后总结这些研究揭示的挑战与未来机遇。

小分子配体修饰AuNCs

小分子配体因能精准控制尺寸和表面化学，是AuNCs合成的最常用选择。例如，D-青霉胺（DPA）修饰AuNCs（DPA-AuNCs）具有极高亮度、水溶性，易被HeLa细胞摄取，孵育2 h即可实现双光子共聚焦成像，三维重构显示细胞内均匀分布和高光稳定性（图1）。

二氢硫辛酸（DHLA）包覆AuNCs（DHLA-AuNCs）是首个实现活细胞荧光寿命成像（FLIM）的纳米探针。未处理HeLa细胞荧光寿命短（1.5–4 ns），DHLA-AuNCs赋予长寿命（500–800 ns），实现基于FLIM的亚细胞映射（图2）[56]。

细胞系依赖性的AuNCs生物合成也被证实：HepG2和K562细胞能自发将氯金酸转化为AuNCs，而非癌变L02细胞不能，提示潜在的肿瘤选择性成像策略 [57]。胰蛋白酶稳定化AuNCs（try-AuNCs）具备近红外发射，可同时作为肝素表面等离子体增强能量转移（SPEET）传感器和叶酸靶向癌细胞成像探针（图3）[58]。

配体化学进一步拓展了传感功能。多巴醌修饰AuNCs可螯合Fe³⁺形成>500 nm聚集体并显著猝灭荧光，实现水相Fe³⁺检测 [61]。11-巯基十一烷酸（MUA）修饰AuNCs（MUA-AuNCs）与Hg²⁺和双巯基化合物形成稳定络合物，实现汞及相关巯基的选择性荧光检测 [64–65]。万古霉素稳定化AuNCs（Van-AuNCs）用于监测多种水样中的Fe³⁺，展现环境监测应用价值 [66]。壳聚糖功能化AuNCs（AuNCs@Chi）作为FRET基础的硫化氢传感器，利用H₂S在血管舒张和神经传递中的作用 [67]。

谷胱甘肽（GSH）包覆AuNCs（GSH-AuNCs）实现赖氨酸和半胱氨酸的快速、选择性、高光稳定性检测 [73]。基于GSH-AuNCs的FRET组装达成半胱氨酸超灵敏检测，有助于半胱氨酸相关疾病诊断 [74]。角蛋白模板AuNCs利用富半胱氨酸蛋白，通过双发射碳点/金簇探针实现Hg²⁺的比率响应检测 [76]。环糊精包覆AuNCs选择性感测Co²⁺，细胞摄取已在体外证实 [77]。

最新研发的超小GSH-AuNCs作为可代谢放射增敏剂，其~2 nm尺寸和高X射线衰减系数通过光电效应和康普顿效应增强放疗，GSH包覆保证EPR效应介导的肿瘤富集和治疗后肾脏清除，最小化脱靶毒性 [78]。

聚合物配体修饰AuNCs

聚合物配体赋予AuNCs改进的胶体稳定性、可调表面电荷和生物相容性等额外功能。多齿硫醚端基聚（甲基丙烯酸）（PTMP-PMAA）包覆AuNCs表现出卓越光稳定性，能选择性标记脐带单核细胞（CBMCs）而非K562白血病细胞，反映差异化摄取机制（图5）[79–80]，凸显聚合物包覆AuNCs在靶向造血成像和药物递送中的潜力。

Aldek等引入PEG和两性离子功能化的硫辛酸双齿配体AuNCs，展现优异的pH稳定性和耐盐性——这是生物成像和传感的关键属性 [82]。Chen等设计pH响应性两性共聚物（PDNH）包裹AuNCs，构建叶酸靶向的成像/紫杉醇递送双功能纳米复合物（L-AuNCs/FA-PDNH）（图6）[88]。

聚乙烯亚胺（PEI）稳定化AuNCs（PEI-AuNCs）提供阳离子表面电荷，促进基因递送并在HepG2细胞中显示强红色荧光，构成双重成像/治疗平台 [89]。经N-丙烯酰琥珀酰亚胺连接子组装的FA-Ova-AuNCs选择性染色叶酸受体阳性HeLa细胞，证实受体介导摄取 [90]。

嵌入大孔聚合物薄膜的高磷光Au(I)簇实现比色法氰化物检测，对食品和环境样本具高选择性和成本效益，对公共卫生监测至关重要 [91–93]。

生物大分子配体修饰AuNCs

富含巯基的生物大分子配体提供生物相容性和特异性识别。转铁蛋白（Tf）功能化AuNCs结合氧化石墨烯（Tf-AuNCs/GO）构成“开启型”近红外探针，选择性点亮Tf受体过表达的HeLa细胞，而不影响正常3T3成纤维细胞（图8）[94]，展示了铁代谢驱动癌症靶向成像的潜力。

DNA模板AuNCs提供快速（2 min）绿色合成路线，产生荧光强度与DNA浓度线性相关的发光纳米簇，实现HeLa和A549细胞中DNA实时定量 [95]。该探针低毒、四种碱基发射可调，为核酸分析提供多功能平台。

Nguyen等构建双配体AuNC/石墨烯纳米复合物，作为基质金属蛋白酶-9（MMP-9）“开启型”探针。含MMP-9切割位点的肽段兼作稳定剂和靶向配体，检测限达0.15 nM，可选择性成像MCF-7细胞分泌的MMP-9 [97]。

Song等开发无标签绿色荧光法检测蛋白激酶，利用Zr诱导磷酸化-AuNC-肽复合物聚集，为CK2活性测定提供高灵敏度和简化流程 [98]。

Selvaprakash等利用廉价鸡蛋清蛋白（AuNCs@ew）通过微波辅助单步合成制备荧光探针，检测ATP和PPi。AuNCs@卵白蛋白主导光学响应，实现生物和环境基质中磷酸盐快速、低成本检测 [99]。

Wu等合成激发330 nm/发射650 nm的BSA/GSH-AuNCs，在pH 3.0高效猝灭NO₂⁻且耐高盐，适合复杂样品分析 [100]。同期研究揭示BSA包覆AuNCs随pH变化发生可逆构象改变，为配体-纳米簇相互作用提供洞见 [101]。

Ghosh等研究AuNCs对α-糜蛋白酶活性的影响，发现AuNCs结合使酶失活，但GSH或氧化型GSH可部分恢复活性——这一现象可能为谷胱甘肽水平升高的癌细胞靶向酶调节提供思路 [102]。

最后，荧光引导手术借助连接双草酸和AS1411配体的AuNCs取得进展，在CL1-5小鼠模型中实现双模态CT/近红外成像和术中肿瘤划界。该探针的高光稳定性和肿瘤特异性靶向，为实时手术导航提供了极具前景的平台 [103]。

结论

综述文献凸显了AuNCs作为荧光探针在成像、传感和治疗领域的多功能性。关键挑战依然存在：(1) 量子产率突破20%以实现多重成像；(2) 尺寸均一性以收窄发射带宽；(3) 精准控制配体壳层化学以定制表面反应性和生物分布。通过理性配体设计、高通量合成和深入机制研究攻克这些瓶颈，将加速AuNCs向临床诊断和个性化医疗转化。

随着跨学科持续努力，AuNCs有望成为下一代生物医学成像和靶向治疗的基石。

缩略语

AuNCs:

金纳米簇

BSA:

牛血清白蛋白

CBMC:

脐带单核细胞

CD:

圆二色谱

Chi:

壳聚糖

ChT:

糜蛋白酶

DHLA:

二氢硫辛酸

DPA:

D-青霉胺

DTT:

二硫苏糖醇

FA:

叶酸

FLIM:

荧光寿命成像

FRET:

福斯特共振能量转移

GSH:

谷胱甘肽

GST:

谷胱甘肽-S-转移酶

MUA:

11-巯基十一烷酸

Ova:

卵白蛋白

PCR:

聚合酶链式反应

PDNH:

Poly(DBAM-co-NASco-HEMA)

PEI:

聚乙烯亚胺

PPi:

焦磷酸

PTMP-PMAA:

多齿硫醚端基聚(甲基丙烯酸)

SPEET:

表面等离子体增强能量转移

Tf:

转铁蛋白

Try:

胰蛋白酶

VAN:

万古霉素