碳量子點(diǎn)的制備、性質(zhì)及其在藥物遞送中的應(yīng)用

曹群，臧慧敏，盧莎，武世奎

（內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特）

0 引言

近年來，新型藥物傳遞系統(tǒng)（DDSs）研究的興起，使得藥物的療效得到極大提高，這一現(xiàn)象引起了廣大學(xué)者的關(guān)注[1]。在傳統(tǒng)的給藥方法中，血藥濃度變化迅速，有效血藥濃度的維持時(shí)間大大減少[2]。DDSs則可以將藥物送到特定的位點(diǎn)，并將血藥濃度保持在有效范圍內(nèi)。納米材料的興起為新型DDSs的設(shè)計(jì)創(chuàng)造了新的機(jī)會(huì)[3,4]。碳量子點(diǎn)（CQD）是納米級(jí)別的球形碳納米材料（直徑＜10 nm），具有尺寸小[5,6]、成本低廉和生物相容性好[5]、比表面積大及靶向性等優(yōu)點(diǎn)。將其應(yīng)用于藥物載體，起效快[7]、療效高[8]并能作用到靶細(xì)胞[9]。隨著對(duì)于碳量子點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)及深入研究，它的應(yīng)用取得了很大的進(jìn)展[10]。同時(shí)，碳量子點(diǎn)的原料來源廣泛，制備成本也比較低，在材料制備領(lǐng)域有很大的優(yōu)勢(shì)，在醫(yī)學(xué)成像設(shè)備[11]、化學(xué)傳感器[12]、光催化反應(yīng)[13]等領(lǐng)域中都有較好的應(yīng)用前景。

傳統(tǒng)的量子點(diǎn)的制備原料多含有重金屬，制得的產(chǎn)物性能雖好，但由于重金屬的毒性，很難將其作為藥物載體。而碳量子點(diǎn)所使用的原料則更為綠色安全，因此具有不錯(cuò)的生物相容性，這使得其作為藥物載體的應(yīng)用成為可能。本文將簡(jiǎn)要介紹碳量子點(diǎn)的合成方法及性質(zhì)，重點(diǎn)討論近年碳量子點(diǎn)在藥物遞送中的研究進(jìn)展。

1 碳量子點(diǎn)的合成方法

碳量子點(diǎn)的合成方法有數(shù)種，可以根據(jù)碳源的差異將其簡(jiǎn)單分類：由大分子量物質(zhì)為碳源的制備方法多為自上而下法，而由小分子量物質(zhì)為碳源往往使用的是自下而上法。大分子量碳源主要是碳材料，利用激光，電弧放電或給予電壓的手段，將小分子量碳量子點(diǎn)從碳源上剝落下來[14,15][16]。可以作為碳源的小分子量物質(zhì)種類則豐富的多，只要是含碳豐富的物質(zhì)均可，例如檸檬酸[17]、葡萄糖[18-21]或者離子液體[22]等。合成方法也相對(duì)多樣，氧化燃燒[23]、水熱/溶劑熱[24]、燃燒[25]、微波照射[26]、利用模板劑等方法最為常用。

2 碳量子點(diǎn)的性質(zhì)

2.1 光學(xué)性質(zhì)

碳量子點(diǎn)能應(yīng)用于生物領(lǐng)域，很大程度上得益于其獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)。胞吞使碳量子點(diǎn)進(jìn)入到細(xì)胞內(nèi)，而它的熒光性能則能起到標(biāo)識(shí)細(xì)胞的作用[27]。其光致發(fā)光性可用于痕量檢測(cè)[28]。在生物傳感應(yīng)用領(lǐng)域，化學(xué)發(fā)光現(xiàn)象被廣泛應(yīng)用，而有研究證明碳量子點(diǎn)可以使得復(fù)合材料的化學(xué)發(fā)光性能增強(qiáng)[29-31]。碳量子點(diǎn)的上轉(zhuǎn)換發(fā)光性也是其大受矚目的性質(zhì)，這一性質(zhì)可能與多光子吸收有關(guān)，并有希望應(yīng)用于雙光子熒光顯微鏡進(jìn)行細(xì)胞成像[32]。這些光學(xué)性質(zhì)也豐富了碳量子點(diǎn)在藥物遞送方面的應(yīng)用。

2.2 生物相容性

半導(dǎo)體量子點(diǎn)的毒性使得其在生物領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制，而碳量子點(diǎn)生物相容性高、毒性低，正好滿足應(yīng)用要求。SL D’Souza等[33]以萬古霉素為前體制備熒光碳量子點(diǎn)。制得的CQD具有良好的水溶性，量子產(chǎn)量為6.47%。而且，制得的碳量子點(diǎn)對(duì)于MCF-7（人類乳腺癌）和SH-SY5Y（人類神經(jīng)母細(xì)胞瘤）細(xì)胞具有生物相容性，生存率為75%。Y Yuan 等[34]以牛乳為原料，采用水熱法合成CQD，工藝簡(jiǎn)單、環(huán)保。DOX （Doxorubicin）通過與CQD表面官能團(tuán)的靜電相互作用與之結(jié)合，得到的CQD-DOX復(fù)合物表現(xiàn)出依賴于PH的DOX釋放行為。細(xì)胞毒性研究表明，CQD在使用的濃度范圍內(nèi)是無毒的。而且，與單獨(dú)給藥相比，CQD-DOX復(fù)合物對(duì)腺樣囊性癌細(xì)胞系（acc2）具有更大的破壞作用，但對(duì)正常細(xì)胞毒性較低。共聚焦顯微鏡和流式細(xì)胞術(shù)證實(shí)，相較于單獨(dú)給藥，CQDDOX復(fù)合物可以提高癌癥治療效率，并誘導(dǎo)acc2細(xì)胞的凋亡。

3 碳量子點(diǎn)作為藥物載體的應(yīng)用

3.1 碳量子點(diǎn)直接作物為藥物載體

CQD上的天然羧基和DOX分子上的胺基實(shí)現(xiàn)了CQD與抗癌藥物DOX的非共價(jià)鍵結(jié)合，并利用腫瘤細(xì)胞與正常細(xì)胞之間的pH值差異作為DOX釋放的觸發(fā)機(jī)制[35]。Z Wang等[36]制備的碳量子點(diǎn)，平均尺寸為2.5 nm，溶解性、穩(wěn)定性和熒光性好。并能起到緩釋的作用，可作為高效的藥物載體用于對(duì)抗癌細(xì)胞。同樣的，還有研究者將山梨糖醇和阿拉伯樹膠作為碳源合成碳量子點(diǎn)，用于DOX[37,38]與環(huán)丙沙星[39]的載藥。

降壓藥物賴諾普利通過其表面的氨基和羥基基團(tuán)與CQD的多個(gè)官能團(tuán)之間的鍵合成功地負(fù)載在CQD的表面上。Mehta等[40]以巴氏滅菌牛奶為碳源，通過水熱法在170°C下加熱12 h合成高發(fā)光碳量子點(diǎn)，通過賴諾普利在CQD表面的自組裝得到載有賴諾普利的CQD。該復(fù)合物根據(jù)PH不同，有著不同的控釋效果，被HeLa細(xì)胞攝取后也沒有表現(xiàn)出明顯的細(xì)胞毒性。CQD還可以通過氫鍵與絲裂霉素相互作用，起到藥物載體的作用[41]。還有研究報(bào)道了碳量子點(diǎn)與核酸的結(jié)合，能將藥物靶向至核仁處[42]。GQD與逆轉(zhuǎn)錄酶抑制劑結(jié)合后，其抗HIV活性較其他納米粒子有明顯優(yōu)勢(shì)[43]。通過控制CQD的表面電荷范圍也能得到核仁靶向的效果[44]。將蓖麻毒蛋白A鏈偶聯(lián)至具有高爾基靶向能力的CQD上，構(gòu)建的遞送系統(tǒng)可以使其更好發(fā)揮作用[45]。

3.2 表面功能化碳量子點(diǎn)的載藥

經(jīng)表面修飾的碳量子點(diǎn)，其性能會(huì)有顯著提升。使用聚乙二醇（PEG）對(duì)碳量子點(diǎn)進(jìn)行表面修飾，可以實(shí)現(xiàn)熒光發(fā)射強(qiáng)度的增加[46]與量子產(chǎn)率的提高[47]。Zheng Wei[48]等用聚乙二醇修飾石墨烯量子點(diǎn)并負(fù)載Pt，合成的聚乙二醇-石墨烯量子點(diǎn)-Pt（GPt）對(duì)腫瘤生長(zhǎng)具有強(qiáng)烈的抑制作用；Mingliang Pei[49]用PEG改性的熒光CQD對(duì)DOX的載藥率高達(dá)67.2%。氨水處理也可得到熒光量子產(chǎn)率增加的氨基化碳量子點(diǎn)[50]；用烷基胺對(duì)發(fā)射藍(lán)光的碳量子點(diǎn)進(jìn)行類似處理，能得到綠色熒光產(chǎn)物[51]。Roxana Jijie等[52]制備了一種胺基功能化的碳量子點(diǎn)（CQDs-NH2）并將其作為載體，用于氨芐西林的載藥。這種載體具有可見光觸發(fā)的性質(zhì)；與游離藥物相比，其在溶液中的穩(wěn)定性有所改善，且保留了CQDs-NH2的內(nèi)在治療特性。

3.3 碳量子點(diǎn)復(fù)合物的載藥

3.3.1 化學(xué)摻雜碳量子點(diǎn)的載藥

雜環(huán)原子的摻雜可以有效調(diào)控碳量子點(diǎn)的特性和表面化學(xué)性質(zhì)。其中，氮原子被廣泛應(yīng)用于納米材料的化學(xué)摻雜[38,53-57]。氮原子的摻雜能極大的改變其電學(xué)特性，并能提供更多的活性位點(diǎn)以表現(xiàn)出更加獨(dú)特的性質(zhì)。最顯著的性質(zhì)就是量子產(chǎn)率的增加與熒光性能的增強(qiáng)[55]。Ming Zhang等[58]所合成的N-P摻雜CQD有明亮的藍(lán)色熒光，對(duì)金屬離子、鹽水溶液和高離子強(qiáng)度環(huán)境的干擾具有很強(qiáng)的抵抗力，可作為腫瘤細(xì)胞生物成像和藥物遞送材料。化學(xué)摻雜的碳量子點(diǎn)在靶向藥物傳送方面的應(yīng)用也有報(bào)道[59,60]。

3.3.2 金屬離子復(fù)合碳量子點(diǎn)的載藥

碳量子點(diǎn)與金屬離子復(fù)合物在碳量子點(diǎn)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上增加了磁性，使得其在藥物靶向方面更具優(yōu)勢(shì)[61]。銅和硫摻雜碳量子點(diǎn)光熱轉(zhuǎn)換率高，穩(wěn)定性強(qiáng)，可以選擇性地靶向腫瘤組織[62]。將過渡金屬離子Gd3+、Mn2+、Eu3+與碳量子點(diǎn)組合，制備得到磁熒光碳量子點(diǎn)，與 DOX結(jié)合制備的納米復(fù)合材料對(duì)HeLa細(xì)胞的細(xì)胞毒性明顯高于游離DOX[63]。Mei-Ling Chen等[64]將填充有Fe3O4的納米材料與CQD結(jié)合，得到有靶向和磁成像能力的顆粒。Fe3O4能提高協(xié)同靶向效率并保護(hù)顆粒不發(fā)生團(tuán)聚，增強(qiáng)其化學(xué)穩(wěn)定性與載藥能力，還能避免磁納米晶體引起的量子點(diǎn)熒光猝滅。

3.3.3 水凝膠納米復(fù)合物的載藥

水凝膠具有多孔的分子結(jié)構(gòu)，通過物理或化學(xué)方法交聯(lián)產(chǎn)生[65]。有其中水溶性羧甲基纖維素（CMC）常用于水凝膠的制備，具有良好的生物相容性，易降解[66-68]。將帶正電荷的CQD與帶負(fù)電荷的生物表面活性劑通過靜電相互作用可構(gòu)建水凝膠?？缮锝到獾牧孔狱c(diǎn)納米復(fù)合水凝膠薄膜，能夠作為抗癌藥物DOX的載體[34]。增加生物表面活性劑的濃度并添加三肽，可得到具有高度光致發(fā)光的水凝膠[69]，有些PH依賴的水凝膠甚至可以用于特定部位的藥物遞送[70-72]。Li W等[73]利用熒光交聯(lián)碳量子點(diǎn)（CCQDs）合成了一種新型的兩性多官能團(tuán)納米凝膠藥物載體，該載體是一種新型的氨基酸衍生的兩性離子單體。在這個(gè)載體結(jié)構(gòu)中，引入CCQDs作為交聯(lián)劑則可以實(shí)時(shí)跟蹤和定位納米凝膠。重要的是，細(xì)胞攝取實(shí)驗(yàn)表明葉酸偶聯(lián)的納米凝膠可以被葉酸受體過表達(dá)的癌細(xì)胞特異性地內(nèi)化，這使這種多功能納米凝膠在癌癥治療中的靶向性和與熒光成像成為可能。

3.4 修飾后的碳量子點(diǎn)作為藥物載體

透明質(zhì)酸（HA）可實(shí)現(xiàn)靶向藥物釋放并有提高穩(wěn)定性的作用[74,75]。Junfeng Fang等[76]設(shè)計(jì)了一種HA修飾的碳量子點(diǎn)，這種中空介孔碳納米粒子被用來包封DOX。表面修飾的HA能實(shí)現(xiàn)藥物的癌細(xì)胞靶向，碳量子點(diǎn)的光熱轉(zhuǎn)換性能還能起到光熱治療的作用，雙重效果加強(qiáng)了腫瘤細(xì)胞的抑制。結(jié)果所制備的CQD對(duì)阿霉素載藥率達(dá)410mg/g，毒性可忽略不計(jì)，能完全抑制腫瘤生長(zhǎng)。

癌細(xì)胞對(duì)葉酸的需求極大，這使得葉酸受體在癌細(xì)胞表面過度表達(dá)，所以葉酸修飾的載體表現(xiàn)出明顯的癌細(xì)胞靶向性[77]。葉酸修飾的N摻雜碳量子點(diǎn)可被選擇性內(nèi)吞，自噬空泡破壞后釋放的FNCQD激活內(nèi)在和外在的凋亡信號(hào)通路，并有效殺死腫瘤細(xì)胞[78]；修飾過的碳量子點(diǎn)還可以作為細(xì)胞傳感器選擇性靶向MKN 45細(xì)胞[79]。Zhang Y等[80]的研究描述了一種新型的、通用的氧化還原反應(yīng)控制藥物釋放納米載體，該載體采用定制的熒光CQD檢測(cè)介孔碳納米顆粒。用二硫化基對(duì)載體進(jìn)行修飾后，該系統(tǒng)對(duì)胞內(nèi)谷胱甘肽敏感。通過靜電相互作用將CQD固定在載體的表面，從而防止裝載在載體通道內(nèi)的DOX泄漏。熒光CQD既是開關(guān)，也是可視化藥物傳遞過程的熒光探針。還有研究者將不同蛋白裝載到碳量子點(diǎn)上，根據(jù)CQD光譜來確定蛋白質(zhì)載體偶聯(lián)物的組成[81]。這種新方法成功地測(cè)定了碳量子點(diǎn)對(duì)于不同蛋白質(zhì)的包封率和載藥率，可以解決目前藥物輸送系統(tǒng)的量化所面臨的問題。

4 展望

以量子點(diǎn)為平臺(tái)建立具有成像、靶向和治療一體化的多功能給藥體系是目前納米給藥載體的又一研究熱點(diǎn)。通過碳量子點(diǎn)的功能化、靶向修飾和‘開關(guān)’功能，實(shí)現(xiàn)藥物的靶向與控釋。碳量子點(diǎn)的核仁靶向性對(duì)于腫瘤的治療也有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，其熒光特性對(duì)于生物成像方面的貢獻(xiàn)也是不可忽視的?？偟膩碚f，碳量子點(diǎn)作為藥物載體與熒光標(biāo)記的優(yōu)點(diǎn)逐漸顯現(xiàn)出來，相信其有著極大的應(yīng)用前景。