紅光/近紅外光響應(yīng)碳點在腫瘤治療中的應(yīng)用進展

南福春，薛小礦，葛介超*，汪鵬飛

(1. 中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所 光化學(xué)轉(zhuǎn)換與功能材料重點實驗室，北京 100190；2. 中國科學(xué)院大學(xué) 未來技術(shù)學(xué)院, 北京 100049)

1 引 言

碳點是一種新興的尺寸小于10 nm的零維熒光碳納米材料。2004年，Scrivens課題組在利用電泳法純化碳納米管時首次發(fā)現(xiàn)獲得的產(chǎn)物中含有熒光納米碎片[1]。因為該類材料性能與硅量子點相似，2006年，克萊姆森大學(xué)孫亞平博士最先將該類材料命名為碳點[2]。碳點是一個較為寬泛的概念，是碳化量子點(Carbon quantum dots,CQDs)、石墨烯量子點(Graphene quantum dots,GQDs)、碳納米點(Carbon nanodots,CNDs)和碳化聚合物點(Carbonized polymer dots,CPDs)的統(tǒng)稱[3]。不同于傳統(tǒng)的無機量子點，碳點具有與有機大分子相似的長π-π共軛結(jié)構(gòu)，其內(nèi)核是由高度石墨化的sp2雜化的碳組成，外殼部分則包含了豐富的有機官能團，如羧基、氨基、羥基等[4]。這種有機無機雜化的特點賦予了碳點特殊的性質(zhì)。與傳統(tǒng)有機熒光染料相比，碳點表現(xiàn)出優(yōu)異的抗光漂白性、低毒性、水溶性、生物相容性及表面易修飾等特點。與傳統(tǒng)Ⅱ-Ⅵ族金屬量子點相比，碳點不含有毒的金屬元素，具有良好的生物相容性[5-6]。

根據(jù)碳點前驅(qū)物的不同，目前關(guān)于碳點的制備主要分為兩大類方法[7]：一種是自上而下法，包括激光燒蝕法、電化學(xué)氧化法、電弧放電法。該方法主要是針對大尺寸的碳材料而言，如石墨烯、碳納米管、碳納米纖維、石墨等，將這些較大尺寸的碳材料進行裂解，使其尺寸變小獲得碳點。另一種方法是自下而上法，包括模板法、溶劑熱法、微波輔助法、熱解、燃燒法等。該方法主要是針對有機小分子或生物質(zhì)材料而言，將前驅(qū)物進行碳化，經(jīng)過分離純化獲得發(fā)光碳點。在碳點形成過程中，不同的制備方法對碳點的性能有著至關(guān)重要的影響。即便是相同的前驅(qū)物，選用不同的溶劑、采用不同的制備方法獲得的碳點性能也大相徑庭[8]。因此，探索發(fā)展新的制備方法來獲得具有新性能的碳點是目前碳點研究領(lǐng)域的熱點。

碳點吸收及發(fā)光范圍可調(diào)的性質(zhì)使得其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域如生物傳感、腫瘤診斷中具有重大的應(yīng)用前景。在研究初期，所制備的碳點發(fā)光區(qū)域大多數(shù)在藍(lán)綠光范圍內(nèi)。藍(lán)綠光的組織穿透深度淺，僅有1～2 mm，這極大地限制了碳點在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用(圖1)[9]。隨著制備方法的不斷改進，多種紅光/近紅外發(fā)光的碳點被制備出來。與藍(lán)綠光碳點相比，紅光/近紅外(600～950 nm)發(fā)光碳點具有組織穿透深度大、生物體自發(fā)光干擾較小、對組織損傷小等優(yōu)點，因而可以將該類材料用于生物體深度熒光成像，極大地拓寬了碳點在生物醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域的應(yīng)用[8]。除了熒光成像之外，一些碳點在近紅外區(qū)域具有強的吸收峰，可以將其用于光聲成像[10]。同時，碳點豐富的官能團使得順磁性金屬離子可以與碳點發(fā)生配位作用，獲得金屬摻雜的碳點，用于磁共振成像和CT成像等[11]。

圖1 不同波長光源在生物組織中的穿透深度[9]

除了具有優(yōu)異的光學(xué)成像診斷功能，近年來陸續(xù)發(fā)現(xiàn)一些碳點還具有優(yōu)良的治療功能(圖2)[12]。例如，碳點作光敏劑可以實現(xiàn)對腫瘤的光動力治療(Photodynamic therapy,PDT)或光熱治療(Photothermal therapy,PTT)。光動力治療是光敏劑在合適光源的照射下產(chǎn)生活性氧物種(Reactive oxygen species,ROS)，引起癌細(xì)胞內(nèi)生物大分子發(fā)生氧化損傷，進而導(dǎo)致細(xì)胞死亡，實現(xiàn)治療目標(biāo)[13-14]。光熱治療則是光敏劑將光能轉(zhuǎn)化為熱能，利用過高熱引起癌細(xì)胞的不可逆損傷，消滅癌細(xì)胞[15-16]。傳統(tǒng)的化療藥物在治療腫瘤的同時會產(chǎn)生系統(tǒng)毒性，對身體具有較大的毒副作用，往往是殺敵一千，自損八百；而光動力治療與光熱治療可以通過控制激光照射區(qū)域?qū)⒅委煼秶s小至腫瘤區(qū)域，從而實現(xiàn)針對腫瘤的特異性治療，避免對正常組織產(chǎn)生損傷，因此具有光療效果的碳點在腫瘤治療中有廣闊的應(yīng)用前景[17]。另外，隨著研究的不斷深入，針對腫瘤及其微環(huán)境的特異性、靶向性治療功能的碳點研究也備受關(guān)注。

圖2 紅光/近紅外光響應(yīng)碳點在腫瘤治療中的應(yīng)用

在本綜述中，我們將著重介紹紅光/近紅外光響應(yīng)碳點的吸收/發(fā)光影響因素以及近幾年碳點在腫瘤治療中的新進展，后者主要包括碳點在光動力治療、光熱治療、光動力/光熱協(xié)同治療的應(yīng)用。另外，針對腫瘤微環(huán)境的特點，介紹了微環(huán)境響應(yīng)型碳點及其在腫瘤治療中的應(yīng)用研究新進展。

2 紅光/近紅外光響應(yīng)碳點光學(xué)特性的影響因素

不同前驅(qū)物以及不同方法制備的碳點會表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)多樣性，由此會使得碳點的吸收及發(fā)射光譜發(fā)生明顯變化。

2.1 碳點吸收特性的影響因素

碳點內(nèi)核為π-π共軛的sp2雜化結(jié)構(gòu)，這使得碳點在短波長范圍內(nèi)表現(xiàn)出高效的光子捕獲特性，從而使得碳點在紫外范圍內(nèi)(230～320 nm)有著較強吸收[18]。此外，碳點的尺寸、雜原子摻雜、結(jié)構(gòu)、表面基團等都會對碳點的吸收產(chǎn)生顯著影響。為了使碳點在紅光/近紅外光區(qū)域具有明顯吸收，用于高效光療[9]，目前主要有以下方式獲取具有長波長吸收的碳點。例如，氮、硫等非金屬原子以及Cu2+、Mn2+、Ni2+等金屬離子摻雜能夠顯著提高碳點材料在長波長范圍內(nèi)的吸收[19-22]。中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所曲松楠課題組在制備檸檬酸/尿素體系碳點中，通過改變?nèi)軇徇^程中的溶劑，成功將硫原子摻入到碳點中。硫原子的摻雜降低了碳點的帶隙，使得碳點在紅光/近紅外光區(qū)域表現(xiàn)出強吸收峰[19]；東南大學(xué)吳富根課題組利用Cu2+離子摻雜提高了碳點在近紅外光區(qū)域的吸收[20]。此外，利用碳點自身的相互作用，組裝獲得超碳點材料也是一種獲得具有近紅外光吸收碳點的有效策略。曲松楠課題組利用碳點組裝策略，使碳點在濕潤的空氣中(60%空氣濕度)組裝為在近紅外光區(qū)域有明顯吸收的超碳點材料[23]。

2.2 碳點發(fā)光的影響因素

與傳統(tǒng)有機小分子及無機光敏劑相比，碳點結(jié)構(gòu)及組成復(fù)雜，因此關(guān)于碳點的發(fā)光機理眾說紛紜。碳點是由共軛碳核及表面分子層組成，這兩方面性質(zhì)都會對碳點的發(fā)光性能產(chǎn)生影響。目前普遍認(rèn)為碳點的發(fā)光特性主要受以下因素影響：碳點尺寸效應(yīng)、表面功能化官能團及雜原子摻雜等。通過調(diào)節(jié)碳點的上述特性，可獲得適用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的紅光/近紅外光發(fā)射的碳點。

2.2.1 尺寸效應(yīng)對碳點發(fā)光的影響

量子限域效應(yīng)(尺寸效應(yīng))對碳點的發(fā)光有著重要影響，這里所說的尺寸并不是碳點的整體尺寸，而是碳點內(nèi)部高度共軛的sp2區(qū)域尺寸[24]。隨著碳核共軛區(qū)域尺寸變大，碳核中電子離域程度提高，帶隙降低，HOMO與LUMO軌道之間的能級差減小，導(dǎo)致碳點的發(fā)光產(chǎn)生紅移，從而獲得紅光/近紅外光發(fā)射的碳點。該模型適用于解釋石墨化程度高的碳量子點。2014年，新加坡南洋理工大學(xué)陳鵬課題組與新加坡理工學(xué)院Lim團隊合作，利用理論計算的方法模擬了碳點尺寸對其發(fā)光波長的影響[25]。結(jié)果表明，隨著碳點尺寸增大(0.46～2.31 nm)，其發(fā)光波長由藍(lán)光區(qū)域紅移至近紅外光區(qū)域。這種變化正是由于尺寸增加后π電子離域程度增加所導(dǎo)致。2017年，曲松楠課題組利用檸檬酸與尿素為前驅(qū)物，改變制備過程中的反應(yīng)溶劑，成功制備了具有不同尺寸的碳點，隨著碳點尺寸變大，該碳點的熒光發(fā)生明顯紅移[26]。這一結(jié)果也證實了碳點尺寸對碳點的發(fā)光具有重要影響。

2.2.2 碳點表面態(tài)對碳點發(fā)光的影響

2.2.3 雜原子摻雜對碳點發(fā)光的影響

大量研究表明，雜原子如氮、氟、硫、硼等的摻雜對碳點的發(fā)光同樣有著重要影響[30-31]。

多種原子共摻雜也是調(diào)節(jié)碳點發(fā)光特性的重要方法。例如，2017年，蘭州大學(xué)任翠領(lǐng)等以2,5-二氨基苯磺酸和4-氨基苯硼酸為原料成功制備了氮、硫、硼共摻雜的紅光碳點，其中硼、氮摻雜能夠提高碳點的發(fā)光強度，氮摻雜能夠降低帶隙，使碳點發(fā)射波長紅移[32]；最近，安徽大學(xué)畢紅等利用檸檬酸、尿素、氟化銨為前驅(qū)物，采用溶劑熱法制備了氮/氟摻雜的碳點。氟/氮共摻雜能夠形成D-π-A結(jié)構(gòu)，有利于碳點的激發(fā)波長發(fā)生紅移，獲得近紅外光發(fā)射的碳點[34]。

綜上所述，碳點尺寸、表面態(tài)以及雜原子摻雜都會影響碳點發(fā)光紅移。盡管已經(jīng)有相關(guān)的理論試圖解釋碳點的發(fā)光機制，但是，用統(tǒng)一理論闡釋碳點的發(fā)光機理以及預(yù)先設(shè)計并制備具有可控發(fā)光特性的碳點依然存在著諸多挑戰(zhàn)。

3 紅光/近紅外光響應(yīng)碳點在腫瘤治療中的應(yīng)用

3.1 光動力治療

近年來，碳點在光動力學(xué)治療腫瘤方面發(fā)展迅速(表1)。2012年，Markovic等利用電化學(xué)法制備了能夠在470 nm光源刺激下產(chǎn)生1O2的石墨烯量子點[18]，并證實了該材料在光源照射下對細(xì)胞有明顯的殺傷效果。但是，該碳點為藍(lán)光碳點，極大地限制了該碳點在生物醫(yī)學(xué)特別是熒光成像中的應(yīng)用。2014年，汪鵬飛課題組發(fā)展了一種新的制備碳點的策略，以聚噻吩衍生物PT2為前驅(qū)物，利用水熱法成功制備了硫、氮摻雜的具有近紅外發(fā)射的水溶性碳點，其最大發(fā)射峰在700 nm左右，實現(xiàn)了碳點在近紅外區(qū)的熒光成像，拓寬了碳點在生物醫(yī)學(xué)成像中的應(yīng)用[35]。更重要的是，該近紅外發(fā)光碳點在可見光或紅光照射下，可高效產(chǎn)生1O2，其1O2量子產(chǎn)率高達(dá)1.3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)的有機小分子光敏劑。這種超高的1O2量子產(chǎn)率來源于兩種路徑：一是T1態(tài)到S0態(tài)的過程中產(chǎn)生1O2；二是S1態(tài)到T1態(tài)的系間穿越過程產(chǎn)生1O2(圖3(a))。體外細(xì)胞與體內(nèi)抗腫瘤實驗結(jié)果表明該材料具有高效的光動力治療效果。但是，該類近紅外發(fā)光碳點表面帶有大量正電荷，容易與血液中的紅細(xì)胞發(fā)生團聚，形成血栓，無法通過靜脈注射的方式給藥。為了解決這些問題，該課題組利用正負(fù)電荷相互作用，將十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)與該正電碳點組裝，之后用聚乙二醇(PEG)鈍化，得到了具有近紅外吸收的碳點納米球(Carbon dots nanospheres,CDNS)(圖3(b))[36]。利用SDBS與正電碳點組裝后，能夠?qū)⑻键c表面的正電荷轉(zhuǎn)化為負(fù)電荷，可以實現(xiàn)尾靜脈給藥。同時與正電碳點相比，得到的碳點納米球CDNS的吸收波長發(fā)生了明顯紅移，在671 nm激光照射下，1O2量子產(chǎn)率為45.4%。細(xì)胞及活體實驗表明，碳點納米球CDNS既可以用于近紅外熒光成像，又能用于近紅外光響應(yīng)的光動力學(xué)治療。

表1 光動力治療效果碳點

圖3 (a)傳統(tǒng)光敏劑與碳點1O2產(chǎn)生原理圖[35];(b) CDNS組裝體制備及其用于近紅外光熒光成像介導(dǎo)的光動力治療原理圖[36]。

以高分子聚噻吩衍生物為碳源制備碳點過程復(fù)雜，需要經(jīng)過多步化學(xué)反應(yīng)合成前驅(qū)體，因此需要發(fā)展更為簡單的方法制備具有光動力效果的碳點。2018年，該課題組又利用生物質(zhì)原料脫鎂葉綠素為前驅(qū)物，采用微波輔助法制備了1O2產(chǎn)率為62%的碳點[45]，且該碳點最大發(fā)射峰為680 nm，經(jīng)過與DSPE-PEG組裝，得到了具有良好水溶性的碳點組裝體。該組裝體保持了高1O2量子產(chǎn)率以及熒光成像的特性，最終可以將該材料用于熒光成像介導(dǎo)的光動力治療，具有良好的光動力腫瘤治療效果(圖4(a))。另外,謝志剛課題組利用類卟啉化合物與殼聚糖為前驅(qū)物，采用一步水熱法制備了具有兩種光動力治療效果的碳點(圖4(b)、(c))[38,50]。經(jīng)過水熱碳化后，該碳點依然保持了光敏劑的芳香結(jié)構(gòu)，因此可以在光照下產(chǎn)生1O2，具有較好的光動力治療效果。在這兩個體系中，雖然碳化過程會讓原本光敏劑的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，但是最終獲得的碳點不僅具有與前驅(qū)物類似的1O2產(chǎn)生能力，而且殼聚糖的引入使得碳點具有優(yōu)良的水溶性和生物相容性。最近，美國國立衛(wèi)生研究院陳小元和廈門大學(xué)陳洪敏課題組合作，以間苯二胺與GdCl3為前驅(qū)物，利用溶劑熱法制備了Gd3+摻雜的具有光動力治療效果的紅光碳點(Gd@GCNs)[41]。高分辨透射電鏡表明該碳點尺寸分布均勻，Gd3+含量達(dá)到了37.6%，可以將其用于T1與T2的腫瘤磁共振成像。且該碳點具有類似金屬卟啉的結(jié)構(gòu)，Gd3+能夠增強碳點的自旋軌道耦合，從而增強系間穿越，使得碳點具有1O2產(chǎn)生能力。細(xì)胞及小鼠體內(nèi)實驗結(jié)果表明，該碳點具有良好的光動力治療效果，并且可以用于小鼠腫瘤的熒光/磁共振雙模態(tài)成像(圖4(d))。隨后，該課題組進一步利用四碘四氯熒光素與Gd(NO)3為前驅(qū)物，采用相似的策略，制備了熒光/磁共振成像介導(dǎo)的光動力與放射協(xié)同治療功能的碳點GRDs(圖4(e))[49]。2019年，謝志剛課題組與長春工業(yè)大學(xué)鄭敏課題組合作，利用碳點與BODIPY分子之間的自組裝，制備了具有良好水溶性的納米組裝體，該組裝體具有良好的生物相容性以及光動力治療效果[51]。最近，該課題組又制備了表面帶醛基的碳點，并與BODIPY分子反應(yīng)，制備了發(fā)紅光的共價有機骨架(Covalent organic framework,COF)材料。細(xì)胞及活體實驗表明該COF材料具有良好的光動力抗腫瘤效果，拓展了碳點作為構(gòu)筑COF基元在腫瘤光療中的應(yīng)用[52]。

圖4 (a)以脫鎂葉綠素為前驅(qū)物的生物質(zhì)碳點用于熒光成像介導(dǎo)的腫瘤光動力治療示意圖[45]；(b)卟啉基碳點的制備[50]；(c)DPP基碳點制備及其在腫瘤光動力治療中的應(yīng)用[38]；(d)Gd@GCNs用于熒/磁共振成像介導(dǎo)的光動力治療[41]；(e)GRDs用于熒光/磁共振成像介導(dǎo)的腫瘤光動力/放射協(xié)同治療示意圖[49]。

3.2 光熱治療

光熱治療是光療的另一種形式，光敏劑在合適波長的光照下，能夠?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)化為熱能產(chǎn)生過高熱，從而殺滅癌細(xì)胞[15]。與光動力治療相比，光熱治療不需要氧氣參與，因而不受腫瘤乏氧的限制。并且光熱效應(yīng)能夠賦予碳點光聲成像的特性。光聲成像的信號來源于物質(zhì)的光聲效應(yīng)，該效應(yīng)是指當(dāng)脈沖激光照射物質(zhì)后，物質(zhì)在吸收光后產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致熱膨脹進而產(chǎn)生寬帶超聲波，將聲波轉(zhuǎn)化為光學(xué)信號，可實現(xiàn)光聲成像[53]。熒光成像具有高靈敏度特性，但是光的組織穿透深度有限，使得熒光成像的空間分辨率較差，不能滿足深層組織觀察的需求。而光聲成像則能夠在一定程度上克服熒光成像的缺點，具有高對比度、高分辨率以及組織穿透深度大等優(yōu)點。

2015年，汪鵬飛課題組以聚噻吩苯丙酸(PPA)為前驅(qū)物，利用水熱法制備了一種具有光熱特性的紅光碳點(圖5(a))[54]，其發(fā)射峰位于640 nm，在400～750 nm范圍內(nèi)呈現(xiàn)出寬的吸收峰，具有較強的光聲信號，可以將其用于光聲/熒光雙模態(tài)成像(圖5(b)、(c))。同時該碳點在671 nm激光照射下光熱轉(zhuǎn)化效率接近40%，是一種非常好的光熱試劑，細(xì)胞及活體實驗表明該碳點具有良好的光熱治療效果(圖5(d))。此后，具有紅光/近紅外光響應(yīng)的碳點類光熱轉(zhuǎn)化試劑被不斷發(fā)現(xiàn)(表2)。汪鵬飛課題組和中國香港城市大學(xué)張文軍團隊合作，以聚噻吩衍生物PT2與二苯基二硒醚為前驅(qū)物，成功制備了S，Se摻雜的紅光碳點[55]。該碳點具有雙光子熒光成像功能，其雙光子吸收截面為30 045 GM。在808 nm激光照射下碳點的光熱轉(zhuǎn)化效率為30.6%，可以用于熒光成像介導(dǎo)的光熱治療。

圖5 (a)聚噻吩苯丙酸碳點制備示意圖；(b)～(c)尾靜脈注射0～6 h碳點在腫瘤部位活體熒光成像與光聲成像圖；(d)不同處理下腫瘤體積隨時間變化統(tǒng)計圖[54]。

表2 光熱治療效果碳點匯總表

除了高分子前驅(qū)物外，許多具有反應(yīng)性官能團的小分子也被用來制備具有光熱活性的紅光碳點。例如，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所林恒偉課題組利用檸檬酸為前驅(qū)物、甲酰胺為溶劑，采用微波輔助法制備了紅光發(fā)射的碳點[56]，其最大發(fā)射峰在650 nm左右，并且該碳點具有雙光子成像的功能。在671 nm激光照射下碳點的光熱轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了43.9%，細(xì)胞實驗表明該碳點的光熱效應(yīng)能夠有效地殺滅癌細(xì)胞，可以將其用于光熱治療。曲松楠課題組以檸檬酸/尿素為前驅(qū)物，二甲基亞砜為溶劑并提供S源，成功制備了吸收范圍寬且最大吸收波長為600 nm的碳點[19]，在655 nm激發(fā)下，該碳點的發(fā)射峰在720 nm左右，并且具有59.2%光熱轉(zhuǎn)化效率。活體實驗結(jié)果表明，該碳點可以用于熒光/光聲雙模態(tài)成像介導(dǎo)的光熱治療，具有良好的腫瘤治療效果。同時，該課題組利用碳點之間的靜電及氫鍵相互作用，采用后組裝策略制備了在可見光及近紅外光范圍有明顯吸收的超碳點，其光熱轉(zhuǎn)化效率超過50%[23]。進一步的實驗證明該碳點可以用于光聲成像介導(dǎo)的光熱治療[58]，為開發(fā)新型碳點光熱試劑提供了新思路。

金屬離子摻雜能夠提高碳點在紅外/近紅外區(qū)域的吸收，從而顯著提高碳點類材料的光熱轉(zhuǎn)化效率。例如，吳富根課題組以鄰苯二胺/L-半胱氨酸為前驅(qū)物，制備了S，N摻雜的碳點，之后利用靜電相互作用使Cu2+與碳點共組裝并用PEG進行表面修飾，制備了具有光熱特性的PEG修飾的CuCD NSs[20]。組裝前碳點在近紅外/可見光范圍內(nèi)沒有明顯吸收。而Cu2+參與組裝后，CuCD NSs吸收光譜發(fā)生顯著變化，在500～900 nm范圍內(nèi)具有強吸收，該材料具有優(yōu)良的光熱轉(zhuǎn)化特性，可以將其用于熒光/光聲雙模態(tài)介導(dǎo)的光熱治療。電子科技大學(xué)蔡璐璐課題組利用錳離子與苯胺黑為前驅(qū)物制備碳點(Mn-NCDs)[22]，與未摻雜錳離子的碳點(NCDs)相比，Mn-NCDs在550～850 nm表現(xiàn)出更強的吸收，錳離子摻入能夠顯著提高碳點的光熱轉(zhuǎn)化能力，可以用于熒光/光聲雙模態(tài)介導(dǎo)的腫瘤光熱治療。最近，哈爾濱工程大學(xué)楊飄萍課題組以乙二胺四乙酸/乙二胺為碳源、氯化鎳為鎳源，成功制備了鎳摻雜的碳點(Ni-CDs)[21]。在該碳點中鎳離子摻雜對其吸收特性有著決定性的影響，未摻雜鎳離子的碳點在近紅外區(qū)域沒有明顯吸收，而鎳離子摻雜后碳點在近紅外區(qū)域(750～1 350 nm)具有明顯吸收，其峰值在1 002 nm左右，可以用于第二近紅外的光聲成像與光熱治療。

3.3 光熱/光動力協(xié)同治療

盡管光動力治療與光熱治療都表現(xiàn)出良好的腫瘤治療效果，但是兩種治療方式各有其局限性。對光動力治療而言，腫瘤部位的乏氧降低了光動力治療效果[65-66]。對光熱治療而言，腫瘤治療過程中往往需要較高的激光功率，產(chǎn)生的高溫容易對腫瘤周邊的正常組織產(chǎn)生損傷[67]。將兩種治療方式結(jié)合起來能夠克服單一治療方式的局限性，提高腫瘤的治療效果[68]。光熱治療產(chǎn)生的高溫能夠促進血液循環(huán)，減小腫瘤組織中乏氧區(qū)域，有利于提高光動力的治療效果[69]；而光動力治療產(chǎn)生的活性氧物種會降低癌細(xì)胞對過高熱的耐受性，有利于提高光熱治療效果[67]。因此，光動力/光熱治療結(jié)合起來可以實現(xiàn)1+1>2的治療效果。目前主要有兩種措施來實現(xiàn)碳點類材料的光動力與光熱協(xié)同治療：一是將具有單一治療功能的碳點與具有其他治療功能的納米材料或者小分子進行組裝，獲得具有多重治療功能的納米材料；二是直接制備出兼具光動力光熱協(xié)同治療功能的碳點。

2016年，汪鵬飛課題組將前期報道的正電碳點與表面修飾有負(fù)電性二氧化硅的金納米棒以靜電相互作用的方式結(jié)合到一起，借助碳點的光動力治療效果與金納米棒的光熱治療效果制備了具有光動力/光熱協(xié)同治療功能的金納米棒@二氧化硅/碳點納米材料(GNR@SiO2-CDs)[70]。在808 nm激光照射下，金納米棒能夠作為光聲成像與光熱治療試劑；而在635 nm激光照射下，正電碳點可以作為腫瘤的熒光成像與光動力治療試劑，最終實現(xiàn)針對腫瘤的光動力/光熱的協(xié)同治療(圖6(a))。在該項工作中，需要采用兩種光源才能實現(xiàn)光動力與光熱的協(xié)同治療，過程較為繁瑣。2019年，林恒偉課題組利用酰胺化反應(yīng)將商用化的光敏劑Ce6固定到表面帶氨基的紅光發(fā)射的碳點上，獲得了碳點/Ce6納米材料Ce6-RCDs[71]，最終實現(xiàn)了單一激光(671 nm)激發(fā)的光動力/光熱協(xié)同治療(圖6(b))。與等量的Ce6或者RCDs相比，在0.5 W/cm2激光照射下，Ce6-RCDs表現(xiàn)出更好的抗腫瘤效果。

圖6 (a)GNR@SiO2-CDs制備及其腫瘤光動力/光熱協(xié)同治療原理圖[70]；(b)Ce6-RCDs用于多模態(tài)成像介導(dǎo)的光動力光熱協(xié)同治療原理圖[71]。

上述工作都是采用具有單一治療功能的碳點與其他治療材料結(jié)合，以此構(gòu)建多功能治療材料，這些工作不可避免地存在制備工藝復(fù)雜、成本高以及組裝后的光敏劑和碳點提前泄露等問題。兼具光動力/光熱協(xié)同治療效果的碳點可有效克服上述問題。2016年，汪鵬飛課題組以聚噻吩苯甲酸(PBA)為前驅(qū)體，制備了兼具光動力/光熱協(xié)同治療效果的碳點(圖7(a))[72]。該碳點表現(xiàn)出明顯的紅光發(fā)射特性，并且在635 nm激光照射下，既可以產(chǎn)生1O2又可以產(chǎn)生熱(圖7(b)、(c))。其1O2量子產(chǎn)率為27%，光熱轉(zhuǎn)化效率為36.2%，實現(xiàn)了熒光成像介導(dǎo)的單光源激發(fā)的光動力/光熱協(xié)同治療。隨后，該課題組又以生物質(zhì)材料竹紅菌為前驅(qū)物，制備了具有光動力光熱協(xié)同治療效果的碳點(HBCDs)[73]，進一步降低了該類碳點的制備成本(圖7(d))。在635 nm激光照射下，該碳點的1O2量子產(chǎn)率為38%，光熱轉(zhuǎn)化效率為27.6%?；铙w實驗結(jié)果表明，在尾靜脈注射碳點后，低功率0.1 W/cm2635 nm激光照射，腫瘤部位升溫不明顯；而經(jīng)過0.8 W/cm2激光照射后，腫瘤部位升溫明顯，最高溫度達(dá)到56.4 ℃(圖7(e))。低激光功率照射組的小鼠腫瘤在經(jīng)過光動力治療后生長速度被明顯抑制，但是腫瘤不能被完全清除。而高功率激光照射組的小鼠在經(jīng)過光動力光熱協(xié)同治療后，腫瘤被完全清除且在治療后14 d內(nèi)無復(fù)發(fā)(圖7(f))。這一結(jié)果表明了光動力光熱協(xié)同治療效果遠(yuǎn)高于單純的光動力治療。另外，廣西師范大學(xué)沈星燦和蔣邦平團隊利用Cu2+與乙二胺四乙酸二鈉鹽(EDTA)為原材料，成功制備了在808 nm激光照射下產(chǎn)生1O2與熱的Cu2+摻雜碳點[74]，可以將其用于光動力/光熱協(xié)同治療。最近，中南大學(xué)藍(lán)敏煥課題組以1,3,6-三硝基芘為前驅(qū)物，利用水熱法制備了具有光動力光熱協(xié)同治療效果的碳點[75]，在635 nm激光下，該碳點的1O2產(chǎn)率為5.7%，光熱轉(zhuǎn)化效率為73.5%。并且該碳點具有雙光子成像的功能，可以用于光聲/熒光成像介導(dǎo)的光動力/光熱協(xié)同治療。

圖7 (a)聚噻吩苯甲酸碳點制備[72]；(b)不同條件下聚噻吩苯甲酸碳點的ESR信號圖[72]；(c)不同濃度聚噻吩苯甲酸碳點溶液在635 nm激光照射下的溫度變化圖[72]；(d)HBCDs用于熒光/光聲成像介導(dǎo)的光動力光熱協(xié)同治療示意圖[73]；(e)不同處理下小鼠腫瘤部位溫度變化圖[73]；(f)不同處理下各組小鼠腫瘤體積統(tǒng)計圖[73]。

4 微環(huán)境響應(yīng)型碳點在腫瘤治療中的應(yīng)用

相較于正常組織，腫瘤的快速增殖等特點使得腫瘤組織表現(xiàn)出獨特的生物化學(xué)環(huán)境，稱之為腫瘤微環(huán)境。腫瘤微環(huán)境是一個復(fù)雜的體系，它是由腫瘤細(xì)胞、免疫細(xì)胞、炎癥細(xì)胞、腫瘤相關(guān)的成纖維細(xì)胞、間質(zhì)組織以及各種細(xì)胞因子等組成[76-77]。與正常組織相比，腫瘤微環(huán)境具有獨特的性質(zhì)，例如過表達(dá)的生物標(biāo)志物、乏氧、弱酸性環(huán)境(pH 6.0～6.9)、高濃度谷胱甘肽(GSH, 0.5～10 mmol/L)及高濃度過氧化氫(H2O2, 50～100 μmol/L)等[78-79]。雖然腫瘤微環(huán)境為腫瘤的惡性增殖與轉(zhuǎn)移提供了合適的環(huán)境，但是也為研究者們打開了腫瘤特異性治療的大門。針對腫瘤微環(huán)境特點，設(shè)計具有腫瘤微環(huán)境響應(yīng)型的碳點實現(xiàn)對腫瘤的特異性治療，既可以提高治療效果，又可以降低對正常組織的損傷。

圖8 (a)透明質(zhì)酸碳點制備及用于腫瘤靶向的光動力治療[37]；(b)BQD-FA制備及其用于靶向癌細(xì)胞的光動力治療示意圖[82]。

Warburg效應(yīng)以及淋巴循環(huán)缺失導(dǎo)致的代謝廢物堆積使得腫瘤組織表現(xiàn)出弱酸性[83]。因此，針對腫瘤弱酸性環(huán)境的pH響應(yīng)型碳點基納米藥物也應(yīng)運而生。新加坡南洋理工大學(xué)趙彥利課題組將順鉑類化療藥物負(fù)載到碳點表面，將RGD多肽鏈接到碳點上作為主動靶向配體，最后將含有pH響應(yīng)性的苯亞胺鍵的PEG共價修飾到碳點表面[84]。在弱酸性刺激下，苯亞胺鍵發(fā)生斷裂，將內(nèi)部的RGD靶向肽暴露出來。RGD靶向肽能夠特異性地結(jié)合αγβ3整合素，從而增加癌細(xì)胞對碳點的攝取，有利于順鉑類藥物發(fā)揮作用。韓國加圖立大學(xué)的Kun等以檸檬酸與1-(3-氨基丙基)咪唑為前驅(qū)物制備了具有pH響應(yīng)型的碳點[85]。該碳點能夠利用親疏水相互作用高效地負(fù)載DOX，并且在腫瘤的弱酸性條件下，咪唑基團的質(zhì)子化會加速DOX的釋放，從而實現(xiàn)針對腫瘤的特異性治療。最近，吉林大學(xué)徐蔚青教授課題組以檸檬酸與雙氰胺為前驅(qū)物，利用水熱法制備了pH響應(yīng)型的碳點。在中性條件下，該碳點在近紅外區(qū)域沒有吸收；而在腫瘤弱酸性刺激下，該碳點會發(fā)生聚集，形成碳點聚集體。與中性條件下的碳點相比，該碳點聚集體在近紅外區(qū)域表現(xiàn)出明顯的吸收，從而可以用于針對腫瘤的光熱治療[86]。該智能型碳點能夠提高碳點對腫瘤細(xì)胞的選擇性光熱治療效果，降低對正常細(xì)胞的光熱損傷。隨后，該課題組進一步利用線粒體靶向肽及癌細(xì)胞靶向肽對該碳點進行修飾，獲得了具有癌細(xì)胞及線粒體雙重靶向功能的碳點[87]，該碳點具有良好的靶向腫瘤光熱治療效果，而對正常細(xì)胞沒有明顯光毒性。該碳點為開發(fā)針對腫瘤特異性治療的碳納米材料開辟了新的道路。

腫瘤細(xì)胞的快速增殖及其組織結(jié)構(gòu)異常使得腫瘤組織表現(xiàn)出乏氧的特點，這一特點極大限制了Ⅱ型光動力治療，而Ⅰ型光動力治療受影響較小。南京郵電大學(xué)汪聯(lián)輝課題組利用超聲輔助熱分離及后續(xù)的水合肼還原等方法制備了還原氧化石墨烯量子點[39]，該量子點能夠進行Ⅰ型光動力治療，從而克服了乏氧對光動力治療的限制，有利于提高腫瘤治療效果。腫瘤組織處于高的氧化還原態(tài)，其內(nèi)部過氧化氫含量遠(yuǎn)高于正常組織。因此,為了改善腫瘤乏氧環(huán)境，汪鵬飛和葛介超團隊結(jié)合之前的工作，利用正電碳點還原高錳酸鉀，制備了碳點/MnO2材料，并用聚乙二醇修飾形成水溶性的納米雜化材料[88]。在正常生理條件下，該雜化材料的熒光被猝滅，同時，單線態(tài)氧產(chǎn)生能力被顯著抑制，不具備磁共振成像能力。而在腫瘤微環(huán)境中，MnO2會在弱酸性環(huán)境中與過氧化氫反應(yīng)，雜化材料結(jié)構(gòu)破壞，正電碳的熒光及單線態(tài)氧產(chǎn)生能力得以恢復(fù)，并且產(chǎn)生的錳離子可以用于磁共振成像。同時，MnO2與過氧化氫反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣可以緩解腫瘤的乏氧，有利于提高光動力治療效果。該納米雜化材料可以用于腫瘤微環(huán)境響應(yīng)的熒光/磁共振雙模態(tài)成像介導(dǎo)的改善腫瘤乏氧的增強光動力治療。，2018年，汪鵬飛和葛介超團隊進一步利用酞菁錳為前驅(qū)物，制備了MnO摻雜的具有1O2產(chǎn)生功能的碳點(圖9)[40]，MnO的摻入使得碳點具有磁共振成像功能，并且能夠在腫瘤弱酸性的條件下與過度表達(dá)的H2O2反應(yīng)生成氧氣，腫瘤組織乏氧得到改善，從而增強碳點的光動力治療效果。經(jīng)過與DSPE-PEG組裝后，該組裝體能夠用于小鼠體內(nèi)的近紅外熒光成像(發(fā)射峰在745 nm)，最終可以實現(xiàn)熒光/磁共振成像介導(dǎo)的改善腫瘤乏氧的光動力治療。此外，武漢大學(xué)張先正課題組在自然界光合作用的基礎(chǔ)上提出了一種通過光分解水產(chǎn)生氧氣的策略來解決腫瘤的乏氧[89]。他們在C3N4上負(fù)載碳點來增強材料在紅光區(qū)域的吸收，這能夠使得水在紅光的照射下分解產(chǎn)生氧氣。之后將含有原卟啉光敏劑的PEG與C3N4/碳點共組裝，實現(xiàn)了改善腫瘤乏氧的光動力治療。

圖9 MnO摻雜的碳點用于熒光/磁共振成像介導(dǎo)的改善腫瘤乏氧的增強光動力治療示意圖[40]

最近，針對腫瘤微環(huán)境的化學(xué)動力學(xué)治療也引起了研究者們的關(guān)注。化學(xué)動力學(xué)治療是指芬頓或類芬頓試劑(Fe，Cu，Co，Mn等離子)在腫瘤的弱酸性及H2O2過表達(dá)的條件下，利用芬頓反應(yīng)將H2O2轉(zhuǎn)化為高毒性的·OH，在所有的ROS中，·OH的毒性最強，從而能夠有效地殺滅癌細(xì)胞[79,90]。碳點的結(jié)構(gòu)特點使得其能夠有效地負(fù)載金屬離子，因此其在化學(xué)動力學(xué)治療中有非常大的潛力。例如，林恒偉課題組以檸檬酸、聚乙烯亞胺為前驅(qū)物，甲酰胺為溶劑，采用溶劑熱的方法制備了表面帶有氨基的碳點；之后將小分子光敏劑Ce6接枝到碳點表面賦予碳點光動力治療的特性；最后利用Cu2+與碳點絡(luò)合，制備了具有GSH響應(yīng)型的納米組裝體Cu/CC NPs(圖10(a))[91]。摻入的Cu2+能夠與GSH反應(yīng)消耗GSH，之后使得Ce6光敏劑的熒光恢復(fù)，并且Cu+可以與過氧化氫反應(yīng)產(chǎn)生·OH殺傷癌細(xì)胞。GSH消耗后會使得癌細(xì)胞對活性氧物種更加敏感，細(xì)胞更容易死亡，從而有利于提高腫瘤的光動力與化學(xué)動力學(xué)治療效果。最終實現(xiàn)了GSH響應(yīng)型的化學(xué)動力學(xué)/光動力/光熱協(xié)同治療效果(圖10(b))。

圖10 (a)Cu/CC NPs制備示意圖[91];(b)Cu/CC NPs用于GSH響應(yīng)型的化學(xué)動力學(xué)/光動力/光熱協(xié)同腫瘤治療[91]。

細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激水平對細(xì)胞的生存狀態(tài)具有關(guān)鍵性的影響，破壞細(xì)胞內(nèi)的氧化還原穩(wěn)態(tài)能夠殺滅癌細(xì)胞。清華大學(xué)李景虹課題組和國家納米科學(xué)中心梁興杰團隊合作，以檸檬酸與多烯多胺為原料，制備了表面帶氨基的藍(lán)光碳點，之后在碳點上成功負(fù)載了原子分散的Au，并在碳點表面修飾了肉桂醛與三苯基膦，制備了具有靶向線粒體的腫瘤治療碳點基納米材料mitoCAT-g[92]。修飾的三苯基膦能夠賦予該碳點線粒體靶向的功能，材料進入線粒體后，原子分散的Au能夠結(jié)合GSH，GSH損耗會提高線粒體內(nèi)的氧化應(yīng)激水平，肉桂醛能夠產(chǎn)生活性氧物種，進一步提高了線粒體內(nèi)的氧化應(yīng)激程度損壞線粒體，引起癌細(xì)胞死亡，相關(guān)活體實驗結(jié)果表明該碳點具有良好的腫瘤治療效果。該工作進一步拓展了碳點在腫瘤治療中的應(yīng)用，為碳點類材料治療腫瘤提供了新的思路。

5 總結(jié)及展望

近幾年來，碳點在腫瘤治療研究領(lǐng)域中發(fā)展迅猛，但仍處在起步階段，離實際臨床應(yīng)用還有很大差距。

(1)盡管碳點具有優(yōu)異的光學(xué)特性以及治療性能，但是相較于小分子明確的結(jié)構(gòu)，碳點的成分結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其由內(nèi)部的sp2雜化碳核與表面功能性官能團組成，因此難以清晰地確定碳點的結(jié)構(gòu)。并且碳點的發(fā)光機制眾說紛紜。碳點內(nèi)部結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系不明確極大地限制了碳點在生物醫(yī)學(xué)中的進一步應(yīng)用。

(2)碳點的大批量穩(wěn)定制備以及表面結(jié)構(gòu)調(diào)控依然是一個極具挑戰(zhàn)性的難題。為了解決上述問題，需要不斷探索發(fā)展新的制備方法，發(fā)展新的表征技術(shù)手段，進一步揭示碳點結(jié)構(gòu)與其診療特性的關(guān)系。

(3)碳點在生物體內(nèi)的分布、安全性、體內(nèi)代謝、作用機制、降解以及長期毒理學(xué)分析等需要解決的重要問題仍存在。

(4)目前用于光療的碳點其發(fā)射/吸收波長多為紅光或者紅外光(600～950 nm)，需要發(fā)展具有更長波長吸收或發(fā)射的碳點，進一步提高組織穿透深度，不斷拓展碳點在腫瘤光診療中的應(yīng)用。例如，發(fā)展在近紅外二區(qū)(1 000～1 400 nm)具有吸收或發(fā)射特性的碳點，或具有雙光子、三光子吸收特性的碳點。

(5)具有靶向癌細(xì)胞功能的碳點不僅能夠增加癌細(xì)胞對該類材料的攝取，從而提高腫瘤治療效果；同時也可以指導(dǎo)手術(shù)切除腫瘤范圍的選擇、術(shù)后治療效果的評定，降低腫瘤復(fù)發(fā)率。因此，開發(fā)具有靶向腫瘤細(xì)胞功能的碳點同樣是至關(guān)重要的。

(6)腫瘤微環(huán)境響應(yīng)型碳點的開發(fā)已經(jīng)取得了相關(guān)研究進展。但是，針對腫瘤微環(huán)境特點，設(shè)計制備具有多重特性的碳點用于腫瘤的磁動力、聲動力、微波動力或化學(xué)動力學(xué)治療仍然面臨很大的挑戰(zhàn)。

雖然碳點在腫瘤診療中面臨眾多挑戰(zhàn)，但是隨著生物學(xué)、化學(xué)以及納米醫(yī)學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，上述問題都將會逐步得到解決，最終有望在臨床上實現(xiàn)碳點對腫瘤的早期診斷與治療。

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