澳大曲松楠Responsive Mater.综述：光响应碳点在肿瘤治疗中的研究进展

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近年来，光疗因其多功能性、时空可控性、无耐药性和对健康组织的损害较小而在肿瘤治疗中受到广泛关注。碳点 （CDs） 因其制备简单、易于表面改性、能带可调、优异的光电和光热转换性能以及良好的生物相容性被认为是很有前途的光疗剂。先前报道的光响应CDs用于肿瘤治疗主要基于光热疗法（PTT）和光动力疗法（PDT）。最近，基于光催化材料的肿瘤治疗引起了研究人员关注，基于CDs的光催化性能用于肿瘤治疗也有一些最新的报道。然而，光响应CDs用于肿瘤治疗的机制及其在肿瘤治疗中的最新研究进展缺乏全面的总结。

基于此，澳门大学曲松楠教授课题组阐述了光响应CDs用于肿瘤治疗的机制并总结了其在肿瘤治疗中的最新研究进展，并讨论了光响应CDs用于肿瘤治疗的主要挑战以及克服这些挑战的策略。相关成果以“Recent advances in photo-responsive carbon dots for tumor therapy”为题发表在东南大学和Wiley联合创办的期刊“Responsive Materials”上。第一作者为重庆交通大学讲师张蕙琦和澳门大学博士生刘钰鹏。

图1.全文结构。

PTT和PDT的机制如图1a所示。当用适当波长的光照射光热剂时，电子从基态（S₀）到激发单线态（S₁） 并跳回 S₀通过两种潜在途径释放热量：（1）电子从S₁通过非辐射弛豫返回至 S₀，能量以热量的形式释放;（2）电子从S ₁通过系间窜越（ISC）到激发三重态（T₁）。然后从T₁通过非辐射弛豫返回至 S₀，能量以热量的形式释放。PTT利用了这一过程中产生的热量。对于 PDT，当用适当波长的光照射光敏剂时，电子从S₀到激发单线态S₁，然后从S₁通过ISC到T₁。在I型PDT中，光敏剂与周围底物（例如细胞膜或分子）之间发生电子或氢离子转移以形成自由基，自由基与氧相互作用产生ROS。在 II 型 PDT 中，单线态氧的产生与能量转移过程有关。通常，大多数 PDT产生 ROS被认为是通过II 型机制，因为它比I型机制更容易发生。并且缺氧的肿瘤微环境限制了耗氧的II型PDT在临床上的使用。

光催化材料用于肿瘤治疗的机理如图1b所示。光催化材料可以在光辐射下吸收光子，引发或促进化学反应。通常，光催化过程包括三个阶段：（1）光催化材料在光激发时吸收光子，促使电子（e−）从价带（VB）转移到导带（CB）。（2）光激发后，光生电子和空穴分离并迁移到表面存在的反应位点。（3）电子被转移到表面的反应位点，发生还原反应，而空穴则发生氧化反应。用于肿瘤治疗的光催化过程分为光生电子诱导还原的过程和光生空穴诱导氧化的过程。通常，氧分子被光生电子还原，形成超氧自由基。光生电子也可以通过还原氢离子来产生氢分子。此外，光生电子可以减少肿瘤细胞中过量的H₂O₂，产生•OH。上述过程中光生电子产生的ROS和氢分子会导致肿瘤细胞死亡。在某些系统中，光生电子不会直接在肿瘤细胞内产生ROS，而是被光催化剂捕获，通过消耗光生电子来延长光生空穴的寿命。最近的研究表明，光生空穴通常在PCT中起着更为关键的作用，其强的氧化电位可以直接诱导肿瘤消除。此外，光生空穴的强氧化能力可以直接氧化水分子或OH⁻产生•OH。过量的H₂O₂在肿瘤微环境中通过光生空穴氧化为氧气，抑制DNA损伤的自我修复，从而增强光损伤的作用。Yang 等人还报道了光生孔介导的一氧化氮产生用于缺氧肿瘤治疗。这些过程不依赖于氧气和H₂O₂浓度，有助于在缺氧肿瘤微环境中的实际应用。

光响应CDs可以在肿瘤治疗中通过多种机制起作用，这些特性的协同作用可以发挥更重要的作用。

图1：(a) 光热疗法、光动力疗法和 (b) 光催化疗法的机制示意图。

光响应 CDs用于肿瘤治疗主要包括 PTT、PDT 和 PCT。由于最近碳点在PTT中的最近进展已有综述报道，本文主要总结了光响应 CDs在PDT和PCT的最新研究进展（表1）。

表1. 光响应CDs及其应用的总结。

2.1 光响应CDs用于PDT

CDs可以作为I型或II型光敏剂用于PDT，也可以与已知的光敏剂复合用于PDT。由于近红外光的穿透性深、生物背景荧光低、激发光损伤小等特点，近红外光响应CDs用于PDT引起了研究者的广泛关注。Zheng等人报道，Ce6和聚乙烯亚胺（PEI）在N，N-二甲基甲酰胺（DMF）中的溶剂热法合成的CDs在685 nm激发下实现了近红外长余辉成像和PDT，如图2a-d所示。Ge等人报道了在褐藻素的DMF中微波法合成的无金属CDs，用DSPE-mPEG2000修饰以提高亲水性，在671 nm激发下为PDT生成单线态氧，如图2e所示。Zhao 等人报道了由赖氨酸、邻苯二胺和硫酸采用溶剂热法合成的 S,N-CD，在 660 nm 激发下产生单线态氧和热量，用于协同 PDT/PTT，如图 2f-i 所示。近日，王和钱等人还报道了基于CD的近红外光诱导注射水凝胶也用于PDT。

图2. 近红外CDs在PDT中的应用。

此外，由于肿瘤微环境的乏氧特性，对氧气含量依赖性较小的I型PDT是近年来的研究重点。Wang等报道，在635 nm激光照射下，采用溶剂热法从贯叶连翘提取物中合成的线粒体靶向的RCDs用于I型和II型PDT。RCDs的碳核通过I型PDT产生超氧阴离子，表面的C=O和吡啶N有助于通过II型PDT产生单线态氧，如图3a所示。Wei等人报道了一种无金属I型光敏剂， N掺杂CDs/介孔二氧化硅纳米颗粒纳米杂化物（NCDs/MSN），具有类过氧化物酶（POD）活性，用于在640 nm光照下协同I型PDT和酶活性处理， 如图3b，c所示。

图3. CDs在I型PDT中的应用。

2.2 光响应CDs用于PCT

由于 Cai 及其同事使用了 TiO₂光杀伤恶性HeLa细胞，光催化材料在肿瘤治疗中的应用受到广泛关注。CDs作为一种具有优异光学性能的新型光催化剂，在光降解、光催化制氢、CO₂转换，N₂固定和光化学合成等各种应用中显示出巨大的潜力。此外，CD具有良好的生物相容性和水溶性，在生物学领域尤其是PCT领域具有广阔的应用前景。目前CDs的光催化性能在肿瘤治疗中应用研究已经有了一定的进展。在本节中，综述了光催化CDs的合成、性质、机理和在PCT中的应用将用于PCT的CDs分为三种类型：CDs/半导体复合材料、金属掺杂CDs和无金属CDs。

2.2.1 CDs/半导体复合材料

CDs具有独特的光电性能、广泛的光吸收和良好的生物相容性，但是CDs的光催化性能通常不如半导体等传统光催化剂。将CDs与半导体光催化剂（例如，TiO₂、g-C₃N₄、ZnO和CdS）复合，可以有效地增强其在可见光和近红外范围内的吸收，并解决光生电子和光生空穴的快速络合的问题，是提高光催化性能的有效方法。（图4）

图4. 聚-L-精氨酸（ArgCCN）修饰的CDs掺杂 g- C₃N₄的复合物，在660 nm激发下产生空穴，诱导精氨酸产生NO用于缺氧微环境的肿瘤治疗。

近年来，CDs作为类过氧化物酶 （POD）因其催化羟基自由基生成的能力而受到关注。Guo及其同事通过石墨烯量子点/半导体聚合物（GQD-SPNs）开发了纳米复合材料，用于光热增强的PDT，如图5所示。SPNs由聚[2-甲氧基-5-（2-乙基己氧基）-1,4-亚苯基乙烯]（共轭半导体聚合物）、IR780（一种近红外染料）和PEI通过纳米沉淀复合组成。

图5. (a) GQD-SPNs的合成图。(b) 光热增强对GQD-SPNs/纳米酶介导的催化癌症治疗的潜在协同效应示意图。

2.2.2 金属掺杂CDs

除CDs/半导体复合物外，纯CDs也已应用于光催化肿瘤治疗。纯 CDs 包括掺杂金属掺杂CDs和无金属 CDs。一般来说，CDs的光催化性能可以通过掺杂金属来增强，并且某些金属的固有性质有利于肿瘤治疗。将金属引入CDs可能会诱发缺陷或改变CDs的结晶度，改变电荷密度，影响光生电子和空穴的相互作用，从而影响物理化学和催化性能。掺杂金属作为电子或空穴的势阱可以延长载流子的寿命，而掺杂金属作为电子或空穴重建的中心可以加速载流子复合。因此，掺杂对光催化的影响因所涉及的金属元素和催化剂的类型、数量和性质而异。此外，掺杂金属元素有助于吸附与纯CDs具有不同电负性的反应物，改变其电中性并诱导电荷转移形成活性位点。关于金属掺杂对CDs的光生电子传递和催化活性增强的报道已经有一些报道。Chen及其同事使用碲胱氨酸通过水热法开发了碲掺杂碳量子点（Te-CDs）。Te-CDs可以在808nm激光照射下产生羟基自由基以诱导肿瘤细胞死亡，同时清除过氧化氢以在环境条件下保护细胞（图6）。这项工作提出了一种新型的双功能CDs，具有在不同条件下调节ROS的潜力。

图6. 碲掺杂碳量子点（Te-CDs）在808nm激光照射下产生羟基自由基以诱导肿瘤细胞死亡。

金属的固有特性有利于CDs在肿瘤治疗中的应用。铂类（Pt）抗肿瘤药物是临床上最常用的化疗药物之一。Guo及其同事报道了一种由邻苯二胺和氧铂通过溶剂热处理在DMF中衍生的Pt（IV）配位CDs（Pt-CDs）。Pt-CDs在可见光下具有优异的光催化性能。光生电子原位将毒性较小的Pt（IV）还原为高细胞毒性的Pt（II），而光生空穴氧化氢氧根，通过水溶液酸化生成•OH（图7）。它在肿瘤小鼠模型中消除原发性肿瘤、抑制远处肿瘤生长和肺癌转移方面显示出优异的效果。

图7. (a) 589 nm激光照射下Pt-CDs的制备及化学结构变化示意图。(b) Pt-CDs在水介质中光催化过程的机理。(c) 不同条件下Pt- CDs的Pt释放曲线。(d) 含DMPO的Pt-CDs在暗处和激光照射下的ESR光谱。(e) 不同条件下4T1肿瘤的原发肿瘤和 (f) 远处肿瘤体积。

近年来，具有可调催化效率的金属基人工酶由于其独特的等离子体纳米结构，已经证明能够有效吸收从紫外（UV）到近红外波长的光谱中的光子。因此，人工酶可以作为PCT的光催化材料。在之前的一项研究中，铁、铜、锰和钒等金属离子也表现出类POD的活性。此外，金属/CDs复合纳米材料也已显示出类POD活性，催化过氧化氢的分解以诱导氧化或产生羟基自由基。Li及其同事合成了具有核壳结构的Au@CDs纳米复合物。如图8所示，Au@CDs在近红外光下表现出可调谐的类POD和类谷胱甘肽（GSH）氧化酶活性。与单个Au NPs相比，Au@CDs NPs的Au核和CDs壳增强了Au和CDs之间的电荷转移效应，从而增强了催化性能和表面增强的拉曼散射。此外，在808 nm辐照下，Au@CDs NPs表面等离子体共振诱导的光热效应促进了过氧化氢对•OH的光催化诱导。这一过程导致GSH消耗，从而增加了瘤内氧化应激并抑制了肿瘤生长。

图8. (a) 在PVP水溶液中灌胃注射CDs之前（左）和之后（右）小鼠胃的体内NIR荧光图像。经许可转载。b) 在不同时间点静脉注射 CD 后小鼠肿瘤的 NIR 荧光图像。c) 在不同注射后时间点从小鼠身上解剖的 H22 肿瘤和在注射CDs后 3 小时从小鼠身上解剖的主要器官的 NIR 荧光。

Qi及其同事报告了CDs修饰的Ag/Au纳米壳（CAANSs）充当纳米酶，光催 化过氧化氢产生氧气，过氧化氢又光催化氧气产生超氧阴离子，用于光热增强的PCT，如图9所示。

图9. (a) CDs修饰的Ag/Au纳米壳(CAANSss)作为光热剂和光催化剂在肿瘤微环境中协同治疗的示意图。(b) 808 nm辐照下CAANSs生成超氧阴离子的光催化机理。(c) 808 nm激光照射后，用CDs、Ag/Au NSs和CAANSs处理的细胞进行活/死活力测定。(d-f)不同荧光探针下，与CDs、Ag/Au NSs和CAANSs孵育的HeLa细胞的荧光成像照片。(g) 近红外辐照下不同条件下CAANSs的ESR光谱。(h) H₂O₂存在下CAANSs产氧。

综上所述，掺杂金属可以提高CDs的光催化性能，有利于其在PCT中的应用。

2.2.3 无金属CDs

尽管金属掺杂CDs在PCT中显示出巨大的潜力，但金属的掺杂增加了生物安全风险并阻碍了临床转化。因此，探索适用于PCT的无金属CDs已成为研究的重点。Chong等人报道了无金属的GQDs在光照下产生具有强氧化性能的超氧自由基、单线态氧和羟基自由基，如图10所示。如图10d所示，4-oxo-TEMP作为单线态氧的自旋阱，通过测试分别添加超氧阴离子清除剂（SOD）和单线态氧清除剂（NaN₃）的GQDs+4-oxo-TEMP的ESR光谱图说明了单线态氧是通过能量转移和电子转移途径产生的。这项工作展示了CDs在PCT中的潜力。

图10. (a) 无光和光诱导下碳点消耗和产生活性氧的可能机制示意图。(b, c, e-g) 添加不同自旋阱的GQDs在光照下的ESR光谱，证明了活性氧、电子、空穴和碳中心自由基的生成。(d) GQDs+4-oxo-TEMP分别加入超氧阴离子清除剂（SOD）和单线态氧清除剂（NaN₃）光照射下的ESR光谱强度图。

由于蓝光对组织穿透能力有限，开发在可见光到近红外光诱导下具有光催化性能的无金属CDs用于PCT具有重要意义。杂原子掺杂（氮、硫、硼、磷和氟等）和表面结构功能化可以有效增强CDs在可见光到近红外光范围内的光催化性能。表面基团类型和位置会显著影响CDs的特性。在CDs中引入常见配体，如氨基、羧基和羟基，无论是在合成过程中还是通过后处理共价/非共价修饰，可以增强发光和光催化，并可用于传感、抗菌、生物成像和肿瘤治疗。Wang等人采用水热法以酒石酸和3-氨基苯酚为原料，在可见光照射下产生光生电子，将氧还原为超氧自由基，导致细胞死亡。

CDs的表面基团（例如-C=O和-COOH）使能带向上弯曲，从而提供更大的内部电场。这一特性促进了电子-空穴对分离，加速了载流子迁移，从而增强了光催化活性。Zhang及其同事制备了具有表面吸电子吡啶N和C = O基团的生物相容性无金属CDs用于可见光诱导的PCT和抗菌（图10）。CDs的表面吸电子结构捕获了光生电子，阻止了电子-空穴对的复合。因此，剩余的具有强氧化能力的光生空穴将水分子氧化生成具有强细胞毒性的•OH，用于PCT。

图11. (a) 可见光照射前后CDs可能的表面结构示意图。(b) 不同条件下CDs + DMPO的ESR谱。KI作为光生空穴牺牲剂。(c) 不同处理后4T1细胞的细胞活力。异丙醇作为羟基自由基牺牲剂。(d) 不同处理后耐四环素大肠杆菌菌落形成单位统计。(e) CDs在水介质中可能的光催化机理示意图。(f) 不同处理小鼠肿瘤生长曲线。

构建氧相关缺陷是开发在可见光到近红外光诱导下具有光催化性能的无金属CDs的方法之一。Zhang及其同事通过2-碘氧基苯甲酸（IBX）氧化CDs合成了具有氧缺陷的ox-CDs，在730 nm激光激发下在肿瘤周围前哨淋巴结小鼠中实现了体内近红外荧光成像，并在白光LED和730 nm激光下实现了光热增强PCT，如图12a，b所示。IBX氧化诱导了CDs的近红外吸收和发射，ox-CDs的氧缺陷可以捕获光生电子，有助于光生载流子的有效分离，在表面留下强氧化的光生空穴，生成•OH用于PCT。

图12. (a) IBX氧化的CDs的化学结构变化的可能示意图。(b) 近红外激发下ox-CDs发光机理和可见光激发下光催化机理的可能示意图。(c) 不同光照条件下ox-CDs水溶液的ESR谱图。(d) 不同处理（光源和牺牲剂）、IPA 和 KI 分别作为羟基自由基和空穴后的细胞活力。(e) 不同时间被IBX氧化的CDs的ESR谱图。(f) 不同治疗后小鼠的肿瘤体积变化曲线。

此外，Lin和Wei等人还报道了无金属CDs在光催化系统中催化分解H₂O₂产生羟基自由基的能力，实现了更好的肿瘤细胞杀伤和抗菌效果。

综上所述，无金属CDs因其良好的生物相容性，在生物医学应用中具有很大的优势，相关报道证明了无金属CDs在PCT方面的巨大潜力。

光疗作为一种高效、微创、时间和空间可控的肿瘤治疗方法已被广泛研究。CDs具有良好的紫外-可见-近红外吸收特性、良好的光响应特性和良好的生物相容性，是用于光疗的理想材料。本文在总结研究进展的基础上，还分析了光响应CDs用于肿瘤治疗的发展面临的挑战，并提出了几种可能的解决方案。

（1）常用的含金属光疗剂引起了长期的生物安全问题。此外，用于光疗的可见光穿透深度有限，这使得它很难到达深层组织。因此，开发具有优异光热转换、光动力和光催化性能的近红外光响应型无金属CDs对肿瘤治疗至关重要。

（2）光催化CDs为肿瘤治疗提供了新的方法。然而，具有光催化性能的CDs在肿瘤治疗领域还需要更深入的研究和应用。许多CDs具有优异的光催化性能，但仅用于有机染料降解或体外细胞研究等领域，在体内肿瘤治疗中的应用尚未得到很好的发展。开发具有丰富的表面吸电子基团或内核缺陷的无金属CDs可以增强其捕获光生电子的能力，从而抑制电子-空穴对的重组，有利于实现高效PCT。

（3）除了光热、光动力和光催化性质外，CDs还经常表现出对肿瘤治疗有益的其他特性，如主动/被动靶向肿瘤、易于表面修饰等。充分利用CDs的这些特性，有利于提高其治疗效果。

（4）在研究人员将CDs用于临床目的之前，他们需要考虑其安全性、消除途径、降解时间、对生物体的干扰以及作用机制。光响应CDs诱导的肿瘤免疫是当前研究的一个趋势，需要进一步深入研究。

目前，光疗已经在皮肤病和浅表肿瘤的临床治疗中发挥着重要作用。我们相信，随着进一步的研究，基于光响应CDs的肿瘤治疗也可能应用于临床医学。总体而言，基于光响应CDs为战胜癌症提供了新的机会。

文献链接：

https://doi.org/10.1002/rpm.20240012