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研究背景
纳米医学是纳米粒子在医学中的应用，是21世纪的新技术。该领域的最新进展旨在解决常规医学的缺点，克服常见的医学挑战，包括靶向性差、生物相容性低以及药物副作用引起的细胞和器官毒性。尺寸从1纳米到100纳米的纳米粒子已经广泛应用于医学应用，主要用于疾病治疗、药物输送、抗菌应用和光疗。
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研究起点
碳点在人体内具有较好的化学稳定性和相对较长的系统周期。它们是具有生物医学应用潜力的重要荧光碳基纳米材料。它们的尺寸小于10纳米，具有良好的水分散性，并且可以容易地官能化以增强已经优异的光学性能。与半导体量子点相比，硫化镉具有更高的耐光漂白性、更好的生物相容性和更低的毒性。发射波长取决于尺寸、结晶度和表面化学性质。光盘可以产生可靠的光信号，并可以快速从体内取出。
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全文概述
近日，郑州大学卢思宇课题组对CDs在纳米医学研究中的最新进展进行了全面综述。涵盖的主题包括硫化镉的制备和功能化，并强调了一些关键应用，如抗菌应用、化疗和光疗。最后，讨论了基于CDs的纳米医学研究面临的挑战和前景。相关成果发表在《配位化学评论》上，标题为碳点作为纳米医学的一个新门类:机遇与挑战。
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图解分析
碳点的制备
在过去的十年中，已经提出了许多制备光盘的方法。这些方法主要分为“自上而下”和“自下而上”，可以在准备或后处理时修改。自上而下的过程包括通过化学、电化学或物理手段将较大的碳结构分解或裂解成较小的碳结构。后者是通过有机小分子的热解或碳化或芳香小分子的逐渐化学融合来实现的。选择的前驱体和合成方法通常决定了硫化镉的物理和化学性质，如荧光特性、量子产率、胶体稳定性、生物相容性、水分散性和氧/氮含量。同时，CDs表面含有许多缺陷位点，如自由基、非辐射态和悬空空键。这些缺陷可能导致光稳定性差和QYs低。表面改性是控制特定应用材料表面性能的有效方法。在硫化镉表面引入一层薄钝化层可以显著提高光稳定性和量子效率。
图1碳点的制备和表面改性
纳米医学应用
CDs的出现为多种疾病的同时检测和治疗提供了新的可能和方法。许多纳米材料已被用于治疗多种疾病。它们充当疫苗载体和试剂，向免疫系统输送治疗药物。然而，目前的治疗方法仍有许多缺点，如不能破坏所有癌细胞，放化疗毒副作用严重。已经做出了许多努力来提供靶向抗癌药物和选择性杀死癌细胞。光盘具有许多有用的电学和光学特性。通过制备不同表面电荷的CDs可以选择性杀死细菌。同时，由于CDs的大小与生物体相当，因此可以在生物环境中使用。它们可以通过内吞作用运输细胞膜。因此，CDs可以作为生物制药和小分子药物的载体，从而实现了纳米医学中的许多创新方法。此外，增强的通透性和滞留效应也使CDs容易进入病灶，使其在癌组织中选择性蓄积，使其浓度远高于周围健康组织。CDs因其对近红外光的高吸收率或产生单线态氧和ROS，可通过激活植入的光敏剂消融癌细胞，可用于光热治疗和光动力治疗。
抗菌的
CDs可以抑制细菌的生长，甚至通过复杂的机制杀死细菌。硫化镉的抗菌能力可能与表面电荷和活性氧的产生有关。这些促进了细胞结构基因组DNA的分解、片段化和浓缩，导致胞质渗漏。一些硫化镉具有宽而强的发射光谱，有助于增强抗菌和抗真菌活性。这些CDs能有效抑制大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌等多种细菌的生长，因为它们在扩散进入细菌时会破坏细菌壁，扰乱DNA/RNA的二级结构，抑制重要基因的表达。
图2碳点的抗菌应用
化疗。
化疗需要在特定的时间内将纳米药物输送到特定的部位。研究人员和医疗从业者已经通过药物输送开发了多种化疗系统。由于其粒径小、制造工艺简单、纯化技术可用、药物缓释特性等突出特点，CDs已成为一种优秀的化疗工具，为治疗分子的转运提供了一种有前途且有效的替代方法。表面功能化方法可以用抗癌药物顺铂、阿霉素和抗炎药物进行修饰。同时，CDs可以大大提高疏水性小分子药物的水溶性，促进其在肿瘤常见酸性条件下的释放。此外，CDs还可以作为支架，帮助肽、蛋白质等生物制剂通过内吞作用进入细胞。由于EPR的存在，CDs容易在肿瘤中积累，有助于将载药分子转移到癌组织中。
图3碳点化疗给药系统
光热疗法
PTT使用光热剂通过转换光子吸收的能量来产生热量，这可以将温度局部升高到40℃以上，从而杀死肿瘤细胞。为了在体内获得高的治疗效果和光热转换效率，需要高消光系数的光敏剂和近红外区的强光照射。CDs作为光热剂很有吸引力，因为它含有很多π电子，其行为类似于金属纳米材料的自由电子。它们通过EPR效应在肿瘤中选择性聚集，位于红色至近红外区域。具有生物透明度的窗口显示出极高的固有吸光度。然而，硫化镉通常在红色至近红外区域显示出低吸收系数，这表明PTT需要更高的激光照射功率密度。尽管存在这些缺点，但与PTT中使用的其他纳米材料相比，硫化镉仍然具有良好的光稳定性、高水分散性和生物相容性。适当修饰表面，防止被免疫系统发现，可以大大增加CDs在体内的保留时间。
图4碳点的光热处理
光动力治疗
PDT依靠光敏分子产生的1O2或ROS来杀死癌细胞。PDT主要有三个组成部分:产生ROS的光源、光敏分子和存在于三重组织中的分子氧。2012年，首次证实了CDs对癌细胞的光动力细胞毒性。从那时起，具有光动力疗法固有特征的光盘引起了相当大的关注。CDs基PDT通常有两个过程，其中三重态光敏剂的能量转移到分子氧上形成高活性的1O2，这是最常见的反应类型。关于ⅰ型过程的报道很少，它能产生高活性的过氧化物或超氧化物来破坏癌细胞。
图5碳点的光动力治疗
碳点的毒性
虽然硫化镉在纳米医学中的应用前景广阔，但需要考虑硫化镉与生物系统相互作用带来的潜在风险。理想情况下，一旦光盘被交付用于特定的医疗目的，光盘应执行其所需的功能，然后被排出体外，没有任何有害影响。因此，有必要从毒理学的角度综合分析不同类型CDs的毒性。为了在体外评价细胞毒性，通常使用一些重要的生化指标，如氧化应激、DNA损伤、细胞增殖、凋亡和坏死来充分解释CDs与细胞培养物的生物相容性。引入的外来分子或物质的不同给药方式可能显著改变生理反应，影响药代动力学，是指引入物质在机体内外吸收、滞留、代谢、分布、排泄和相互作用的时间尺度和归宿。
图6碳点的毒性
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总结与展望
目前，CDs纳米医学相关学科蓬勃发展，其及时、快速、有效的诊断方法为疾病治疗提供了新思路。在这里，我们为未来的研究提供了一些令人兴奋的方向。
快速发展:光盘的研究论文和应用数量不断增加，证明光盘引起了人们极大的兴趣。CDs吸引人们关注的主要原因是许多廉价易得的起始原料和常规的大规模简单合成方法。这是一把双刃剑。一方面，硫化镉的合成方法比其他纳米粒子简单。这允许开发许多不同类型的光盘，因此对光盘进行了更多的研究。另一方面，这种快速发展也给这一领域带来了一些困惑和困难，尤其是在制备具有特殊生物功能的光盘时。
可控制备:最近的研究表明，合成的硫化镉并不纯净，而是小分子、聚合物和硫化镉的复杂混合物。因此，纯化的CDs的光谱和生物学特性是不同的。与其他常见的生物医学纳米粒子不同，没有简单的方法来可控地制备硫化镉。因此，我们建议更多地关注光盘的制备。这些CDs应该在尺寸、形状、表面化学性质和纯度方面更好，以实现可预测的生物活性。
实时治疗:在纳米医学中，最显著的好处在于治疗的实现，这需要一种更简单的方法来结合治疗和诊断的功能。然而，关于这一主题的报道很少，由于它可以节省时间并实时评估患者，因此开发用于实时检测的治疗剂将具有很大的吸引力，具有很大的价值。
红光发射:迫切需要开发红色光盘。尽管在红色/近红外区CDs的激发和发射调控方面取得了重要成果，但对CDs的探索仍处于起步阶段。红色硫化镉因其渗透性强、对组织损伤小而受到广泛关注。在给药过程中，可以实时检测药物的位置。此外，红色CDs的高PCE可能更适合光热治疗和光动力治疗。
靶向给药:载CDs治疗药物的靶向给药值得关注，涉及对靶区过表达的各种细胞受体的分子识别。精确的定位可以减少偏离目标交付的机会。此外，仍有必要开发能够携带药物突破各种生物屏障的光盘。
脑研究:无论是用于无创脑成像，还是用于脑部疾病的治疗，脑研究逐渐成为纳米医学的重要方向。除了药物顺利通过BBB，无毒多功能CDs的开发还可以将高分辨率光学成像与大脑中的解剖成像模式相结合。这将允许直接可视化几种复杂的神经元路径和机制，以将光传播到各种神经系统过程。
基因治疗:另一个有希望的方向是干细胞纳米技术。特定基因的改变可以使干细胞去分化，诱导多能细胞。CDs介导的基因治疗可以实现特定基因的有效转移，从而改变干细胞途径。这种基因治疗可以使各种疾病的诊断和治疗在空之前发展。
毒性研究:由于日常生活中镉的暴露或使用越来越多，镉的毒性评估应在未来引起更多关注。此外，传统的动物模型，如斑马鱼和老鼠，可能不适应人类环境的复杂性。在适当的情况下，有必要研究非人灵长类动物的毒性，以便为其潜在的临床应用提供有用的信息。
文学链接:https://doi.org/10.1016/j.ccr.2021.214010
