TrAC Trends Anal Chem:碳点在引导成像诊疗应用中的研究进展

生物医药技术 成像诊疗技术
秦川    2021-01-07    358

  背景介绍

  碳点作为一种新类型的碳基荧光纳米材料以其独特的成像特性、高载药量和低毒性等优点越来越受到人们的关注,成为引导成像诊疗领域最具吸引力的候选材料之一。碳点具有良好的光学性能,发射波长从紫外一直延伸到近红外。与此同时,碳点在多模式成像中也显示出巨大的潜力。通过在碳点中掺杂钆离子(Gd3+)或锰离子(Mn2+),可以很容易地将荧光和磁共振成像集成到碳点纳米颗粒中。考虑到碳点具有良好的光稳定性和高量子产率,碳点能够作为多功能荧光探针可以很好地用于成像引导的诊疗应用。

  近期,西南大学黄承志教授课题组结合其课题组近年的研究,综述了碳点在引导成像诊疗应用中的研究现状,相关成果以“Recent advances of carbon dots in imaging-guided theranostics”为题发表在国际化学权威杂志Trends in Analytical Chemistry上。

  DOI: 10.1016/j.trac.2020.116116

  研究的主要内容介绍

  在本文中,作者首先概述了肿瘤细胞的成像分析,包括单模式成像和多模式成像;随后,作者讨论了碳点在成像辅助药物递送系统中的应用;最后,作者重点介绍了碳点在引导成像光热治疗(PTT)和光动力治疗(PDT)方面的最新进展。

  优越的荧光发射是碳点单模式成像的基础。不同光源对组织的穿透能力明显不同。长波长发射,尤其是近红外光,因其穿透性强、对组织损伤小等优点而备受关注。目前,通过调节表面官能团或碳核尺寸,可以得到一系列发射从紫外到近红外的不同碳点。为了提高诊断的有效性和准确性,迫切需要制备具有多模式成像能力的碳点。碳点常用的多模式成像主要有荧光/磁共振双模式成像和荧光/光声双模式成像。

  基于碳点的药物递送系统设计为开发靶向和引导成像结合的癌症治疗诊疗前体药物提供了策略。碳点的荧光可用于实时追踪药物运动,并提供关于药物在肿瘤细胞中如何传递和激活的明确信息。同时,基于碳点的药物递送系统比游离药物如Sur-siRNA、阿霉素和顺铂(IV)前药具有更好的抑癌性能。因此,基于碳点的靶向药物载体通常显示出增强的治疗效果以及可忽略的细胞毒性或全身副作用。

  近年来,PTT已成为一种很有前途的癌症辅助治疗方法。原理上,PTT的实施需要一种近红外吸收剂来诱导不可逆的细胞损伤甚至癌细胞死亡。作为光触发剂,近红外光具有更深的组织穿透性和较低的光毒性。例如,与常用的980 nm近红外光相比,808 nm的近红外光具有最小的水过热效应。尤其是引导成像的PTT,不仅可以准确识别肿瘤大小和位置,而且可以实时监测特定区域的治疗效果,以便更好地进行干预,提高治疗效果。

  PDT因其副作用少、创伤小、光毒性小、耐药性低而受到越来越多的重视。与传统的癌症治疗方法相比,PDT对边缘组织的损伤更小。在PDT中,光敏剂积聚在肿瘤组织中,随后通过特定波长的光照射产生活性氧,进一步诱导细胞死亡和近端组织坏死。碳点具有高溶解度、良好的化学惰性、易修饰、高抗光漂白性能,特别是其大的双光子吸收截面,在成像引导的PDT中得到了很好的应用。

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  小结

  碳点作为一种新型的碳基发光纳米材料,由于其性质独特,在肿瘤治疗中具有巨大的潜力。碳点在肿瘤治疗中的作用,主要包括成像、药物传递、PTT和PDT。从紫外到近红外区的全颜色荧光发射使碳点具有成像引导的肿瘤治疗能力,从而能够有效地实时跟踪碳点药物载体的分布和释放。另外,掺杂Mn、Gd等杂原子可以赋予碳点优良的生物降解性,实现碳点在体内的无创磁共振成像。碳点表面富含多种化学基团,容易与核酸、蛋白质等靶向配体结合。原则上,纳米材料的靶向性是实现肿瘤靶向治疗的关键。因此,靶向配体修饰的碳点可以特异性地将药物传递到癌细胞膜或细胞内部,从而达到靶向治疗肿瘤的目的。与此同时,碳点的高比表面积使其具有较高的载药量,从而表现出更强的抗癌能力。最后,碳点的小尺寸(通常小于10 nm)保证了最终药物载体的总体尺寸较小,这有助于它们在组织中的导航、内吞作用和细胞内转运。

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