基于阿魏酸和叶酸的多功能碳点的制备，用于靶向抗肿瘤治疗

碳点（CDs）作为新型纳米材料在肿瘤靶向治疗和成像中展现潜力。本研究以羟基酸（FEA）和叶酸（FA）为前驱体，通过水热法制备多功能碳点（mFF-CDs），利用其与叶酸受体（FR）的特异性结合实现肿瘤靶向。体外实验显示mFF-CDs对FR高表达HeLa细胞具有显著选择性，荧光强度比正常细胞高3倍，且抑制癌细胞增殖效果优于单一成分。体内实验证实其可有效抑制肿瘤生长并实现体内成像。该策略克服传统化疗药物毒性强、靶向性差的问题，为肿瘤诊疗提供新思路。

　　

胡瑞|侯琳|左禾|韩玉英|侯星宇|丁立新

中国佳木斯大学药学院，佳木斯154007

摘要

多项研究表明，与传统抗癌药物相比，碳点具有更好的生物相容性和更低的毒性。鉴于叶酸受体（FR）是癌症治疗的公认靶点，并且在多种癌细胞中广泛表达，我们利用阿魏酸（FEA）和叶酸（FA）作为前体，开发了一种多功能碳点。该设计旨在实现FA与FR的结合，从而实现肿瘤靶向治疗和成像。我们通过细胞活力测定、通透性测定和划痕测定验证了mFF-CDs对过表达FR的HeLa细胞的靶向治疗效果。此外，mFF-CDs在HeLa异种移植小鼠模型中有效抑制了肿瘤生长，并实现了体内成像。这些发现不仅有助于肿瘤诊断，还为靶向肿瘤治疗提供了创新策略。总体而言，这种策略有望克服传统化疗药物的缺点，促进临床抗肿瘤治疗的发展。

引言

癌症长期以来一直是全球健康负担的主要原因，因其高发病率和死亡率[1]。目前的癌症治疗方法主要包括手术、放疗和化疗等传统方法，以及靶向精准治疗和免疫治疗等新兴策略[2]、[3]。尽管传统化疗药物在癌症治疗中得到广泛应用，但其严重的副作用和耐药性的出现迫切需要新的解决方案。天然化合物成为研究的重点，因为它们富含具有多种生物活性的分子，包括多靶点效应，且某些化合物毒性较低。鉴于其显著的抗癌活性和丰富的资源潜力，它们已成为抗癌药物开发的首选候选物，引起了科学界的广泛关注[4]、[5]。特别是阿魏酸（FEA），由于其独特的抗氧化和抗炎活性以及调节关键致癌信号通路的能力而受到广泛关注[6]。FEA是一种酚类有机化合物，天然存在于肉桂、当归和枣核等药用植物中，也大量存在于可食用植物部分，尤其是大米和小麦的麸皮中[7]。它具有显著的抗炎、镇痛、放射保护和免疫调节作用，同时还具有显著的抗肿瘤潜力。这体现在它能够抑制多种恶性肿瘤的起始和进展，如肝细胞癌、肺腺癌和乳腺癌等。其多效性、低成本和广泛的安全性为其作为抗癌药物的应用奠定了坚实基础。据统计，2023年天然产物衍生的药物占全球癌症药物市场的35%，突显了如FEA这样的植物源活性化合物的巨大转化潜力[8]。

尽管在癌症治疗方面取得了显著进展，但传统治疗方法仍受到目标特异性差和系统性毒性的限制。此外，天然产品的治疗效果常常受到其低水溶性和较差生物相容性的制约。在这种情况下，纳米材料作为一种有前景的解决方案出现，主要通过减少系统性副作用和提高治疗效果来克服这些挑战[9]、[10]。具体而言，纳米级结构能够精确调节药物的药代动力学，实现可控的释放曲线，优化靶点积累同时降低脱靶毒性。这一独特属性不仅规避了传统制剂相关的剂量限制性不良反应，还增强了药物的生物利用度和细胞内化，从而重新定义了临床应用的治疗窗口[11]、[12]。作为新兴的发光碳基纳米材料家族，碳点（CDs）在生物医学领域展现出广泛的应用前景。由于其出色的光稳定性、高光致发光量子产率（QY）和强大的抗光漂白能力，与含铜或镉的量子点等重金属基纳米材料相比，CDs具有更好的生物相容性、几乎无毒性和最小的环境危害[13]、[14]、[15]。通过不同的制备方法，CDs在大小、结构、表面功能性和物理化学性质上表现出多样性。制备方法主要分为自上而下和自下而上的两种策略：自上而下的方法主要涉及煅烧，而自下而上的方法包括微波、溶剂热和水热法等。与自上而下的方法相比，水热法在调控CDs的组成和物理化学性质方面具有显著优势。这种方法确保了其在生物医学应用中的低毒理学风险[16]、[17]、[18]，因此在细胞成像和肿瘤治疗中更为常用。

然而，单一纳米药物用于癌症的治疗和诊断已经非常普遍，而癌症的靶向治疗和靶向成像已成为癌症研究的重要目标。因此，我们专注于寻找能够结合抗癌靶点的药物[19]、[20]。叶酸（FA）是一种水溶性维生素，对细胞存活至关重要，它对叶酸受体（FR）具有高亲和力[21]、[22]。作为一种有前景的抗癌靶点，FR在卵巢癌、结直肠癌和肺癌等多种实体瘤中过度表达。相比之下，其在正常组织中的表达主要限于肾脏和肺部等特定部位，主要定位于上皮细胞的顶端膜。这种差异表达模式和极化的定位为FR靶向治疗创造了有价值的治疗窗口[23]、[24]。因此，它已成为许多治疗剂和荧光染料的锚定点，为靶向递送提供了生物学基础[25]、[26]。目前，人们正致力于开发具有靶向选择性的癌细胞成像和癌细胞治疗能力的化合物。因此，我们开发了多功能荧光碳点（mFF-CDs），结合了癌症诊断的靶向成像能力和治疗效果[27]、[28]、[29]、[30]。

在本研究中，我们使用FEA和FA作为前体，通过简单的水热法制备了mFF-CDs，预计这将在癌症的靶向诊断和治疗方面开辟新途径（图1）。我们采用了体外和体内细胞荧光成像技术，系统评估了其荧光性能，并研究了其对叶酸受体（FR）的选择性。同时，通过体外和体内实验检测了其对肿瘤细胞的治疗效果。我们期望mFF-CDs作为一个多功能平台，将在靶向肿瘤治疗方面提供创新方法和理论基础。

材料与试剂

阿魏酸（FEA）购自Macklin公司（上海，中国）。叶酸（FA）购自Rhawn公司（上海，中国）。柠檬酸一水合物（CA）购自Zhiyuan公司（天津，中国）。人宫颈癌细胞系（HeLa）和人非小细胞肺癌细胞系（A549）购自Pricella公司（武汉，中国）。人正常肝细胞系（HL-7702）购自Fuerbo公司（广州，中国）。用于培养HeLa细胞和A549细胞的MEM细胞培养基

mFF-CDs的合成与优化

为了确保实际应用，我们优化了mFF-CDs的合成条件，重点关注其优异的荧光性能。研究发现，在200°C下加热2小时的水热条件下，合成的碳点显示出最高的荧光强度（图S1，S2）[31]。相比之下，仅由FEA、FA或CA合成的碳点的荧光强度低于mFF-CDs（图S3）。当FA未参与合成时

结论

总之，本研究成功合成了阿魏酸和叶酸衍生的荧光碳点（mFF-CDs），其绝对量子产率为10.7%。最值得注意的是，体外实验表明，它们对过表达FR的癌细胞（如HeLa）具有选择性靶向能力，这一现象通过4小时孵育后荧光强度约为正常细胞（HL-7702）的三倍得到证实。同时，它们

CRediT作者贡献声明

胡瑞：撰写初稿、进行形式分析、概念构思。侯琳：验证、方法学设计、数据管理。左禾：方法学设计、数据管理、概念构思。韩玉英：方法学设计、数据管理。侯星宇：撰写、审稿与编辑、项目管理、资金获取。丁立新：撰写、审稿与编辑、监督、概念构思。

伦理批准

该实验方案获得了佳木斯大学药学院生物医学伦理委员会的批准（批准编号：JDYXY-2025005）。

资助

本研究得到了黑龙江省基础科学研究项目（2024-KYYWF-0538）和黑龙江省高等教育机构优秀创新团队基础研究基金（2023-KYWF-0640）的支持。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：侯星宇与黑龙江省的基础科学研究项目有关，包括资金资助。如果有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响工作的财务利益或个人关系。

胡瑞2016年毕业于中国浙江海洋大学药学专业，目前在中国佳木斯大学药学院攻读硕士学位。她的研究兴趣在于碳基荧光纳米材料领域，特别关注碳量子点在荧光成像和癌症治疗中的应用。