《International Journal of Nanomedicine》：Novel Carbon Dots Nanomaterials for the Precision Diagnosis and Treatment of Acute Lung Injury and Acute Respiratory Distress Syndrome: Mechanisms and Applications
编辑推荐：
这篇综述全面阐述了碳点（CDs）作为一类新型零维碳纳米材料，在急性肺损伤（ALI）及其严重形式急性呼吸窘迫综合征（ARDS）精准诊疗（Theranostics）领域的前沿进展。文章系统总结了碳点的绿色合成、表面功能化（如甘露糖和RGD肽靶向）策略，并深入探讨了其作为纳米酶（模拟SOD、CAT和POD）清除活性氧（ROS）的机制。特别强调了通过调节肠肺轴重塑肠道菌群、构建ROS响应型智能药物递送系统（用于递送siRNA和糖皮质激素）等新型治疗策略。同时，评估了碳点相较于传统碳材料（如碳纳米管）的吸入毒理学及其在体内肺部炎症成像与微环境（NO、pH）传感中的应用。
引言：肺部疾病的临床挑战与碳点的兴起
急性肺损伤（ALI）及其严重形式急性呼吸窘迫综合征（ARDS）是由肺炎、脓毒症等多种因素引发的危重临床综合征，以弥漫性肺泡损伤、失控的炎症风暴和氧化应激为特征，死亡率居高不下。临床治疗主要依赖机械通气等支持疗法，缺乏根本性治疗手段。在分子层面，疾病的进展由氧化还原失衡和免疫稳态崩溃驱动，过多的活性氧（ROS）会诱导肺泡上皮细胞凋亡并放大炎症级联反应。
在此背景下，纳米医学提供了新的突破口，碳点（CDs）作为一类尺寸通常小于10纳米的新型零维碳纳米材料脱颖而出。与传统的半导体量子点（QDs）不同，碳点主要由碳、氧、氮组成，避免了铅、镉等重金属，因而具有更优异的生物相容性和更低的毒性。其超小尺寸、可调光致发光、易于表面功能化等特性，使其在生物成像和传感方面具有显著优势。更重要的是，通过特定的合成策略（如掺杂和修饰），碳点可以被赋予内在的抗氧化酶活性，成为清除ROS的纳米酶，或作为智能药物载体，靶向递送抗炎药物和基因治疗剂，为ALI/ARDS的精准诊疗提供了多功能平台。
合成策略与结构工程
碳点的理化性质（尺寸、电荷、量子产率）决定了其在肺部的沉积、细胞摄取和生物分布。当前面向ALI/ARDS应用的合成策略侧重于绿色合成、杂原子掺杂和靶向表面修饰。
绿色合成利用天然生物质或具有药理活性的产物，通过水热法或微波辅助碳化“自下而上”地制备碳点。例如，由苦杏仁在300°C碳化得到的碳点能有效降低脂多糖（LPS）诱导的ALI模型小鼠血清中的IL-6、IL-1β和TNF-α水平。从药物分子（如阿司匹林）合成碳点，可使纳米材料继承并可能增强前体药物的治疗功能。利用食物废料和植物提取物进行可持续合成，也能生产出具有内在抗炎、免疫调节活性的生物相容性碳点，适合吸入给药。
原始的碳点通常存在量子产率低、催化活性有限的问题。通过掺杂非金属（N， S， P）或金属（Mn， Cu， Fe）元素，可以调节其能带隙和电子分布，从而赋予其模拟酶的活性。例如，通过水热法合成的锰掺杂碳点（Mn-CDs）展现出多种酶模拟活性（超氧化物歧化酶SOD、过氧化氢酶CAT、过氧化物酶POD、谷胱甘肽过氧化物酶GPx），能够级联清除细胞内的O2•?、H2O2和•OH，这对于减轻脓毒症诱导的氧化风暴至关重要。
有效的肺部递送需要克服生理屏障，特别是气道粘液层和肺泡巨噬细胞的非特异性摄取。通过用马来酰胺酸修饰碳点，可以使其表面呈中性或两性离子特性，从而最大限度地减少与粘蛋白的相互作用，在产粘液细胞模型中显著增强穿透和转染效率。为了靶向肺泡巨噬细胞，碳点可被甘露糖或D-甘露糖胺功能化，利用这些细胞上甘露糖受体的高表达实现精确摄取。而与RGD（精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸）肽结合，则能使碳点靶向在炎症内皮和肿瘤新生血管上高表达的整合素αvβ3受体，增强组织穿透和成像信噪比。值得注意的是，配体密度具有双重作用，过高可能导致空间位阻，使用聚乙二醇（PEG）连接臂可以优化间距，最大化细胞摄取效率。
多维度的肺部损伤治疗机制
碳点干预ALI/ARDS不仅仅是作为载体，还通过涉及氧化还原调节、免疫代谢重编程和肠肺轴调节的复杂生物学机制发挥作用。
线粒体是ALI/ARDS中ROS生成和细胞死亡信号传导的中心。炎症刺激会损害线粒体电子传递链（ETC）复合物I和III的活性，导致电子泄漏和超氧化物（O2•?）形成，进而触发“ROS诱导的ROS释放”（RIRR），导致ROS和线粒体DNA（mtDNA）灾难性地释放到细胞质中。因此，靶向线粒体的碳点（mt-CDs）代表了更优的治疗设计。mt-CDs通常用三苯基膦（TPP）或离域正电荷修饰，利用线粒体基质的高负膜电位逆浓度梯度积累。具有SOD模拟活性的mt-CDs可以从源头淬灭ROS，防止氧化损伤的放大。通过维持线粒体完整性，mt-CDs可以防止氧化的mtDNA（ox-mtDNA）泄漏。细胞质中的ox-mtDNA是cGAS-STING通路的强力激活剂，该通路驱动I型干扰素和促炎细胞因子的产生。因此，mt-CDs能在上游源头抑制炎症。此外，线粒体ROS对于NLRP3炎性体激活至关重要，ROS响应型碳点已被证明可以恢复巨噬细胞线粒体膜电位，从而抑制NLRP3组装和IL-1β成熟。
碳点直接或间接地调节关键的炎症通路。载药或具有生物活性的碳点可以抑制IκBα磷酸化，阻止NF-κB p65核转位，并下调下游细胞因子（TNF-α， IL-6）。促进巨噬细胞从促炎M1表型向修复性M2表型转变对炎症消退至关重要，锰掺杂碳点已被证明能上调M2标记物（Arg-1， CD206），加速组织修复。
最近的研究突破强调了一种针对肠肺轴的远程治疗策略。脓毒症和ARDS常伴有肠道菌群失调。研究表明，口服锰掺杂碳点可以逆转脓毒症小鼠的肠道微生物群失调，增加有益菌属（如梭状芽孢杆菌和拟杆菌）的丰度。其机制超越了简单的丰度调节。锰掺杂碳点在厌氧肠道条件下可作为电子转移介质，特异性增强色氨酸代谢酶（如色氨酸酶）的活性，从而加速膳食色氨酸向吲哚-3-丙酸（IPA）的转化。IPA进入循环并激活肺巨噬细胞上的芳烃受体（AHR），促进凋亡中性粒细胞的清除和抗炎极化。这证实了碳点可以通过肠道治疗肺损伤，而无需在肺部沉积。
诊疗一体化策略
为了最大限度地减少全身毒性，研究人员利用ALI病灶处高水平的ROS作为触发剂。例如，通过ROS可裂解的硫缩酮连接子将红色发光碳点与甲基强的松龙结合，该复合物在生理条件下保持稳定，但在遇到炎症性ROS时能快速释放药物和荧光团，从而实现靶向治疗和同步成像。利用荧光共振能量转移（FRET）或自淬灭机制，荧光强度的恢复可以与药物释放线性相关，从而允许对局部剂量进行半定量监测。
碳点可作为siRNA的有效非病毒载体。阳离子碳点通过静电相互作用凝聚siRNA，并借助“质子海绵效应”促进内体逃逸。在ALI模型中，碳点介导的TNF-α siRNA递送显著下调了蛋白水平并减轻了肺水肿，其免疫原性低于病毒载体。与裸siRNA在血清中几分钟内即降解不同，碳点复合物可以保护siRNA，将其在肺组织中的功能性半衰期延长至24-48小时，足以在ALI急性期抑制炎症细胞因子（TNF-α， IL-6）的峰值表达。
将疏水性黄酮类化合物（如芦丁、槲皮素）与碳点复合，可以提高其水溶性和生物利用度。碳点固有的抗氧化能力与药物协同作用，增强抗炎功效。此外，碳点偶联延长了药物在组织中的滞留时间，防止了快速清除。
对于感染引起的ALI，区分病原体菌株至关重要。硅掺杂的碳点探针在区分小鼠肺炎模型中的高毒力肺炎克雷伯菌和经典菌株方面达到了100%的准确率，提供了一种快速诊断工具。
生物成像与微环境传感
传统的蓝色荧光组织穿透性差，而红色和近红外（NIR）发射的碳点能够清晰可视化药物在肺部的分布。它们允许实时追踪巨噬细胞迁移和在炎症部位的聚集，从而对疾病严重程度进行可视化评估。
炎症创造了酸性微环境。pH敏感碳点结合荧光寿命成像显微镜（FLIM）可以绘制细胞内pH分布图，有助于理解炎症过程中溶酶体功能和代谢变化。比率型探针在与一氧化氮（NO）反应时表现出荧光蓝移，可在炎症模型中检测低至0.536 nM的浓度。氮掺杂碳点可作为荧光探针，其荧光被亚硝酸盐/过氧亚硝酸盐选择性淬灭，可作为氧化应激的生物化学标记物。
生物安全性与毒理学
安全性是临床转化的关键。与多壁碳纳米管（MWCNTs）不同，球形碳点通常只引起短暂、轻微的炎症，并能快速消退。阳离子碳点（常用于基因递送）细胞毒性更强，可能损害溶酶体完整性和线粒体。将表面修饰为中性或两性离子是增强肺部安全性的有效策略。
超小碳点（<6 nm）可通过肾脏过滤快速清除，最大限度地减少长期积累，但也限制了治疗持续时间。对于ALI治疗，通常需要通过脂质体包封或吸入给药来增强肺部滞留。全身给药依赖于炎症肺部血管渗漏引起的“增强渗透和滞留”（EPR）效应或主动靶向机制。现有文献主要证实了中性碳点在短期内（长达28天）的安全性。然而，关于慢性暴露（>6个月）以及在大型动物模型（如非人灵长类动物）中潜在致纤维化反应的数据仍然是一个重大空白。未来的研究必须严格评估非降解性碳核的永久滞留是否会引发慢性免疫激活或肉芽肿形成。
结论与展望
近期的进展证实，碳点不仅仅是ALI/ARDS的被动载体，更是主动的治疗剂。其清除ROS、保护线粒体、调节肠肺轴的能力，结合成熟的绿色合成和掺杂技术，为精准医疗提供了一个多功能平台。
然而，未来的挑战依然存在：首先，碳点结构在不同实验室间的异质性阻碍了可重复的临床转化。其次，虽然红色/近红外碳点已经存在，但其量子产率通常落后于半导体量子点，开发高亮度的近红外II区（1000–1700 nm）碳点是优先方向。为解决近红外II区窗口量子产率低的问题，正在开发诸如杂原子共掺杂和用给电子聚合物进行表面钝化等策略，以抑制非辐射复合并增强亮度。最后，长期的免疫毒性以及碳点在肺部长期滞留后的命运，需要在大型动物模型中进行严格评估。
总之，随着合成工艺的标准化和机制理解的深化，具有高生物安全性、智能响应性和多模态成像能力的碳点纳米药物，有望成为临床管理ALI/ARDS的有力武器。
