综述：突破血脑屏障：功能化碳点在治疗中枢神经系统疾病中的作用

《International Journal of Pharmaceutics》：Overcoming the blood-brain barrier: the role of functionalized carbon dots in treating central nervous system diseases

碳点（CDs）作为新型纳米载体在血脑屏障（BBB）穿透和中枢神经系统疾病（CNSDs）治疗中展现独特优势，其合成方法、功能化策略及BBB穿透机制均优于传统脂质体、聚合物纳米颗粒和囊泡。通过表面修饰靶向分子（如转铁蛋白、乳铁蛋白），CDs可高效递送药物至神经退行性疾病（如阿尔茨海默病、帕金森病）和脑肿瘤等病灶，同时具有较小的尺寸、优异的光稳定性和生物相容性。但长期安全性、神经毒性及规模化生产仍需突破。

　　

沈刘|黄洁兰|周圆|李秋月|林梦婷|史晓秀|鲜金燕|陈秋杰|沈圆乐|王鹏|于俊鹏|王嘉欣|谭璐璐|涂良星|黄红苗|冯建芳

广西中医药大学，中国南宁 530200

摘要

中枢神经系统疾病（CNSDs）的治疗面临重大挑战，这在很大程度上是由于血脑屏障（BBB）的限制。虽然已经探索了脂质体、聚合物纳米颗粒和外泌体等纳米载体用于脑部递送，但碳点（CDs）已成为一个特别有前景的平台。这些基于碳的纳米材料具有小尺寸、优异的生物相容性和多样的表面化学性质，从而能够实现精确的功能化。与脂质体和聚合物纳米颗粒相比，CDs在尺寸均匀性、光物理性质和化学稳定性方面表现更优。与外泌体不同，它们可以通过特定的分子机制（如受体介导的跨细胞运输）穿过BBB，当与靶向配体（例如转铁蛋白、乳铁蛋白或细胞穿透肽）结合时尤其如此。这使得它们能够针对特定疾病进行靶向治疗，例如阿尔茨海默病中的淀粉样β斑块或脑肿瘤中过表达的受体。CDs既可以作为内在治疗剂，也可以作为药物载体。然而，其临床应用取决于解决长期安全性、潜在的神经毒性（如诱导氧化应激和炎症）以及生物降解性等关键问题。本综述系统总结了CDs的合成方法和功能化策略，以及它们穿透BBB的分子机制，并对其在中枢神经系统疾病中的治疗潜力进行了比较分析。此外，还评估了目前关于CDs毒性、生物相容性和长期安全性的研究和改进策略。最后，本文概述了该领域面临的挑战和未来的发展方向。

引言

中枢神经系统疾病（CNSDs），如阿尔茨海默病、帕金森病、脑肿瘤和中风，是全球疾病负担和死亡的主要原因（Yu等人，2025年）。为了克服这一障碍，已经广泛研究了各种纳米载体，包括脂质体、聚合物纳米颗粒和外泌体。在这种情况下，CDs作为一种零维的荧光碳基纳米材料，显示出巨大的潜力。它们独特的物理化学和光学性质使其成为开发下一代脑靶向治疗系统的理想平台。CDs通常被定义为直径小于10纳米的分散球形碳纳米颗粒，并具有荧光特性。对CDs的研究始于2004年，当时从单壁碳纳米管中分离出了荧光碳组分（Xu等人，2004年），并在2006年正式命名为“碳点”（Sun等人，2006年）。典型的CD结构由一个碳核心（由sp2/sp3杂化的碳骨架组成）和一个富含含氧和含氮官能团的表面组成；这些成分共同决定了它们的物理化学和光学性质（Park等人，2016年）。根据核心结构，CDs进一步分为碳量子点（CQDs）、石墨烯量子点（GQDs）、碳纳米点（CNDs）和聚合物点（CPDs）等亚类（Zhai等人，2022年）。它们通常具有优异的荧光特性，包括高量子产率、抗光漂白性、长发光寿命和良好的光稳定性（Singh等人，2025年）。通过选择适当的前体并控制合成参数，可以精确调节它们的尺寸、组成和光学性质（Li等人，2021年），使其能够在从紫外到近红外区域发光（Ding等人，2025年）。与其他常用的BBB穿透纳米载体相比，CDs具有独特的优势组合。它们比脂质体具有更高的物理化学稳定性和更均匀的尺寸分布。与聚合物纳米颗粒相比，它们具有明确的光学性质和更小的尺寸（通常<10纳米），这可能有助于更有效地被动扩散穿过BBB并被细胞摄取。与具有内在生物相容性的外泌体不同，CDs可以通过可控的合成方法大规模生产，并且表面化学修饰更加灵活和精确（“外泌体在神经感染性疾病管理中的靶向治疗潜力”，无日期）。此外，与基于金属的纳米材料（例如金纳米颗粒）相比，CDs不会带来长期体内滞留可能导致的金属毒性风险，并且通常表现出更好的生物相容性（Lee等人，2026年）。这种差异源于它们的根本不同组成：基于金属的纳米材料由不易降解的无机核心组成，导致长期滞留并可能干扰细胞内过程。相比之下，CDs的有机骨架可以酶促降解并通过肾脏清除，防止在主要器官中积累。因此，CDs最小的长期免疫原性和可调的表面功能使其特别适合需要重复给药的应用，如长期生物成像或慢性疾病治疗。BBB是一个高度选择性的屏障，由紧密连接的内皮细胞、基底膜和星形胶质细胞足组成，严重限制了治疗药物进入大脑（Pandit等人，2020年）。CDs表面丰富的官能团（如羧基、羟基和氨基）赋予了良好的水溶性和生物相容性，同时也为功能化提供了便利（Wang等人，2023年）。通过结合转铁蛋白、乳铁蛋白或细胞穿透肽等靶向配体，CDs可以结合BBB内皮细胞上高表达的受体，从而实现受体介导的跨细胞运输，将治疗剂主动高效地输送到大脑的病变区域。例如，这种策略可以针对阿尔茨海默病中的淀粉样β斑块、脑肿瘤中过表达的转铁蛋白受体或中风模型中的缺血区域（González和Romero，2025年）。总之，CDs的小尺寸、优异的荧光特性、易于功能化的表面和良好的生物相容性凸显了它们在集成脑药物递送和治疗诊断方面的巨大潜力。然而，尽管有越来越多的文献探讨了CDs在生物医学中的应用，但现有的综述主要集中在单一疾病模型或合成方法上，缺乏系统性的跨疾病比较视角（Sharon，2025年；W. Zhang等人，2021a）。本综述旨在通过提供几项独特的贡献来填补这一空白。

1. 超越单一疾病研究的局限，我们系统地研究了CDs在多种中枢神经系统疾病（包括阿尔茨海默病、帕金森病、脑肿瘤和中风）中的应用。通过比较不同疾病微环境中靶向配体的设计策略和BBB穿透机制的变化，我们旨在提供一个更广泛和更具比较性的框架，以理解CDs在不同病理环境中的表现。

2. 除了涵盖2023-2026年物理、化学和生物合成途径的最新进展外，本综述还深入探讨了受体介导的跨细胞运输的分子机制以及神经炎症调节等新兴领域。在整个手稿中，我们保持了一个比较分析框架——从BBB穿透效率、生物相容性和可扩展性等方面评估CDs与脂质体、聚合物纳米颗粒、外泌体和基于金属的纳米材料的优势。

3. 与主要关注材料设计的以往综述不同，本文专门讨论了临床转化和安全性评估。关键转化瓶颈，包括长期神经毒性、体内降解行为、批次间一致性和监管途径等，这些问题对于将CDs从“基础研究工具”发展为“智能治疗纳米药物”至关重要。

通过整合多疾病模型、深化机制洞察、加强比较分析并强调转化视角，本综述旨在为中枢神经系统疾病中的CDs研究提供一个系统化、前沿且以转化为导向的参考框架。最后，讨论了当前的挑战和未来的研究方向。

部分摘录

合成策略

CDs的合成通常分为“自上而下”和“自下而上”的方法（图1）。自上而下的方法涉及使用物理或化学手段（如切割、剥离或强酸氧化）将大的碳源（如石墨、石墨烯或碳纤维）分解为CDs。然而，这些方法的应用往往受到一些缺点的限制，包括高设备成本、苛刻的反应条件、复杂的纯化过程、低产率等

CDs穿透BBB的分子机制

BBB是一个复杂的神经血管单元，由内皮细胞、周细胞、星形胶质细胞和基底膜组成，对于维持中枢神经系统的稳态至关重要（Zha等人，2024年）。虽然它保护大脑免受循环毒素、病原体和其他有害物质的侵害，但也构成了一个巨大的障碍，阻止了大多数治疗性大分子（如抗体、核酸）和小分子药物（如化疗药物）的进入

神经退行性疾病

神经退行性疾病是老年人中普遍存在的不可逆疾病，其特征是大脑中神经元结构和功能的逐渐丧失。这种退化主要是由于错误折叠或异常蛋白质（如β-淀粉样蛋白、tau蛋白和α-突触核蛋白（α-syn）在细胞内外积累（Mohan，2023年）。神经退行性疾病的发病机制主要是由活性氧（ROS）水平的增加引起的

当前挑战和前景

治疗中枢神经系统疾病的一个主要障碍是BBB限制了治疗药物进入大脑。与传统药物相比，CDs由于其独特的多功能性质（包括纳米级尺寸、高表面积、表面可修饰性、选择性和稳定性），为中枢神经系统疾病的诊断和治疗提供了创新策略

结论

CDs是一类新兴的荧光碳基纳米材料，为克服BBB并实现中枢神经系统疾病的集成诊断和治疗提供了非常有前景的平台。它们的优点在于超小尺寸、优异的荧光特性、高度可修饰的表面化学性质和良好的生物相容性。本综述系统总结了CDs的合成方法和功能化策略，以及它们穿透BBB的途径

未引用的参考文献

Ann Mathew等人，2020年；Hu等人，2024ab年；Hu等人，2024c年；Tissue Barriers，无日期；Wang等人，2025a年；Wang等人，2025b年；Zhang等人，2024a年；Zhang等人，2025a年；Zhang等人，2024b年；Zhang等人，2025b年。

CRediT作者贡献声明

沈刘：撰写——审稿与编辑；撰写——初稿。黄洁兰：概念构思。周圆：概念构思。李秋月：方法学、研究。林梦婷：方法学、研究。史晓秀：方法学、研究。鲜金燕：方法学、研究。陈秋杰：方法学、研究。沈圆乐：可视化、数据管理。王鹏：可视化、数据管理。于俊鹏：可视化、数据管理。王嘉欣：可视化、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：82374044）、中国广西自然科学基金（编号：2024GXNSFAA010363）以及广西中医药大学的博士研究启动基金（编号：2022BS009）的支持。