靶向溶酶体的铜修饰碳点，具备近红外荧光成像功能，并能增强光动力疗法的效果

碳点通过Fe3?、Zn2?、Cu2?金属离子掺杂，显著增强光动力治疗（PDT）效果。CuCDs在660 nm激光 irradiation下特异性靶向溶酶体，通过ROS大量生成破坏溶酶体膜结构，使癌细胞凋亡率达87%。该材料兼具近红外荧光成像和PDT功能，为精准癌症治疗提供新策略。

　　

陈婷|赵敏|李圆圆|王一冰|赵蓓蓓|周彦梅

中国河南省抗病毒药物国家重点实验室，河南大学化学与分子科学学院环境污染控制材料联合国际研究实验室，开封475004

摘要

背景

碳点的优异生物相容性和可调光学性质使其在光动力疗法（PDT）中具有广泛应用前景。然而，有效提升其光动力性能仍是一个重要挑战。本研究采用亚甲蓝和二甲双胍作为前体，并加入三种微量元素（Fe³⁺、Zn²⁺和Cu²⁺），通过一步水热法合成了碳点（CDs、FeCDs、ZnCDs和CuCDs）。

结果

结果表明，金属离子掺杂能有效调节碳点的光学性质和光动力性能。与未掺杂的碳点相比，掺杂金属的碳点在吸收和荧光发射波长上均发生红移，同时荧光量子产率增加，活性氧（ROS）生成能力也得到提升。其中，CuCDs的光学和光动力性能最为显著，其荧光发射波长为667 nm，ROS生成能力是未掺杂碳点的9倍。在660 nm激光照射下，CuCDs能够特异性地靶向肿瘤细胞的溶酶体，产生的ROS会破坏溶酶体膜，从而增加溶酶体膜的通透性，进一步增强光动力治疗效果，使肿瘤细胞的凋亡率高达87%。

意义与创新

本研究制备出了具有细胞器靶向能力的近红外碳点，有望通过靶向溶酶体、促进ROS生成并破坏其氧化还原平衡来提高PDT的效果。这为通过金属离子掺杂制备溶酶体靶向碳点提供了理论支持，并展示了其在近红外荧光成像和PDT中的应用潜力。

引言

在癌症诊断和治疗领域，碳点凭借其独特的物理化学性质和优异的生物相容性，为肿瘤的早期检测和精准治疗提供了关键的技术支持[1]、[2]。作为零维碳基纳米材料，碳点因其可调的光学性质和光动力性能，在光动力疗法（PDT）中具有广泛的应用潜力[3]、[4]、[5]、[6]。具有光敏性的碳点在特定波长的光照射下能生成活性氧（ROS），从而破坏肿瘤细胞[7]。然而，大多数碳点的发射波长仍集中在蓝绿光区域，导致组织穿透深度不足和靶向能力有限，限制了其在肿瘤治疗中的效果[8]、[9]、[10]。元素掺杂，尤其是过渡金属离子掺杂，可以调节碳点的电子结构[11]、[12]、[13]，引入新的能级，缩小带隙，并使吸收和发射波长发生红移，从而增强近红外光响应[14]、[15]、[16]。铁（Fe）、锌（Zn）和铜（Cu）作为第四周期过渡金属，在人体中属于微量元素，在生命活动中具有特定的生物功能[17]。研究表明，金属掺杂碳点在提高光动力治疗效果方面具有潜力[18]、[19]、[20]。因此，将Fe、Zn和Cu掺入含有PDT功能团的碳点中，有望实现光学性质的精确调控并提升其PDT效率。

提高碳点在肿瘤细胞内的细胞器靶向能力是提升PDT效率的另一个关键策略[21]、[22]。先前的研究表明，溶酶体作为细胞内代谢稳态的关键细胞器，与肿瘤细胞内相关信息的运输和交换密切相关[23]、[24]。设计具有溶酶体靶向能力的碳点可以实现ROS在溶酶体区域的富集。ROS在溶酶体中的积累可以增加溶酶体膜的通透性（LMP），甚至导致溶酶体膜破裂，从而增强PDT的效果并诱导肿瘤细胞凋亡[25]、[26]、[27]。值得注意的是，目前关于金属离子掺杂碳点的研究主要集中在提升单一性质（如实现光学红移、提高生物相容性、增加荧光量子产率）上，缺乏对精准治疗所需的多功能性的系统整合[28]、[29]、[30]。因此，我们制备出了具有近红外发射能力和细胞器靶向能力的金属离子掺杂碳点，旨在通过靶向溶酶体、促进ROS生成并破坏其氧化还原平衡来增强PDT的效果。

本研究采用一步水热法，以二甲双胍和亚甲蓝作为前体，同时加入三种微量元素（Fe³⁺、Zn²⁺和Cu²⁺作为掺杂金属，合成了多种碳点（CDs、FeCDs、ZnCDs和CuCDs）。金属掺杂改善了碳点的光学性质和光动力活性。与未掺杂的碳点相比，CuCDs、ZnCDs和FeCDs的带隙宽度明显减小，相对量子产率显著提高，荧光发射峰发生红移。其中，CuCDs在光学性质和光动力活性方面表现出最显著的提升。在660 nm激光照射下，CuCDs能够特异性地靶向肿瘤细胞的溶酶体，产生的ROS会破坏溶酶体膜结构，增加溶酶体膜的通透性（LMP），从而增强PDT的效果，肿瘤细胞的凋亡率高达87%（见图1）。本研究开发的CuCDs结合了近红外成像、PDT和溶酶体靶向功能，为精准癌症治疗的纳米材料开发开辟了新途径。

试剂与设备

本研究中使用的试剂和仪器的详细信息见支持材料。

碳点的合成

将二甲双胍（200 mg，1 mmol）、亚甲蓝（10 mg，0.03 mmol）和硫酸铜五水合物（25 mg，0.1 mmol）溶解在10 mL去离子水中。经过30分钟的超声处理和搅拌后，将混合物转移到25 mL聚四氟乙烯内衬的高压釜中，于160 °C下加热8小时。反应结束后，自然冷却至室温。

金属离子掺杂碳点的光学性质

通过UV-Vis吸收光谱和荧光发射光谱研究了碳点（CDs、FeCDs、ZnCDs和CuCDs）的光学性质。图1a和1b显示，与未掺杂的碳点（λem=625 nm）相比，FeCDs、ZnCDs和CuCDs的UV-Vis吸收光谱发生红移。具体而言，FeCDs、ZnCDs和CuCDs的荧光发射峰分别红移至635 nm、646 nm和667 nm。这种红移现象可归因于金属离子与碳点的配位作用。

结论

本研究通过一步水热法成功制备出了具有荧光成像和光动力治疗功能的铜掺杂碳点（CuCDs）。铜的掺杂有效调节了碳点的电子能级结构，减小了带隙并使荧光发射波长向近红外区域红移，从而提升了组织穿透能力。细胞实验表明，CuCDs能够特异性地靶向溶酶体。

作者贡献声明

李圆圆：数据整理。 王一冰：数据可视化处理。 赵蓓蓓：软件开发。 周彦梅：项目监督、管理及资金申请。 陈婷：初稿撰写、概念构思。 赵敏：数据分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

数据获取

数据可应要求提供。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：22278112、22578098）的支持。