南洋理工Yong Ken-Tye，深圳大學許改霞和NIH陳小元Chem. Rev.:用于生物學和醫學的納米碳：傳感，成像和藥物傳遞

【引言】

納米技術在生物醫學研究中發揮著關鍵作用。納米材料的物理和化學性質是獨特的，并且由于其超小尺寸的范圍（1至100nm）而與它們的大塊對應物具有不同的性質。半導體量子點（QD）的發光特性已經廣泛用于體外和體內成像，而金屬納米顆粒的強光學吸收峰對周圍介質非常敏感，因此能夠進行比色檢測。在過去的幾年中，由于納米碳材料的低毒性，大規模生產的低成本以及多功能的表面功能化，納米碳材料已成為各種生物學應用（如傳感，成像和藥物輸送）的其他納米材料的替代品。此外，碳是地球上最豐富的元素之一。納米級碳的同素異形體包括0D富勒烯和碳納米點，1D碳納米管/納米角和石墨烯納米帶，2D石墨烯和氧化石墨烯，以及3D納米金剛石。在所有這些同素異形體中，石墨烯是在2004年由Andre Geim和Kostya Novoselov發現的。

許多納米碳材料的一個持久挑戰是它們的物理和化學性質不如競爭材料那么精確。它們不僅比有機染料等分子種類更不確定，而且與QD，貴金屬納米顆粒以及在生物醫學應用中具有潛力的類似納米結構相比也不太精確。這使得對他們的理解產生了不確定性，這些物理和化學現象定義了它們的表面狀態，它們的表面可以被功能化的方式，以及它們的光致發光和其他性質的機制。因此，重要的是描述表征方法并理解納米碳材料的物理性質和表面化學，以尋求監管部門批準其在各種應用中的使用。

此外，納米碳材料的可調光學和電子特性，它們簡單的合成技術，以及它們與各種配體和生物分子的通用功能化相容性，使得它們在體外和體內的生物傳感，生物成像和藥物遞送中的應用都非常有用。雖然這些性質使它們在納米醫學領域備受關注，但是在我們預測它們在臨床治療中的成功之前，必須仔細研究和分析不同納米碳材料的毒性效應，以及它們在各種組織和器官中的生物分布。為此，需要仔細和詳細地反思影響內在毒性機制的因素。

【成果簡介】

近日，南洋理工大學Yong Ken-Tye，深圳大學許改霞和NIH陳小元在這篇綜述系統地概述了納米碳材料的最新治療應用，綜合比較了不同碳納米材料的特性，以及這些特性以及藥代動力學和毒理學效應如何影響它們的治療應用。該綜述涵蓋了基于各種納米碳材料的體外和體內傳感，成像和藥物傳遞系統的研究亮點，旨在為研究人員選擇和設計用于癌癥治療應用的工具。該成果以題為“Nanocarbons for Biology and Medicine: Sensing, Imaging, and Drug Delivery”發表在Chem. Rev.上。

【圖文導讀】

Figure 1.綜述的概括

Figure 2.用于體外傳感的基于碳納米材料的傳感器的代表性圖像

（A）基于PNA-DNA雜交的基于晶體管的基于晶體管的傳感的示意圖，其中rGO實現了100 fM的檢測極限。

（B）碳納米角作為電化學傳感器，用于檢測人血漿和尿液中的纖維蛋白原，并通過安培法測量。圖示了與碳酰亞胺化學的共價固定，以及使用HRP-抗纖維蛋白原的間接競爭性免疫測定，其中游離抗體與固定的分析物反應。

（C）基于FRET的比率式碳點傳感器，用于量化水介質，血清和活細胞中的氫硫化物（H₂S），檢測限為10 nM。

Figure 3.用于檢測CRP的基于石墨烯的CRET平臺的示意圖

Figure 4.rGO-BiVO₄納米復合材料與過氧草酸鹽化學發光自發光電池和數字萬用表電路相結合

（A-a）GOx催化時間的影響，（A-b）抗原 - 抗體反應時間

（B-a）GOx催化溶液的pH，和（B-b）PEC檢測池中PBS的pH值對自發光的光電流的影響 PEC免疫測定（在該情況下使用0.5 ng / mL PSA）

（C）在（a）存在和（b）不存在外部電容器的情況下針對各種濃度PSA標準的自發光PEC免疫測定的校準曲線，和（D） 針對CEA（10 ng / mL），CA 125（10 U / mL），CA 15-3（10 U / mL）和甲胎蛋白（10 ng / mL）的PEC免疫測定的特異性

Figure 5.可調諧石墨烯中紅外生物傳感器

（A）石墨烯生物傳感器的概念視圖。通過檢測伴隨對應于蛋白質的分子振動帶的窄下降的等離子體共振光譜偏移（Δω）來實現蛋白質感測

（B）石墨烯納米帶陣列的SEM圖像

（C）石墨烯納米帶陣列的AFM橫截面

Figure 6.基于SWCNHs的熒光適體傳感器，用于靶向檢測凝血酶分子

（A）氧化SWCNH作為適用于檢測凝血酶的適體傳感器的示意圖。

（B）在各種濃度的凝血酶存在下，50nM染料-TA的熒光強度。插圖是相對于凝血酶濃度繪制的F/F0，其中F和F0分別是具有和不具有凝血酶的熒光強度。

（C）在空白緩沖液中添加的適體傳感器的熒光響應，緩沖液中的100nM BSA，緩沖液中的100nM IgG和緩沖液中的100nM凝血酶。

（D）檸檬酸鹽官能化的上轉換納米顆粒-ssDNA的制備的示意圖。

（E）使用基于LRET的檢測使用檸檬酸鹽官能化的上轉換納米顆粒-ssDNA和SWCNH用于檢測急性早幼粒細胞白血病的示意圖。

（F）多重檸檬酸鹽官能化的上轉換納米顆粒-ssDNA-SWCNHs納米平板與不同濃度的靶DNA的發光響應。

（G）在545nm處觀察到的上轉換發光強度與靶DNA濃度之間的線性關系。

Figure 7.CNHs與鈦合金間接管結合，用于增強葉酸的PEC傳感

（A）在光照射下鈦酸鹽納米管/CNHs/GCE結構上的電荷轉移的示意圖。

（B）電流密度和FA濃度的線性校準曲線。插圖圖像是基于時間的光電流響應的電流I-t曲線。

（C）選擇性實驗

Figure 8.基于碳量子點（CQD）的雙模傳感器，用于GSH的熒光和比色傳感

（A）使用雙模式比色和熒光納米傳感器的GSH檢測的示意圖。

（B）由CQD誘導的聚集的AuNP的TEM圖像，不添加GSH;

（C）通過添加CQD和GSH分散AuNP。

（D）CQD和AuNP的圖像與從左到右的GSH濃度增加混合。

（E）從左到右，沒有和添加GSH的CQD溶液和CQD和AuNP的混合物的圖像。

Figure 9.用于多重目標檢測的ssDNA-GO架構平臺的示意圖

（A）在存在互補靶T3的情況下，P3與T3反應形成P3-T3復合物，其與GO表面分離，導致熒光“開”狀態。

（B）P1通過探針-GO結構的形成呈現熒光“off”狀態，但通過與凝血酶的相互作用切換到“開啟”狀態。

（C）在Ag⁺或Hg²⁺存在下，P4或P5自折疊形成穩定的C-Ag⁺-C或T-Hg²⁺-T結構，導致熒光“開”狀態。然而，通過繼續向上述溶液中加入半胱氨酸，C-Ag⁺-C或T-Hg²⁺-T結構被半胱氨酸和Ag⁺或Hg²⁺之間的Ag-S或Hg-S鍵破壞，轉換為熒光“off”再次聲明。

Figure 10.銀納米簇用于傳感

（A）在水溶液中DNA支架上制備銀納米團簇的示意圖。

（B）使用AgNCs-GO納米雜化材料進行無標記DNA檢測的測定的示意圖。

Figure 11.還原氧化石墨烯生物傳感平臺

（A）還原氧化石墨烯生物傳感平臺的示意圖。

（B）通過0.6％瓊脂糖凝膠電泳分析滾環擴增產物。 每個反應在30℃下在60μL靶結合緩沖液（TBB：20mM PBS，150mM NaCl，20mM KCl，5mM MgCl₂，pH 7.5）中進行1小時，所述靶結合緩沖液含有指示的rGO吸附的TP1組分（250）。 nM），環狀DNA模板1（8nM）和凝血酶（Thr; 200nM）。

（C）在Thr（200nM），環狀DNA模板1（8nM）或兩者存在下，還原的GO-吸附的FAM標記的TP1（250nM）的時間依賴性熒光響應。λ_ex/λ_em= 494/518nm。

Figure 12.DNA的檢測

（A）DNA檢測程序的示意圖。

（B）在存在不同量的DNA時，在652nm處的時間依賴性吸光度變化范圍為0至200nM（0,0.5,1,2,5,8,10,20,50,80,100,200nM））。

（C）對應于10分鐘間隔后各種濃度的DNA的吸光度的校準曲線。插圖：線性圖。

（D）在652nm處的時間依賴性吸光度，其中DNA-GH雜交體的相應上清液具有100nM T1,100nM T2和100nM T3。

（E）相應的吸光度直方圖。

Figure 13.石墨烯-金表面結構的設計

（A）在金表面上沉積一層石墨烯的基本結構。為了在石墨烯-金界面上激發表面等離子體激元，光束通常穿過玻璃棱鏡并從沉積在其一個刻面上的50nm金膜反射。

（B）先進的納米粒子增強結構，使用Au納米粒子作為SPR放大標簽。

（C）共振單層石墨烯涂層Au傳感膜的有限元分析（FEA）模擬：y分量中的電場，顯示入射光的角度≈52°，并且在傳感界面處具有清晰的漸逝場。

（D）共振球形Au NP耦合到單層石墨烯涂覆的Au感應膜的FEA模擬：用Au NP（直徑為30nm，距感測膜的距離為5nm）的電導體的標準。

（E）沿著y = 0的總電場的截面圖，具有不同數量的石墨烯層L.

Figure 14.HFs-GOx納米復合材料在GCE表面上官能化并用一層殼聚糖膜鈍化

（A）HFs-GOx的結構。

（B）含有HFs-GOx的裝置的結構，其用一層殼聚糖膜鈍化。

（C）響應電流對葡萄糖濃度的圖。

（D）Lineweaver-Burk圖。

Figure 15.在柔性聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）基板上制造和圖案化rGO以構建FET傳感器

（A）在聚L-賴氨酸包被的rGO-PET裝置上生長的PC12細胞的光學圖像。

（B）PC12電池和rGO FET之間的界面的示意圖。

（C）rGO-PET FET對由高K+溶液刺激的PC12細胞的兒茶酚胺的囊泡分泌的實時響應，Vds = 100mV和Vg = 0V。

Figure 16.葡萄糖傳感器

（A）RGO-GOx復合材料制造的示意圖。

（B）含有不同葡萄糖濃度水平的氧飽和PBS中GCE/RGO-GOx的循環伏安圖。

Figure 17.其他基于碳材料的傳感器

（A）與筆記本電腦或PDA互連的遙測設備的示意圖。

（B）用富勒烯或納米管官能化的傳感器的示意圖。

Figure 18.基于CQD的傳感器

（A）基于CQD的聚集和解聚的焦磷酸根陰離子和ALP活性的檢測策略的示意圖。

（B）隨著Cu²⁺量的增加，CQD的熒光響應

（C）CQD和Cu 2+混合物隨著焦磷酸根陰離子濃度增加的熒光響應。

Figure 19.肽功能化的GO作為熒光成像標記

（A）使用GO-肽綴合物檢測胱天蛋白酶-3的示意圖。

（B）制備GO-肽綴合物的示意圖。AFM和（C）GO和（D）GO-肽綴合物的高度分布。

Figure 20.石墨烯納米探針

（A）使用微波加熱超聲輔助工藝制備石墨烯納米探針的示意圖，以及丙烯酸和甲基丙烯酸熒光素的表面改性。

（B-G）對照（上排）和處理（下排）HeLa細胞的CLSM圖像。

（B，E）是使用DAPI濾波器拍攝的核圖像。

（C，F）是來自用FITC濾波器記錄的石墨烯的綠色熒光圖像。

（D，G）是核圖像和綠色熒光圖像的重疊圖像。

Figure 21.多功能納米探針

（A）多功能納米探針的制備示意圖。

（B）活細胞的磁場引導SERS-熒光成像的示意圖。

（C）熒光圖像，（D）SERS圖像，（E）亮場，和（F）來自用4ATP編碼的納米探針孵育的SKBR3細胞的SERS光譜。

（G）熒光圖像，（H）SERS圖像，（I）亮場，和（J）來自用4ATP編碼的納米探針孵育的MCF7細胞的SERS光譜。

Figure 22.CdSe/ZnS QDs在成像上的應用

（A）描述SWNH與CdSe/ZnS QDs的綴合的示意圖。

（A,B,D）在沒有納米探針的情況下RENCA細胞和與納米探針孵育24小時后的相差圖像。

(C,F)沒有納米探針的RENCA細胞與納米探針孵育24小時后的熒光圖像。在沒有納米探針的情況下重疊相差圖像和熒光圖像（C），并且在用納米探針孵育24小時后重疊（F）。

Figure 23.細胞成像表征

（A）通過DIC/epi熒光顯微鏡觀察ND標記的Hela細胞的細胞周期的ND。細胞核用Hoechst 33342染色，紅色發射來自ND。

（B）ND和羧基熒光素琥珀酰亞胺酯作為長期細胞追蹤劑的比較研究。在不同的孵育時間內ND和CDSE孵育的3T3-L1細胞的流式細胞術結果。

Figure 24.碳點在成像上的應用

（A）TEM圖像和（B）CD的DLS分布。

（C）在不同波長（320-500nm）下激發時C點的激發依賴性。插圖分別是在強光和UV照射下的C點溶液。

（D）用不同濃度的C點孵育6小時后2％紅細胞的溶血率。

（E）用不同濃度的C點孵育24小時后C6細胞的細胞活力。

（F）使用C6細胞作為細胞模型，在不同時間細胞攝取不同濃度的C點。

（G）孵育15分鐘和4小時后C-點與內體的亞細胞定位。

Figure 25.PEG-BPEI-rGO的應用

（A）PEG-BPEI-rGO的合成和改性的示意圖。

（B）在NIR照射下GO，PEG-BPEI-rGO和PEG-BPEI-rGO/DOX溶液的溫度。

（C）在黑暗和NIR照射下用不同濃度的PEG-BPEI-rGO孵育的PC-3和HeLa細胞的細胞活力。

Figure 26.載藥中的應用

（A）描述在MWCNT-PVA上負載CPT的示意圖。

（B）具有不同濃度的MWCNT-PVA和MWCNT-PVA-CPT的UV光譜。

（C）在不同濃度下用游離CPT，MWCNT PVA-CPT和GO-PVA-CPT培養的MDA-MB-231細胞的細胞活性。

（D）分別用和不用CPT的MWCNT-PVA和GO-PVA培養的MDA-MB-231細胞的細胞活性。

（F）用CPT，MWCNT-PVA-CPT和GO-PVA-CPT處理后的MDA-MP-231細胞的顯微鏡圖像。

Figure 27.富勒烯基聚集體用于載藥

（A）具有雙重癌癥作用的富勒烯基聚集體的示意圖。插圖A是DOX-肼-富勒烯醇-FA-聚集體的HRTEM圖像。插圖B是HeLa細胞的熒光顯微鏡，其中DOX已從納米載體釋放。

（B）用DOX，DOX-腙-富勒烯醇-FA和DOX-腙-富勒烯醇顆粒處理的HeLa（上圖），L929（中圖）和A549（下圖）的細胞活性。

Figure 28.載藥中的應用

（A,B）使用DLS測量的DCA-HPCHS，DOX/DCA-HPCHS，SWNH/DCA-HPCHS和DOX-SWNH / DCA-HPCHS的尺寸分布和吸收光譜。

（C,D）用SWNH/DCA-HPCHS和DOX-SWNH/DCA-HPCHS處理的4T1細胞的細胞存活率。

Figure 29.用染料標記的藥物-DNA寡核苷酸對ND表面進行功能化，以實現多模式癌癥治療和增強抗癌效果

（A）PTX-DNA/mAb@NDs的制備示意圖。

（B）使用DLS測量的ND的流體動力學尺寸及其綴合物。

（C）使用流式細胞術分析對MCF7和MDA-B-231細胞中的PTX-DNA@ND和PTX-DNA/mAb@ND進行定量分析。

（D,E）用PTX，PTX-DNA@ND和PTX-DNA/mAb@ND處理48小時的MCF-7和MDA-MB-231細胞的細胞活性。

Figure 30.碳點在成像和載藥中的應用

Figure 31.多功能電荷可轉換納米復合材料的合成和受激響應的示意圖

Figure 32.SWCNT熒光納米探針用于多模式體內成像引導光熱治療前哨淋巴結腫瘤

（A）動物實驗設計的示意圖。

（B）在注射SWCNT-PEG后以不同間隔攝取的荷瘤小鼠的NIR II范圍內的熒光成像。

（C）小鼠的紅外熱圖像。

Figure 33.碳納米管用于腫瘤治療

（A）描述自放大靶向系統機制的示意圖。

（B）靜脈內注射4mg/kg CMWCNTs-PEG并在施用后用808nm NIR激光處理的小鼠模型的腫瘤溫度隨時間的變化。

（C）在用4mg/kg MWCNT處理的荷瘤小鼠模型中作為NIR光照射時間的函數的紅外熱圖像。

Figure 34.使用基于混合碳點的多功能治療診斷納米平臺進行腫瘤特異性基因轉移

?

（A）在8小時后通過腫瘤內注射（左）和靜脈注射（右）注射PPD@HPAP-CDs/pDNA后荷瘤小鼠的體內成像。

（B）靜脈內注射不同制劑和定量分布分析后，在腫瘤組織中HPAP-CDs/ pDNA復合物積聚的離體成像。

（C）8小時后用不同制劑靜脈注射后收獲的主要器官的離體成像及其相應的熒光定量數據。PPD@HPAP-CDs/pTRAIL和其他制劑在攜帶MCF-7細胞的裸鼠Balb/c小鼠中的體內抗腫瘤研究（D）腫瘤體積分布和（E）平均體重變化。

（F）來自裸鼠的腫瘤組織圖像。

【小結】

具有不同尺寸的納米碳（例如，0D富勒烯和碳納米點，1D碳納米管和石墨烯納米帶，2D石墨烯和氧化石墨烯以及3D納米金剛石）引起了對從電子，光電子學和光伏技術到感測，生物成像和治療因其獨特的物理和化學特性。其中，基于納米碳的治療學（即治療和診斷學）是研究最深入的應用之一，因為這些納米碳材料可作為優秀的生物傳感器，用于體內特異性靶向的多功能藥物/基因載體，用于癌癥治療的有效光熱納米劑，和有希望的熒光納米纖維用于細胞和組織成像。本綜述系統概述了納米碳材料的最新治療應用，綜合比較了不同納米碳材料的特性及其對治療應用的影響。我們首先介紹了可用于治療診斷應用的不同碳同素異形體及其各自的制備和表面官能化方法以及它們的物理和化學性質。通過突出顯示方案和研究的生物系統，然后是毒性和生物降解性含義，在體外和體內系統中分別描述了治療診斷應用。最后，本綜述概述了納米碳材料作為關鍵統一主題的設計考慮因素，這些主題將作為研究人員研究，研究和生成有效的，生物相容的，無毒的基于納米碳材料的癌癥治療應用模型的基本第一原則。最后，我們總結了這篇綜述，展望了使用納米碳材料治療難以治療的癌癥和其他疾病的挑戰和新的治療方案。本綜述旨在根據納米碳材料的具體要求，為納米碳材料和生物醫學研究人員提供納米碳材料選擇策略的綜合指南。

Nanocarbons for Biology and Medicine: Sensing, Imaging, and Drug Delivery

(Chem. Rev., 2019, DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00099)

許改霞，博士，教授，博士生導師，廣東省“特支計劃”百千萬工程青年拔尖人才，深圳市地高層次專業人才-地方級領軍人才，廣東省生物物理學會理事。主要從事生物光子學和納米醫學研究，近年來主持國家自然科學基金、廣東省自然科學基金等項目8項；研究成果發表在Advanced Materials, Chemical Reviews等國際知名雜志，共發表論文80余篇，被引1300余次；獲得廣東省科學技術獎自然科學獎三等獎、深圳市科學技術獎自然科學獎二等獎、南粵科技創新優秀學術論文獎三等獎。

研究方向
1. 熒光納米材料的生物醫學應用研究
2. 新型顯微成像方法的生物醫學研究

本文由材料人學術組tt供稿，材料牛整理編輯。

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