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東南吳富根綜述：碳點作為藥物遞送載體的抗微生物應用 |前沿用戶報道
背景介紹
由細菌、真菌或病毒等微生物引發(fā)的疾病，已成為人類健康所面臨的重大挑戰(zhàn)。隨著商品化抗生素的濫用，耐藥微生物也在以驚人的速度進化。此外，目前的許多抗菌藥物仍有一些缺點，如：水溶性差、生物相容性不理想、缺乏治療的靶向性等等。因此，我們需要開發(fā)新的策略，將這些抗菌劑有效地運輸?shù)竭_靶組織，并精確地控制其抗微生物活性，以增強其對耐藥微生物的療效，減小副作用。
碳點，由于其顯著的化學穩(wěn)定性、良好的生物相容性和較好的水分散性，正被廣泛應用于生物醫(yī)學研究中。一些碳點還被證實具有顯著的細胞內(nèi)吞與固有的光動力效應。此外，由于碳點表面豐富官能團的存在，不同分子的表面修飾也變得容易實現(xiàn)。因此，碳點已成為小分子抗微生物藥物的常用載體。
近日，東南大學的吳富根教授課題組綜述了碳點作為藥物遞送載體的抗微生物應用。相關成果以“Carbon Dots as Drug Delivery Vehicles for Antimicrobial Applications: A Minireview”為題，受邀發(fā)表在Wiley期刊?ChemMedChem?上。論文的第一作者為東南大學的本科生王子熙。
該綜述按照微生物的種類進行版塊劃分，詳細介紹了碳點作為小分子藥物遞送載體，用于抗細菌、抗真菌以及抗病毒的應用（圖1）。
圖文導覽
01
碳點載藥的抗細菌應用
碳點載藥的抗細菌應用主要可分為三類：載抗生素、載光敏劑、載其他新型抗菌藥物（功能性化合物、納米顆粒、氣體分子）。
與碳點結(jié)合的主要抗生素包括：環(huán)丙沙星、阿莫西林、氨芐青霉素、甲硝唑等。與游離抗生素相比，抗生素接枝的碳點具有良好的生物相容性、更高的細胞通透性和一定的藥物緩釋特性。此外，由于碳點固有的光致發(fā)光性質(zhì)，抗生素接枝碳點還可被設計成多功能抗菌系統(tǒng)，可同時用于控制藥物遞送和生物成像。?
將光敏劑結(jié)合到碳點上有時可以增強光敏劑的活性氧產(chǎn)生能力，這可能是碳點的光誘導發(fā)射的熒光與能夠有效激活光敏劑的吸收峰相重疊，從而使能量從碳點轉(zhuǎn)移到光敏劑上的緣故。此外，碳點本身也可能具有顯著的光動力效應和抗菌活性，能夠進一步增強光動力治療效果。?
通過將研究者們新開發(fā)的抗菌劑，如功能性化合物、納米顆粒或者治療型氣體分子負載到碳點上，則可以進一步擴大這些新型抗菌藥物的應用范圍，拓寬碳點作為藥物載體抗菌的研究思路。比如，吳富根課題組設計了一種基于季銨化碳點的，可同時用于細菌殺傷和細菌識別的納米系統(tǒng)（Yang et al., ACS?Appl.?Mater.?Interfaces?2016,?8, 32170.）。該納米系統(tǒng)是通過將氨基化的碳點和十二烷基甜菜堿共價連接形成的。十二烷基甜菜堿是一種季銨化合物，含有羧基、長鏈烷烴和季銨基。羧基使其能夠與制備的氨基化碳點通過氨基-羧基反應結(jié)合，長鏈烷烴則確保該納米系統(tǒng)能夠成功插入細菌細胞壁/膜，以提高季銨鹽基團的抗菌效率。由于革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌細胞壁的結(jié)構(gòu)差異，季銨化的碳點可以選擇性地殺滅革蘭氏陽性菌并成像。實驗證明，與傳統(tǒng)的革蘭氏染色法區(qū)分革蘭氏陰陽性菌相比，基于該碳點系統(tǒng)的細菌革蘭氏類型鑒定方法更簡單、更快捷。
02?
碳點載藥的抗真菌應用
和細菌感染相比，真菌感染同樣威脅著人類健康。在各種真菌病原體中，白色念珠菌是導致感染性疾病的最常見病原體，也是造成侵襲性真菌感染的主要（超過90%病例）原因。因此，白色念珠菌的檢測和清除已成為抗真菌藥物研究的熱點之一。通過利用碳點作為抗真菌藥物載體，一些研究人員提供了能夠有效檢測和緩解白念珠菌感染的思路。
例如，Yu等人用抗真菌藥物兩性霉素B修飾氮摻雜碳點，實現(xiàn)了白色念珠菌的熒光檢測（Yu et al.,?Bioconjugate Chem.?2019,?30, 966.）。在和碳點結(jié)合后，兩性霉素B能夠通過配體-受體相互作用連接到細胞表面的受體上，配合碳點自身的熒光，從而實現(xiàn)白色念珠菌的選擇性識別（圖2a）。相似地，在Li等人的研究中，兩性霉素B被共價接枝到正電荷紅光發(fā)射碳點表面，用于增強的抗白色念珠菌感染治療（Li et.,ACS Appl. Mater. Interfaces 2019,11,46591.）。實驗證實，所制備的碳點納米系統(tǒng)可以很好地聚集在白色念珠菌細胞周圍，并在游離菌和生物膜兩種形式中均表現(xiàn)出較明顯的抗真菌效果（圖2b）。
除了上述的一些研究，碳點-藥物系統(tǒng)還可以應用于抗木腐菌以及木材保存。Zhao等人制備了連翹負載的碳點，具有較好的抗木腐菌性能（Zhao et al.,?Mater.?Des.?2021,?206, 109800.）。連翹是一種著名中藥，對木腐菌具有明顯的抑制作用。然而，由于中草藥中有效的抗真菌成分很容易失活或丟失，連翹的應用受到提取工藝等技術(shù)瓶頸的限制。通過將連翹載入具有較好生物相容性和抗菌活性的碳點中，研究者們實現(xiàn)了對傳統(tǒng)中藥抗真菌效果的增強（圖2c）。
圖2. （a）與兩性霉素B接枝的氮摻雜碳點的制備及其檢測白色念珠菌的能力示意圖（Yu et al., Bioconjugate Chem. 2019, 30, 966.）
（b）兩性霉素B結(jié)合紅光發(fā)射碳點介入感染治療后，保護組織免受白念珠菌侵襲的示意圖（Li et al., ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 46591.）
（c）裝載連翹的碳點的合成及其天然耐腐性實驗的示意圖（Zhao et al., Mater. Des. 2021, 206, 109800.）
03
碳點載藥的抗病毒應用
近兩年來，COVID-19的快速傳播引發(fā)了全球性的災難，這就要求我們進一步提升快速有效地檢測和治療病毒性疾病的能力。一些研究人員利用碳點的獨特優(yōu)勢，構(gòu)建了可用于病毒靈敏檢測與治療的納米平臺。
在這一部分中，作者主要介紹了非核苷逆轉(zhuǎn)錄酶抑制劑（圖3a）、治療性核酸（圖3b）和疫苗這三種抗病毒試劑與碳點的結(jié)合。與抗細菌和抗真菌藥物的遞送相似，碳點與抗病毒藥物的組合也可以克服游離藥物的水溶性差等缺點，從而實現(xiàn)增強的抗病毒能力。這一類碳點納米系統(tǒng)，很可能是商業(yè)藥的合適替代品。隨著病毒傳染病不斷影響我們的日常生活，廉價、大量地生產(chǎn)新型有效的抗病毒藥物已成為當務之急。碳點易于制備、易于修飾，在不久的將來很可能會在研制可抑制病毒感染的新型藥物中大放異彩。
圖3. （a）逆轉(zhuǎn)錄酶抑制劑結(jié)合碳點的制備與抗病毒機制的示意圖 （Iannazzo et al., Bioconjugate Chem. 2018, 29, 3084.）
（b）鎖核酸（LNA）聯(lián)合碳點治療卡波濟肉瘤相關皰疹病毒（KSHV）誘發(fā)癌癥的機制示意圖 (Ju et al., ACS Nano 2020, 14, 476.)
總結(jié)與展望
具有豐富官能團的碳點能夠允許各種功能分子的表面附著，以用于所需求的抗細菌、抗真菌或抗病毒應用，表1總結(jié)了碳點上的官能團與對應基團的表面修飾反應類型。迄今為止，主要有四種類型的功能分子能夠被碳點遞送，并發(fā)揮效果：
（1）普通抗生素，它可以與碳點相連，從而增強細胞毒性；
（2）光敏劑，它可以與碳點結(jié)合，以增強光動力治療療效；
（3）抗真菌藥物，可通過碳點遞送至感染部位，用于精確檢測和殺死真菌；
（4）抗病毒藥物和疫苗，它們可以通過與碳點結(jié)合，增強針對病毒感染的保護。
表1. 碳點上的官能團及常用的修飾反應
縮寫：EDC: 1-（3-二甲氨基丙基）-3-乙基碳化二亞胺，NHS:N-羥基琥珀酰亞胺，DMAP: 4-二甲氨基吡啶。
由于CDs固有的光致發(fā)光特性，上述功能分子與碳點連接，可以很容易地構(gòu)建多功能的診療平臺。
但是，碳點作為納米藥物遞送載體，仍然需要克服一些挑戰(zhàn)：
（1）碳點的抗真菌與抗病毒應用，應受到更多重視，需要更大量的研究示例去驗證；
（2）許多碳點發(fā)射波長較短，不適合體內(nèi)信號跟蹤，因此迫切需要開發(fā)更多的用于抗微生物的紅光發(fā)射甚至近紅外發(fā)射的碳點；
（3）抗菌劑接枝后，碳點的光致發(fā)光特性可能或多或少受到影響，需要研究如何巧妙接枝，以維持碳點的光致發(fā)光性能；
（4）應開發(fā)更多的具有光催化、酶模擬、光動力和光熱性質(zhì)的其他功能性碳點，并與抗菌劑結(jié)合，以實現(xiàn)更好的協(xié)同治療效果。
儀器推薦
Duetta 熒光及吸收光譜儀
本實驗使用了Duetta熒光及吸收光譜儀進行熒光測試。Duetta擁有專利A-TEEM?分子指紋技術(shù)，同時獲得吸收與三維全譜，同時進行內(nèi)濾校正。標配超快先進的CCD技術(shù)，能在100毫秒內(nèi)采集250 nm-1100 nm校正光譜信息。擁有高水平的靈敏度，意味著可測更低濃度的樣品，并提供更準確的數(shù)據(jù)。
