东南吴富根综述：碳点作为药物递送载体的抗微生物应用 |前沿用户报道

HORIBA科学仪器事业部

2022.5.26

作者 HORIBA Scientific

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背景介绍

由细菌、真菌或病毒等微生物引发的疾病，已成为人类健康所面临的重大挑战。随着商品化抗生素的滥用，耐药微生物也在以惊人的速度进化。此外，目前的许多抗菌药物仍有一些缺点，如：水溶性差、生物相容性不理想、缺乏治疗的靶向性等等。因此，我们需要开发新的策略，将这些抗菌剂有效地运输到达靶组织，并精确地控制其抗微生物活性，以增强其对耐药微生物的疗效，减小副作用。

碳点，由于其显著的化学稳定性、良好的生物相容性和较好的水分散性，正被广泛应用于生物医学研究中。一些碳点还被证实具有显著的细胞内吞与固有的光动力效应。此外，由于碳点表面丰富官能团的存在，不同分子的表面修饰也变得容易实现。因此，碳点已成为小分子抗微生物药物的常用载体。

近日，东南大学的吴富根教授课题组综述了碳点作为药物递送载体的抗微生物应用。相关成果以“Carbon Dots as Drug Delivery Vehicles for Antimicrobial Applications: A Minireview”为题，受邀发表在Wiley期刊 ChemMedChem 上。论文的第一作者为东南大学的本科生王子熙。

该综述按照微生物的种类进行版块划分，详细介绍了碳点作为小分子药物递送载体，用于抗细菌、抗真菌以及抗病毒的应用（图1）。

图文导览

碳点载药的抗细菌应用

碳点载药的抗细菌应用主要可分为三类：载抗生素、载光敏剂、载其他新型抗菌药物（功能性化合物、纳米颗粒、气体分子）。

与碳点结合的主要抗生素包括：环丙沙星、阿莫西林、氨苄青霉素、甲硝唑等。与游离抗生素相比，抗生素接枝的碳点具有良好的生物相容性、更高的细胞通透性和一定的药物缓释特性。此外，由于碳点固有的光致发光性质，抗生素接枝碳点还可被设计成多功能抗菌系统，可同时用于控制药物递送和生物成像。

将光敏剂结合到碳点上有时可以增强光敏剂的活性氧产生能力，这可能是碳点的光诱导发射的荧光与能够有效激活光敏剂的吸收峰相重叠，从而使能量从碳点转移到光敏剂上的缘故。此外，碳点本身也可能具有显著的光动力效应和抗菌活性，能够进一步增强光动力治疗效果。

通过将研究者们新开发的抗菌剂，如功能性化合物、纳米颗粒或者治疗型气体分子负载到碳点上，则可以进一步扩大这些新型抗菌药物的应用范围，拓宽碳点作为药物载体抗菌的研究思路。比如，吴富根课题组设计了一种基于季铵化碳点的，可同时用于细菌杀伤和细菌识别的纳米系统（Yang et al., ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 32170.）。该纳米系统是通过将氨基化的碳点和十二烷基甜菜碱共价连接形成的。十二烷基甜菜碱是一种季铵化合物，含有羧基、长链烷烃和季铵基。羧基使其能够与制备的氨基化碳点通过氨基-羧基反应结合，长链烷烃则确保该纳米系统能够成功插入细菌细胞壁/膜，以提高季铵盐基团的抗菌效率。由于革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌细胞壁的结构差异，季铵化的碳点可以选择性地杀灭革兰氏阳性菌并成像。实验证明，与传统的革兰氏染色法区分革兰氏阴阳性菌相比，基于该碳点系统的细菌革兰氏类型鉴定方法更简单、更快捷。

碳点载药的抗真菌应用

和细菌感染相比，真菌感染同样威胁着人类健康。在各种真菌病原体中，白色念珠菌是导致感染性疾病的最常见病原体，也是造成侵袭性真菌感染的主要（超过90%病例）原因。因此，白色念珠菌的检测和清除已成为抗真菌药物研究的热点之一。通过利用碳点作为抗真菌药物载体，一些研究人员提供了能够有效检测和缓解白念珠菌感染的思路。

例如，Yu等人用抗真菌药物两性霉素B修饰氮掺杂碳点，实现了白色念珠菌的荧光检测（Yu et al., Bioconjugate Chem. 2019, 30, 966.）。在和碳点结合后，两性霉素B能够通过配体-受体相互作用连接到细胞表面的受体上，配合碳点自身的荧光，从而实现白色念珠菌的选择性识别（图2a）。相似地，在Li等人的研究中，两性霉素B被共价接枝到正电荷红光发射碳点表面，用于增强的抗白色念珠菌感染治疗（Li et.,ACS Appl. Mater. Interfaces 2019,11,46591.）。实验证实，所制备的碳点纳米系统可以很好地聚集在白色念珠菌细胞周围，并在游离菌和生物膜两种形式中均表现出较明显的抗真菌效果（图2b）。

除了上述的一些研究，碳点-药物系统还可以应用于抗木腐菌以及木材保存。Zhao等人制备了连翘负载的碳点，具有较好的抗木腐菌性能（Zhao et al., Mater. Des. 2021, 206, 109800.）。连翘是一种著名中药，对木腐菌具有明显的抑制作用。然而，由于中草药中有效的抗真菌成分很容易失活或丢失，连翘的应用受到提取工艺等技术瓶颈的限制。通过将连翘载入具有较好生物相容性和抗菌活性的碳点中，研究者们实现了对传统中药抗真菌效果的增强（图2c）。

图2. （a）与两性霉素B接枝的氮掺杂碳点的制备及其检测白色念珠菌的能力示意图（Yu et al., Bioconjugate Chem. 2019, 30, 966.）

（b）两性霉素B结合红光发射碳点介入感染治疗后，保护组织免受白念珠菌侵袭的示意图（Li et al., ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 46591.）

（c）装载连翘的碳点的合成及其天然耐腐性实验的示意图（Zhao et al., Mater. Des. 2021, 206, 109800.）

碳点载药的抗病毒应用

近两年来，COVID-19的快速传播引发了全球性的灾难，这就要求我们进一步提升快速有效地检测和治疗病毒性疾病的能力。一些研究人员利用碳点的独特优势，构建了可用于病毒灵敏检测与治疗的纳米平台。

在这一部分中，作者主要介绍了非核苷逆转录酶抑制剂（图3a）、治疗性核酸（图3b）和疫苗这三种抗病毒试剂与碳点的结合。与抗细菌和抗真菌药物的递送相似，碳点与抗病毒药物的组合也可以克服游离药物的水溶性差等缺点，从而实现增强的抗病毒能力。这一类碳点纳米系统，很可能是商业药的合适替代品。随着病毒传染病不断影响我们的日常生活，廉价、大量地生产新型有效的抗病毒药物已成为当务之急。碳点易于制备、易于修饰，在不久的将来很可能会在研制可抑制病毒感染的新型药物中大放异彩。