SmartMat |研究论文：用于肿瘤成像和治疗的近红外化学发光碳纳米凝胶

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文章简介

利用自组装化学发光碳化聚合物点（CPDs）设计了具有活性氧（ROS）成像和光动力治疗双重能力的碳纳米凝胶（CNGs）。凭借高效的深红色/近红外化学发光（CL）发射和独特的光动力能力，郑州大学单崇新教授课题组通过组装聚合物缀合物和CL供体，进一步设计了H2O2驱动的化学发光CNG，使其能够在动物炎症模型中进行体外和体内ROS生物成像，并为异种移植物肿瘤提供高效治疗。从机制上讲，在炎症部位或肿瘤微环境中产生的ROS可以在过氧碳酸盐和H2O2的化学反应中触发化学引发的电子交换发光，从而实现体内CL成像。同时，部分激发态电子将转移到环境中的H2O或溶解氧，进而导致I型和II型光化学ROS产生羟基自由基或单线态氧，赋予肿瘤细胞凋亡，从而实现癌症治疗。这些结果为设计用于生物成像和抗口腔弹性剂的多功能纳米材料开辟了一条新途径。

图文导读

图 1. CPD及其组装CNG的合成。（A）CPD及其CNG的编制示意图。（B）CPD-1的透射电子显微镜（TEM，左）、高分辨率TEM（HRTEM，右上）图像和选区电子衍射（SAED，右下）图案（TEM插图：CPD-1的尺寸分布）。（C）原子力显微镜（AFM）图像，插图：（C）中沿线的高度轮廓。（D）这些CPD的XRD图谱。（E）这些CPD的傅立叶变换红外（FTIR）光谱。（F） CNGs-1的TEM（左）和HRTEM（右上）图像以及SAED（右下）图案（TEM插图：CNGs-1的尺寸分布）。（G）CNGs-1的AFM图像，插图：（F）中沿线的高度轮廓。（H） CPDs-1在乙醇中和CNGs-1在水中的PL强度，插图：分散在乙醇（左）和水中的CPDs（右）在365nm紫外线灯下的照片。（I）CNGs-1在水溶液中的动态光散射（DLS）分布。（J）CPDs-1在CDCl3中的1H和13C NMR光谱（插图）。（K） CPDs-1的高分辨率XPS C1s光谱的全面调查X射线光电子能谱（XPS）（插图）。（L）CPDs-1的高分辨率XPS O1s光谱。（M） CPD的类聚合物结构示意图。CNG，碳纳米凝胶；CPD，碳化聚合物点；核磁共振，核磁共振；PL、光致发光；XRD、X射线衍射。

图 2. 化学发光CPD和光动力CNG。（A）这五种CPD在乙醇溶液中的光致发光（PL）激发（EX）和发射（EM，在410 nm处监测）光谱（插图：在365 nm UV灯下的乙醇溶液中相应CPD的照片）。（B）这五种CPD的化学发光（CL）光谱（插图：这些CPD的CL照片）。（C）CPDs-1在水/乙醇混合物中的PL强度随着水含量的增加而降低，插图：不同溶液中CPDs-1自组装性质的示意图。（D） CPDs-1在水/乙醇混合物中随水含量增加的时间分辨衰变光谱。（E）这五种CPD在410-nm激发下的PL QY，发射范围为600至800 nm。（F）这五种CPD的CL QY的发射范围为600至800 nm。（G） CPDs-1的高分辨率XPS N1s光谱。（H）CPDs-1的吸收光谱，插图：650 nm附近的归一化吸收和PL发射光谱。（I）CNGs-1辐照后的ESR光谱，用于检测1O2、•OH和•−O2的不同ROS物种。（J）提出了水、溶解氧和CNG在光或化学照射下相互作用的机制。CNG，碳纳米凝胶；CPD，碳化聚合物点；活性氧；XPS、X射线光电子能谱。

图 3. ROS响应化学发光CNG的设计和合成。（A）化学发光CNG（CCNGs）的制备示意图。（B）说明在H2O2存在下，这些CPD作为光敏剂（PS）的CL发射和1O2、•OH和•−O2产生的原理。（C）CCNGs-1的TEM图像和不同尺寸纳米颗粒的HRTEM图像。（D）这些CCNGs水溶液在阳光下的照片。（E）这些CCNG的DLS分布。（F）在存在和不存在50 μmol/L H2O2 PBS溶液的情况下，这些CCNGs的CL强度，插图：在存在和没有H2O2的情况下用30秒的CCNGs拍摄的相应照片。通过将1 mL CCNGs水溶液（10 mg/mL）添加到1 mL H2O2（200 mmol/L）中（EM狭缝＝20 nm，PMT电压＝950 V）来检测这些CCNGs的CL发射光谱（G）和动态CL强度（H）。（I） CCNG的这五个Hind的相应CL QY。CL，化学发光；CNG，碳纳米凝胶；DLS，动态光散射；HRTEM，高分辨率透射电子显微镜；PBS、磷酸盐缓冲盐水；活性氧；TEM、透射电子显微镜。

图 4. 炎症的体外和体内ROS响应CL成像。（A）活性氧（ROS）的可激活CL成像的示意图。（B）在存在不同浓度的H2O2 PBS溶液的情况下，这些CCNG的CL图像（左）和相应的CL强度（右）。（C）腹膜内用生理盐水、Zymosan和Zymosan+谷胱甘肽（GSH）处理的腹膜炎小鼠模型中内源性H2O2的体内CL成像（左）和体内图像的相应定量CL强度（右）。（D）在50 μmol/L H2O2 PBS溶液存在40分钟的情况下，时间分辨CL成像（左）和这些CCNG的CL强度的相应量化（右）。（E）在用Zymosan腹膜内治疗的腹膜炎小鼠模型中，时间分辨CL成像（左）和这些CCNG的CL强度的相应量化（右）。从用生理盐水、Zymosan和Zymosan+GSH处理的小鼠分离的结肠组织的H&E染色切片的显微镜图像（F）和HAI评分（G）。比例尺，50 μm。用生理盐水、Zymosan和Zymosan+GSH处理的小鼠的炎症评分（H）、壁腹膜厚度（I）和H2O2水平（J）。（K）发光强度与H2O2水平的相关性分析。（B）−（E）、（G）和（J）中的数据为平均值±SEM（n=3）。化学发光碳纳米凝胶；CL，化学发光；H&E、苏木精和伊红；PBS、磷酸盐缓冲盐水。

图 5. 化学发光CNG的体外和体内抗肿瘤活性。（A）用不同浓度的CPDs-1孵育的细胞的相对存活率。（B）具有不同浓度CCNGs-1的细胞的相对存活率。流式细胞术效应（C）和用DCFH-DA孵育的CCNGs-1作为探针处理和未处理的A549细胞中ROS浓度的代表性定量数据（D）。（E）通过伤口愈合测定，用CCNGs-1处理后A549细胞面积的显微镜图像（左）和代表性定量倍数变化（右）。（F）通过transwell测定用CCNGs处理24小时后A549细胞的细胞迁移的显微镜图像（左）和代表性数量（右）。比例尺，100 μm。（G）对照组和CCNGs‐1治疗组小鼠的代表性数码照片。比例尺，2 cm。不同处理后每3天记录一次裸鼠的小鼠体重（H）和肿瘤体积（I）的变化。比例尺，1 cm。（J）从杀死的小鼠身上切除的肿瘤的数字照片（左）和代表性定量重量（右）。对照组（K）和CCNGs‐1治疗组（L）的裸鼠从DSS刺激的小鼠中分离的肝脏和肾脏的H&E染色切片的显微镜图像。比例尺，100 μm。（B）−（E）、（G）和（J）中的数据为平均值±SEM（n=6）。化学发光碳纳米凝胶；CNG，碳纳米凝胶；CPD，碳化聚合物点；ROS，活性氧。

图 6. CCNGs介导的抗肿瘤活性的机制。流式细胞术分析（A）和凋亡率的代表性定量数据（B）。（C） TUNEL Cle-Cas3和DAPI标记分析（左）以及石蜡切片中细胞凋亡的定量分析（右）。（D）共聚焦显微镜图像（左）和定量分析（右）显示了DHE探针孵育的A549细胞中的ROS。比例尺，100 μm。从对照组（E）和CCNGs-1治疗组（F）的处死小鼠身上取出的肿瘤H&E染色切片的显微镜图像。比例尺，1 mm（左）和100 μm（右）。（G）在用/不用CCNGs-1处理24小时后，A549细胞中总的和裂解的胱天蛋白酶-3的代表性蛋白质印迹带（左）和定量分析（右）。（h）CCNGs‑1抗肿瘤机制的示意图。（B）−（E）和（G）中的数据为平均值±SEM（n=6）。化学发光碳纳米凝胶；H&E、苏木精和伊红；活性氧；TUNEL，末端脱氧核苷酸转移酶介导的脱氧尿苷三磷酸缺口末端标记。

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