东南大学吴富根团队Small：源自蜡烛灰的碳纳米洋葱簇用于影像介导的肿瘤光热治疗

【引言】

癌症是威胁人类健康的头号杀手之一。目前，仅有手术、放射疗法、化学疗法广泛应用于癌症治疗。但是上述治疗手段在杀伤癌细胞的同时也会破坏正常组织和免疫系统，或导致癌细胞对治疗的耐受性增强从而使病情进一步恶化。近年来，光热疗法（PTT）作为一种新型肿瘤治疗方法，凭借其对机体创伤小、癌细胞难产生耐受性等优点吸引了学者们的广泛关注。PTT通常利用高光热转换效率的材料在肿瘤区域富集，然后在与外部光源（出于穿透深度考虑通常选用近红外光）照射下产生局部高温杀灭癌细胞。PTT的核心便是光热试剂（PTAs）的制备。尽管人们开发了多种有机、无机PTAs，但是多数有机PTAs在光照下不稳定或光热转化率不尽如人意；无机PTAs通常含有重金属，其在体内的长期蓄积可能引发安全性问题。因此，开发新型PTAs在肿瘤诊疗等领域具有重大意义。多种碳材料（如碳纳米管、氧化石墨烯、部分碳量子点、纳米金刚石等）生物相容性好并在近红外区有吸收，因而被用作PTAs。碳纳米洋葱作为碳材料家族较年轻的成员，其繁复的制备方法和苛刻的制备条件严重影响了其应用。另外，碳纳米洋葱的光热性质也未得到充分重视。

【成果简介】

最近，东南大学吴富根教授团队报道了一种源自蜡烛灰的水分散性碳纳米洋葱簇，并将其用于影像介导的肿瘤光热治疗。簇状的碳纳米洋葱在蜡烛燃烧的过程中生成，作者通过在硫酸和硝酸混合液（硫酸和硝酸的体积比为3：1）中50^oC超声处理蜡烛灰4小时得到了水分散性碳纳米洋葱簇（CNOCs）。制得的CNOCs可以在水中稳定分散超过一年不沉淀，并且在磷酸盐缓冲液（PBS）、细胞培养基中具有良好的胶体稳定性，利于其生物医学应用。此外，CNOCs的光热性质在已有的PTAs中名列前茅，其消光系数高达15.0 L g⁻¹ cm⁻¹，光热转化率高达57.5%，并具有很好的光稳定性。同时CNOCs在很大范围的浓度内对细胞无明显毒性，显示出良好的生物相容性。但是作者在实验中发现细胞对CNOCs的内吞很少，不利于高效的PTT。为增加细胞内吞，作者利用短链聚乙烯亚胺（PEI， Mw≈600 Da）、聚乙二醇（PEG，Mw≈5000 Da）对CNOCs进行了表面修饰。所得CNOCs-PEI-PEG一方面沿袭了CNOCs的优异光热性质（光热转化率为56.5%）和生物相容性，另一方面极大地促进了细胞内吞。作者还发现了一个十分有趣的现象，A549（一种肺癌细胞）在含5 μg mL^-1 CNOCs-PEI-PEG的培养基中孵育24 h后，经过胰酶消化、离心得到的细胞团变为黑色，相比之下即使经过100 μg mL^-1 CNOCs处理24 h的A549离心得到的细胞团仍旧为白色，说明A549对CNOCs-PEI-PEG的摄取效率比CNOCs高出至少20倍。所以作者在后续实验中将CNOCs-PEI-PEG作为主要研究对象。通过共聚焦显微镜观察，CNOCs-PEI-PEG在被细胞内吞后会在溶酶体中发生聚集，为前述实验中黑色细胞团提供了微观层面的证据。随后在小鼠体内实验中，经过光热成像/光声成像的双重介导，作者证明CNOCs-PEI-PEG可以通过EPR效应被动靶向肿瘤，并在近红外光照射下可以使肿瘤区域升温，进而实现小鼠皮下移植瘤的完全消融。为进一步探索CNOCs-PEI-PEG的生物分布，作者利用Cy5对其进行荧光标记，实验结果表明小鼠可在一周之内将CNOCs-PEI-PEG-Cy5排出体外。上述研究成果以题为“Water-Dispersible Candle Soot–Derived Carbon Nano-Onion Clusters for Imaging-Guided Photothermal Cancer Therapy”发表在Small（2019, 15, 1804575）上，东南大学生物科学与医学工程学院硕士生孙炜为文章第一作者，吴富根教授为通讯作者。

【图文导读】

图一、CNOCs与CNOCs-PEI-PEG的制备与表征。

（a）CNOCs与CNOCs-PEI-PEG的制备示意图。

（b）CNOCs的TEM和HRTEM图。

（c）CNOCs的FTIR光谱图。

（d）CNOCs的UV−vis光谱图。

（e）不同浓度CNOCs分散液在808 nm的消光值。

（f）CNOCs-PEI-PEG的TEM和HRTEM图。

（g）CNOCs、CNOCs-PEI、CNOCs-PEI-PEG的水动力学直径。

（h）CNOCs、CNOCs-PEI、CNOCs-PEI-PEG的zeta电位。

图二、CNOCs-PEI-PEG的体外细胞存活率（与CNOCs进行对比）。

（a）CNOCs-PEI-PEG的细胞毒性。

（b）与不同浓度CNOCs或CNOCs-PEI-PEG共孵育后的A549细胞经消化、离心后得到的细胞团照片。

（c）（b）中细胞团在808 nm近红外光照射下的升温曲线。

（d）经不同处理后A549细胞的凋亡/坏死情况统计。

（e）（b）中细胞团在808 nm近红外光照后的细胞存活率。

图三、A549细胞经过不同处理后的死活染色共聚焦显微镜图。   

图四、CNOCs-PEI-PEG在A549细胞内的亚细胞定位（与CNOCs相比较）。

（a）−（c）与CNOCs或CNOCs-PEI-PEG 共孵育后的A549细胞经过Hoechst 33342、LysoTracker Red共染的共聚焦显微镜图。

（d）c₄ 虚线选框部分的放大图。

（e）（d）中路径的线强度分析。

【小结】

综上，本文开发了一种简单的方法制备出一种新型的PTA：源自蜡烛灰的水分散性CNOCs，它具有高胶体稳定性、易表面修饰性、高光热转化率、以及良好的生物相容性。与CNOCs相比，经过PEI、PEG修饰后得到的CNOCs-PEI-PEG除具有以上优点之外，其被细胞摄取率显著增加，进而可大大提高其体外的光热治疗效果。作者还利用CNOCs-PEI-PEG实现了小鼠体内双模态光声成像/光热成像介导的高效肿瘤光热治疗。此外，作者通过Cy5修饰的CNOCs-PEI-PEG，追踪了CNOCs-PEI-PEG-Cy5在小鼠体内的生物分布，并证明小鼠可在七天之内将其完全排出体外。无论是CNOCs还是CNOCs-PEI-PEG，它们的优异性质为其在生物医学领域乃至更广阔的应用领域（如催化、能源、环境等领域）提供了更多可能。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.201804575

本文由东南大学吴富根教授团队供稿，材料人编辑部Alisa编辑。

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