NML研究文章｜“智能快递员”：荧光介孔硅-碳点赋能药物递送

2  所制备的MSNs‒CDs纳米杂化物展现出稳定且明亮的黄光发射、良好的生物相容性及对叶酸受体过表达的癌细胞具有靶向的功能，可作为一种荧光成像引导下的药物载体，有效地向肿瘤部位递送抗癌药物。

目前，化疗仍是大多数癌症的主要治疗选择。然而，化疗效果易受系统毒性、非特异性相互作用和多药耐性的影响，这些因素同时会造成严重的毒副作用。为了降低化疗毒副作用并提高治疗效果，研究者们将关注的重点转向了药物递送系统(drug delivery systems, DDSs)。

在多种以纳米材料为基础的DDSs中，介孔硅纳米颗粒(MSNs)以其独特的性质，包括介孔结构、大的比表面积与孔体积、高的生化和理化稳定性、特别是良好的生物相容性等，已被证明是细胞内药物递送的优良载体。

为了进一步提高DDSs的治疗效果，学者们期望能够同时赋予其诊断与靶向的能力。碳点(carbondots, CDs)，作为一种新型的荧光碳基纳米材料，近年来受到了广泛的关注。与有机染料、半导体量子点和上转换纳米颗粒相比，CDs具有制备简便、水溶性好、发光性能可调、光稳定性高及生物相容性好等优点。基于这些优越的特性，CDs已被用于制备具有诊断功能的荧光MSNs。

此外，叶酸受体(folate receptor, FR)在某些人类癌细胞表面过度表达，因此叶酸(folic acid, FA)常被用于与荧光染料和纳米颗粒结合，实现靶向癌细胞的选择性成像。

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中科院宁波材料所林恒伟&北京理工大学束庆海通过FA与氨基功能化的MSNs之间的溶剂热反应，开发出了一种原位制备荧光MSNs‒CDs纳米杂化物的简便方法。

制备的MSNs‒CDs纳米杂化物不仅表现出强而稳定的黄光发射，还保留了MSNs的独特性质，进一步展现了荧光成像引导下递送抗癌药物的能力。

特别地，该MSNs‒CDs纳米杂化物可选择性地靶向FR过表达的癌细胞，例如人宫颈癌细胞(HeLa)，能够在有效增强抗癌药物化疗效果的同时降低毒副作用。

荧光MSNs‒CDs纳米杂化物的光学、载药和药物控制释放性能

图3表明，随着激发波长从420 nm增加到520 nm，MSNs‒CDs纳米杂化物的发射波长只有轻微的红移，这种发射主要是由于FA前驱体在溶剂热反应过程中发生碳化，最终形成荧光CDs而产生。

通过计算，MSNs‒CDs纳米杂化物的DOX负载量高达250 mg/g，随后进行的不同pH下的DOX释放实验表明MSNs‒CDs纳米杂化物具有pH响应的控制释放行为。结合光稳定性的研究结果，MSNs‒CDs纳米杂化物可作为荧光成像引导下的载体用于抗癌药物的递送。

图3(a) 不同激发波长下MSNs‒CDs纳米杂化物的荧光发射光谱图；(b) 37℃和不同pH条件下MSNs‒CDs@DOX的体外释放曲线图。

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荧光MSNs‒CDs纳米杂化物的癌细胞靶向能力

如图4所示，对MSNs‒CDs纳米杂化物的生物相容性和靶向能力进行了细胞水平上的研究。

细胞毒性实验表明MSNs‒CDs纳米杂化物有良好的生物相容性，而不同类型细胞之间的细胞毒性差异可能来源于两方面：一是不同类型细胞对MSNs‒CDs纳米杂化物的摄取能力不同，二是不同类型细胞对外源物质的耐受性存在差异。

共聚焦荧光成像（CLSM）和流式细胞术结果一致证实了细胞摄取MSNs‒CDs的效率依赖于FR表达程度，即MSNs‒CDs能够选择性地靶向FR过表达的癌细胞，特别是HeLa细胞

图4 (a) 不同浓度（0、20、40、60、80和100 μg/mL）MSNs‒CDs纳米杂化物对四种细胞（HeLa、MCF-7、A549和L929）的细胞毒性；(b)-(c):与200 μg/mL MSNs‒CDs纳米杂化物孵育4h后，不同细胞的CLSM图像和流式细胞术分析结果。

图5所示的竞争实验进一步的证实了MSNs‒CDs纳米杂化物内化进入HeLa细胞主要是通过FR介导的内吞作用。

细胞水平上的结果表明MSNs‒CDs纳米杂化物可在荧光成像引导下将抗癌药物选择性地递送到FR过表达的癌细胞。

图5 (a) HeLa细胞与200μg/mL的MSNs‒CDs纳米杂化物孵育4 h的CLSM图像；(b) 作为对比，HeLa细胞首先用过量FA预处理使FR饱和，然后与200 μg/mL的MSNs‒CDs孵育4 h的CLSM图像。

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DOX负载的MSNs‒CDs纳米杂化物在细胞层面的治疗效果

如图6所示，我们初步评估了负载DOX后的MSNs‒CDs纳米杂化物(MSNs‒CDs@DOX)对肿瘤细胞的增强化疗效果。

结果表明，与当量浓度的DOX相比，MSNs‒CDs@DOX对HeLa细胞具有更高的疗效；此外，同样经过MSNs‒CDs@DOX处理，L929这类正常细胞的存活率明显高于HeLa和MCF-7两种癌细胞（尤其是HeLa细胞），表明MSNs‒CDs@DOX对正常细胞或组织具有更低的毒副作用。

上述结果表明，MSNs‒CDs纳米杂化物可作为抗癌药物的有效载体，能够在提高化疗效率的同时降低毒副作用。

图6(a)不同浓度的MSNs‒CDs@DOX和对应当量浓度的DOX对HeLa细胞的治疗效果；(b)不同浓度的MSNs‒CDs@DOX对L929、MCF-7和HeLa细胞的治疗效果。

作者简介

束庆海

（本文通讯作者）

特聘研究员

北京理工大学材料科学与工程学院

主要研究方向：

分子实验室的构建及其在环境检测、生物示踪、爆炸物检测方面的应用等。

Email: qhshu121@bit.edu.cn

林恒伟

（本文通讯作者）

研究员

中国科学院宁波材料技术与工程研究所

主要研究方向：

碳基纳米发光材料的性能调控与应用，新型传感技术开发与应用等

Email: linhengwei@nimte.ac.cn

赵帅

（本文第一作者）

博士研究生

北京理工大学材料科学与工程学院

中科院宁波材料技术与工程研究所联合培养

主要研究方向：

碳基纳米荧光材料的制备及其在生物医学领域的应用

E-mail: 2120161202@bit.edu.cn