一种用于靶向检测三阴性乳腺癌的红色发光碳点与适配体功能化海藻酸盐结合系统

《Biomaterials Science》：A red emitting carbon dot and aptamer-functionalized alginate system for targeted triple-negative breast cancer imaging

靶向三阴性乳腺癌的碳点-聚丙烯酰胺-aptamer复合系统构建及其成像与光热治疗潜力

　　癌症作为全球范围内严重的健康问题之一，其高死亡率促使科学家不断探索新的诊断和治疗方法。近年来，发光碳点（Carbon Dots, CDs）因其独特的物理化学特性，如生物相容性、可调的荧光发射、高光稳定性、水溶性和可表面功能化等，受到了广泛关注。这些特性使其在生物成像、纳米医学、化学与生物传感、药物递送和癌症治疗等领域展现出巨大的应用潜力。特别是红色发射碳点（Red Emitting Carbon Dots, RCDs），它们在光疗窗口（通常为近红外波段）表现出优异的光学性能，具有良好的组织穿透能力、低自发荧光和高成像对比度，因此在生物成像和光热治疗方面正迅速发展。

为了进一步提升RCDs在生物医学中的应用价值，研究人员设计了一种新型的多功能系统，将RCDs与海藻酸（Alginate, Alg）以及靶向三阴性乳腺癌（Triple-Negative Breast Cancer, TNBC）的适配子（Aptamer）相结合。该系统不仅能够实现对TNBC细胞的特异性识别，还能在成像和光热治疗中发挥重要作用。适配子作为一种替代抗体和肽的识别元件，因其化学合成简便、成本低、时间短且具有高可重复性，成为癌症靶向识别的理想选择。此外，适配子还具备多种化学修饰的可能性，可以增强其半衰期、降低毒性，并与不同的治疗或诊断纳米制剂进行偶联。

海藻酸是一种阴离子天然生物聚合物，由α-葡萄糖醛酸（G）和β-甘露糖醛酸（M）单元通过1,4-糖苷键连接而成。它主要来源于褐藻，因其良好的生物相容性、可生物降解性和可化学修饰的特性，广泛应用于生物医学领域，包括凝胶制备、组织工程和药物递送等。通过将RCDs与海藻酸偶联，研究人员不仅保留了RCDs的发光特性，还利用海藻酸的生物相容性增强了系统的整体安全性。

在实验过程中，研究人员首先通过溶剂热法合成了RCDs，并对其进行了详细的表征，包括傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、透射电子显微镜（TEM）和紫外-可见吸收光谱等。随后，将RCDs与海藻酸进行偶联，使用EDC和NHS作为偶联剂，使海藻酸的羧酸基团与RCDs的氨基基团形成酰胺键。这一过程通过透析纯化后得到了RCDs@Alg复合物。接着，将适配子sTN58与RCDs@Alg进行偶联，形成RCDs@Alg@sTN58系统，而与随机序列适配子SCR偶联则作为对照组，形成RCDs@Alg@SCR系统。通过RT-qPCR方法评估了适配子的偶联效率，结果显示sTN58的偶联效率为4.2%，表明该偶联方法具有较高的选择性和稳定性。

为了验证系统的靶向识别能力，研究人员使用了多种细胞模型，包括CD44阳性的MDA-MB-231和BT-549三阴性乳腺癌细胞系以及对顺铂耐药的MDA-MB-231衍生细胞（cis-Pt-R）。这些细胞均表达CD44蛋白，而sTN58适配子能够特异性地与CD44结合，从而实现对TNBC细胞的靶向识别。通过共聚焦显微镜观察发现，RCDs@sTN58系统在TNBC细胞中表现出显著的荧光信号，且信号强度随时间增加而增强，最终在细胞膜下和细胞核内积累，表明该系统能够有效地被细胞摄取。而在CD44阴性的BT-474细胞中，未观察到明显的荧光信号，进一步证明了sTN58的特异性识别能力。

除了靶向识别能力，该系统还展示了良好的光热治疗潜力。光热治疗（Photothermal Therapy, PTT）是一种利用特定材料将光能高效转化为热能以杀死癌细胞的治疗方法。研究人员使用808 nm波长的近红外激光对不同浓度的RCDs及其复合物进行了光热实验。结果表明，随着RCDs浓度和激光功率的增加，温度上升幅度也随之增大。例如，在3 mg mL?1的RCDs浓度和3 W cm?2的激光功率下，温度上升可达31.9 °C，这表明RCDs在光热治疗中具有较高的效率。值得注意的是，即使在较低的RCDs浓度（0.1 mg mL?1）和中等激光功率（2 W cm?2）下，系统仍能产生足够的温度上升（4.9 °C），足以达到温和的光热效应（41–43 °C），从而为后续的联合治疗提供支持。

为了进一步评估系统的稳定性，研究人员在模拟生物环境的PBS缓冲液中对RCDs@Alg@sTN58进行了长时间监测。结果显示，其吸收和发射光谱在72小时内基本保持不变，且Zeta电位和形态也未发生明显变化，表明该系统在生物环境中具有良好的稳定性。此外，系统在激光照射前后未出现光诱导降解现象，这与传统的金属纳米系统相比是一个显著的优势，因为后者在激光照射下常会出现结构重塑或降解。

在光热治疗方面，研究人员还比较了纯海藻酸（Alg）与RCDs@Alg在相同条件下的性能。结果表明，RCDs@Alg在0.5 mg mL?1浓度下，即使在3 W cm?2的激光功率下，也能产生12.3 °C的温度上升，远高于纯海藻酸的3.1 °C。这表明，RCDs的引入显著提升了系统的光热性能，使其在癌症治疗中具有更大的应用前景。

本研究中开发的RCDs@Alg@sTN58系统，不仅具备良好的生物相容性和靶向识别能力，还展现出优异的光热性能。这种多功能纳米系统可以作为生物成像和光热治疗的平台，为TNBC的精准诊断和治疗提供了新的思路。未来的研究将进一步探索该系统在体内的应用效果，包括其在动物模型中的靶向性、治疗效果和安全性，以推动其向临床转化。

从技术角度来看，RCDs的合成过程相对简单，且能够通过表面功能化与多种生物分子偶联，使其具备更广泛的应用可能性。这种基于碳点的纳米材料不仅能够作为荧光探针用于靶向成像，还能作为光热治疗的载体，为癌症的综合治疗策略提供了新的工具。同时，海藻酸的使用使得系统在生物相容性和可降解性方面具有优势，有助于减少对正常组织的损伤，并提高治疗的安全性。

综上所述，本研究通过将RCDs与海藻酸和sTN58适配子结合，构建了一种具有靶向识别和光热治疗双重功能的纳米系统。该系统的成功开发为癌症的精准治疗提供了新的方向，尤其是在三阴性乳腺癌的治疗中，由于其高度异质性和对传统化疗的耐药性，开发高效的靶向治疗手段尤为重要。未来的研究将致力于优化该系统的性能，探索其在体内环境中的应用，并进一步评估其在临床转化中的潜力。