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本文综述了光激活碳基纳米材料（CBNs）在靶向癌症治疗中的进展。介绍了光疗方式及 CBNs 优势，阐述其在多种癌症中的应用、免疫反应影响、体内外验证等，探讨面临的挑战并展望未来，为癌症光疗研究提供全面参考。
1. 引言
癌症治疗面临诸多挑战，传统治疗方式如手术、化疗、放疗和免疫疗法都存在一定局限性。光疗作为一种新兴治疗策略，具有非侵入性、精确可控和选择性靶向癌细胞等优点，其中碳基纳米结构材料（CBNs）在光疗中备受关注。本文将深入探讨光激活癌症疗法的进展，重点关注 CBNs 在光疗中的应用，阐述其如何提高癌症治疗效果并减少副作用。
2. 光暴露与生物物质
2.1 暴露波长范围及其特定影响
光与生物组织的相互作用是光医学的基础，不同波长的光在医学应用中具有不同的穿透深度、吸收特性和生物学效应。紫外线（100 - 400nm）穿透浅，主要用于表面治疗；可见光（400 - 700nm）用于诊断成像和光动力疗法（PDT），但穿透有限；近红外光（NIR）包括 NIR - I（700 - 1000nm）和 NIR - II（1000 - 1700nm），NIR - II 具有更深的穿透深度，在深部组织光疗中更具优势；中红外光（3000 - 8000nm）因被水分子强烈吸收，用于浅表组织的高精度消融。在光疗中，精确调节光强度至关重要，同时需要平衡 NIR 光的暴露时间，以避免对健康组织造成热损伤。此外，多种成像技术如磁共振成像（MRI）、光声成像（PAI）等可与光疗同步，实时监测纳米材料积累、肿瘤反应和热分布，优化治疗效果。
2.2 耦合能量传递模式与纳米结构设计
纳米结构材料为多种治疗方式的整合提供了平台，CBNs 能高效吸收 NIR 光并产生大量热量，其独特的结构可实现能量的转化和耦合，如光学能量、热能、声能和化学能之间的转换。在靶向癌症治疗中，这些能量转换可通过纳米结构的设计进行优化，以达到治疗效果。
3. CBNs 的关键竞争优势
3.1 早期开创性实例
早期研究展示了 CBNs 在癌症治疗中的潜力。Liu 等人首次证明单壁碳纳米管（SWCNTs）可高效递送抗癌药物；Yang 等人强调了聚乙二醇化石墨烯的生物相容性；Robinson 等人利用 SWCNTs 的 NIR 特性进行成像和光热疗法（PTT）；Zhang 等人将其应用于肿瘤的光声成像；Juzenas 等人开发的碳纳米点可在紫外线照射下产生活性氧（ROS）用于 PDT。这些研究为 CBNs 的后续发展奠定了基础。
3.2 形态学意义
碳纳米管（CNTs）具有独特的结构，可通过涂层或掺杂增强 NIR 吸收，用于局部热疗和药物递送，但细胞相容性存在争议。碳纳米点（CNDs）具有量子限制和边缘效应，光学和理化性质优异，可用于 PDT 和 PTT，但超小尺寸可能导致脱靶积累和全身毒性。石墨烯及其氧化物具有高表面积和良好的光热转换效率，可作为多治疗剂的载体，且功能化后可增强药物递送和降低毒性。
3.3 递送策略
溶液递送是常用方法，但 CBNs 易被网状内皮系统清除，通过表面功能化可改善。水凝胶递送可将 CBNs 局限在治疗部位，实现局部持续治疗，还可协同多种治疗方式。其他基质如聚合物支架、微针贴片等可用于局部或植入式光疗，根据基质特性控制纳米材料分布和热传递。
4. 免疫反应对 CBN 介导的 PTT/PDT 疗效的影响
CBN 介导的 PTT 和 PDT 可促进免疫原性细胞死亡（ICD），增强抗癌免疫反应。CBNs 还可影响免疫细胞的招募和激活，调节肿瘤微环境中的免疫反应。此外，CBNs 在炎症管理中发挥复杂作用，需要平衡炎症反应以提高治疗效果。同时，要注意免疫清除对 CBNs 在肿瘤组织中积累的影响，研究如何减轻免疫清除以优化治疗。
5. CBNs 在各种癌症组织靶点中的应用
5.1 乳腺癌
乳腺癌是常见癌症，根据生物标志物分为多种亚型。Shao 等人开发的双靶向 SWNTs 可有效消除乳腺癌细胞；Gao 等人的 SWNH - ICG 纳米杂化物通过 PTT 和 PDT 协同抑制三阴性乳腺癌生长；GO - MB 纳米复合材料和 rGO - 磁性纳米粒子复合体系也在乳腺癌治疗中展现出良好效果。
5.2 肺癌
肺癌是全球最常见癌症之一，新型光疗方法在肺癌治疗中显示出潜力。Wong 等人的富勒烯衍生物可通过不同途径抑制肺癌细胞生长；Zhang 等人的 rGO - Ru - PEG 纳米杂化物采用双模态光疗显著抑制肿瘤生长；rPPH@AZD 纳米复合材料在非小细胞肺癌的联合化疗 / 光疗中表现出高效的肿瘤抑制作用。
5.3 胶质瘤
胶质瘤是常见的神经系统恶性肿瘤，CBNs 在胶质瘤治疗研究中具有重要意义。Markovic 等人发现碳点（CDs）在蓝光激发下可诱导 U251 胶质瘤细胞死亡；Qi 等人改进的 PS CN11 提高了光动力性能，有效杀死肿瘤细胞；Wang 等人用 SWNTs 靶向 CD133?细胞，通过 PTT 消除这些细胞，抑制肿瘤生长。
5.4 毒理学考虑
CBNs 的毒性受多种因素影响，如物理化学性质、表面功能化等。其可通过产生 ROS、引发炎症反应和造成基因毒性等机制对细胞和组织产生毒性。目前研究致力于开发减轻 CBNs 毒性的策略，如表面修饰和开发可降解 CBNs，但 CBNs 对生物过程的长期影响仍需进一步研究。
6. CBNs 光疗的体外和体内验证与测试
6.1 生物相互作用
CBNs 与肿瘤微环境存在复杂相互作用，可调节免疫反应、适应缺氧环境、与蛋白质相互作用形成蛋白冠，还可影响肿瘤血管生成和药物递送。了解这些相互作用对优化 CBNs 在癌症治疗中的应用至关重要。
6.2 生物相容性和安全性
提高 CBNs 的生物相容性和安全性是临床转化的关键。表面修饰和开发可降解 CBNs 是重要的研究方向，但仍需进行全面的长期研究，以充分了解其对生物过程的影响。
6.3 体外研究
体外研究主要评估 CBNs 的细胞摄取和定位，这对了解其治疗效果至关重要。研究表明，功能化的 CBNs 可增强细胞摄取和改善细胞内定位，提高光疗效果。
6.4 体内测试
体内研究评估 CBNs 的生物分布和药代动力学，这对了解其在生物系统中的行为和优化治疗至关重要。CBNs 的生物分布受多种因素影响，如表面修饰和靶向策略可调节其在肿瘤组织中的积累。
6.5 体内多模态疗效的整体评估
多项体内研究表明，CBNs 在多模态光疗中具有协同治疗效果，可同时实现肿瘤加热和 ROS 生成，提高治疗效果，延长动物生存期。
6.6 临床转化
CBNs 在光疗中的临床应用仍处于早期阶段，目前只有少数开创性的临床研究。尽管如此，其他纳米材料在光疗中的临床进展为 CBNs 的临床转化提供了希望，随着安全性问题的解决，CBNs 有望进入临床试验。
7. 机器学习助力纳米颗粒研究：推进材料发现研究与应用
机器学习（ML）在纳米颗粒设计、预测生物医学和治疗效果以及推进癌症纳米医学等方面发挥着重要作用。它可优化纳米颗粒合成参数，预测细胞摄取和药物递送性能，提高癌症诊断准确性，还可优化光疗参数，推动纳米技术在生物医学领域的发展。
8. 结论与展望
8.1 长期影响、生物积累和 CBNs 的回收
CBNs 在癌症光疗中取得了显著进展，但仍面临生物相容性、长期安全性、可重复性和可扩展性等挑战。开发可回收系统和可降解 CBNs 是解决长期毒性问题的重要方向。
8.2 商业化和临床使用挑战
CBNs 在癌症光疗的临床实施面临监管审批困难、安全性不确定等问题，目前只有少数产品进入临床测试阶段。在诊断领域，CBNs 的应用相对更具前景，但仍面临监管障碍。
8.3 缺乏标准化评估
目前缺乏评估 CBN 光疗的标准化方法，导致研究结果难以比较，阻碍了监管审批。建立标准化的评估指标和报告格式，以及统一的临床前模型，对加速 CBNs 的临床转化至关重要。
8.4 可重复性和可扩展性
CBNs 的合成存在批次间差异，影响其可重复性和临床应用。开发连续流或微反应器系统、优化纯化和分级步骤，以及遵循良好生产规范（GMP）标准，有助于提高 CBNs 的生产质量。
8.5 CBNs 的未来
未来，CBNs 有望通过高通量实验技术和机器学习驱动的材料设计取得进一步进展。结合免疫疗法和化学动力学疗法（CDT）等其他治疗方式，开发多功能纳米平台，以及优化光激活策略，将为癌症治疗带来新的突破。针对三阴性乳腺癌等难治性癌症，CBNs 在药物递送、热疗和免疫调节方面的优势有望为其治疗提供新的思路。通过跨学科合作，进一步优化 CBNs 的性能，有望实现更精确、有效的癌症治疗。
